(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

我國(guó)許多地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，當(dāng)隧洞埋深較大時(shí)，地溫也隨之較大，同時(shí)在TBM施工過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)釋放大量熱量，由此產(chǎn)生的高溫高濕問(wèn)題嚴(yán)重，威脅作業(yè)人員健康安全，影響設(shè)備運(yùn)行及生產(chǎn)效率。此外，若降溫降濕措施不當(dāng)，隧洞內(nèi)部支護(hù)及襯砌施工質(zhì)量也會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，研究TBM在長(zhǎng)距離、大埋深隧洞施工中的降溫降濕技術(shù)具有重要的意義。在隧洞施工降溫降濕方法的研究中，學(xué)者們大多從“大埋深”及“長(zhǎng)距離”兩個(gè)角度展開(kāi)單因素研究。宿輝[1]等以齊齊哈爾水電站工程發(fā)電引水隧洞為例，研究了以隧洞通風(fēng)降溫為主，冷水冷卻與人工制冰降溫為輔的降溫方法，取得了較好的效果；朱春[2]等針對(duì)盾構(gòu)法施工的長(zhǎng)隧道施工，提出了采用空調(diào)機(jī)組制造冷空氣輸送到工作區(qū)，熱空氣及濕氣排至工作區(qū)后以達(dá)到降溫除濕的有效解決方案；李湘權(quán)[3]等研究了以通風(fēng)降溫為主、低溫冷水降溫為輔的綜合降溫除濕技術(shù)手段；李國(guó)華[4]等介紹了超長(zhǎng)距離引水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)布置優(yōu)化方案；沈熙智[5]等介紹了引大濟(jì)湟引水長(zhǎng)隧道采用壓入式與巷式相結(jié)合的綜合通風(fēng)方式。本文結(jié)合引漢濟(jì)渭嶺北段TBM隧洞工程實(shí)例，綜合隧洞施工大埋深、長(zhǎng)距離兩個(gè)關(guān)鍵因素，提出“接力通風(fēng)降溫降濕為主，熱源冷卻、人工制冰降溫技術(shù)為輔”的有效降溫減濕技術(shù)，可供類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭引水隧洞全長(zhǎng)98.3km，最大埋深2012m，貫通秦嶺南北。嶺北施工段全長(zhǎng)36.32km，沿主洞方向由南至北沿程布設(shè)5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)三條支洞，TBM施工段自秦嶺分水嶺開(kāi)始至6號(hào)支洞上游2113m處結(jié)束。施工段途徑秦嶺主脊位置，掌子面隧洞埋深1150m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，TBM施工停機(jī)整備期間施工區(qū)溫度38℃，掘進(jìn)期間溫度43℃，TBM作業(yè)環(huán)境濕度達(dá)85%以上。

2 通風(fēng)方案

常見(jiàn)的隧洞施工通風(fēng)方式有壓入式、抽出式、混合式、巷道式等。壓入式通風(fēng)可將新鮮風(fēng)直接引至作業(yè)面，污濁風(fēng)經(jīng)由已挖隧洞返回，作業(yè)面污濁風(fēng)排放能力強(qiáng)；抽出式有效吸程短，通風(fēng)效率低；混合式對(duì)隧洞段面要求較高，設(shè)備布設(shè)較復(fù)雜；巷道式通風(fēng)需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的通風(fēng)巷道，成本較高。結(jié)合工程實(shí)際情況，本文研究壓入式通風(fēng)方式。

2.1 通風(fēng)需求計(jì)算

嶺北TBM施工段分兩階段施工。第一階段施工最大通風(fēng)距離11843.5m，第二階段施工最大通風(fēng)距離13525m(取14000m)。具體通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

風(fēng)量計(jì)算時(shí)考慮人員需風(fēng)量Q人、最小回風(fēng)速度需風(fēng)量Q風(fēng)及稀釋內(nèi)燃機(jī)車(chē)廢棄風(fēng)量，取風(fēng)量需求最大值為隧洞控制風(fēng)量。計(jì)算式為

Q人=qn

式中q——作業(yè)面每一名作業(yè)人員的通風(fēng)量，取3m3/min；

n——作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)，130人。

Q風(fēng)=60VS

式中V——洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速，0.5m/s。

Q內(nèi)=Q需=max(Q人Q風(fēng)Q內(nèi))

Q機(jī)=Q需/(1-β)L/100

經(jīng)過(guò)計(jì)算， TBM工作面的需風(fēng)量1515m3/min，風(fēng)機(jī)供風(fēng)風(fēng)量為2424m3/min，管道壓力損失5247Pa。

2.2 通風(fēng)設(shè)備布置及選型

嶺北TBM第一階段施工通風(fēng)設(shè)備采用T2.160變頻軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)為：功率3×200kW，設(shè)計(jì)風(fēng)量3456m3/min，總風(fēng)壓7138Pa；通風(fēng)軟管直徑為2.2m。風(fēng)機(jī)采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，TBM示意圖見(jiàn)圖1，風(fēng)機(jī)布置在距6號(hào)支洞洞口30m位置，通風(fēng)軟管經(jīng)6號(hào)支洞進(jìn)入主洞，經(jīng)組裝洞、步進(jìn)洞，與TBM軟風(fēng)管儲(chǔ)存筒連接，污濁風(fēng)通過(guò)5號(hào)支洞排出。第二階段施工采用貫通面取風(fēng)、一站壓入式獨(dú)頭通風(fēng)，通風(fēng)布置參見(jiàn)圖2。

圖1 TBM示意圖 (單位：m)

圖2 嶺北TBM第一階段施工通風(fēng)布置示意圖

2.3 通風(fēng)運(yùn)行性能分析

通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，TBM尾部?jī)?chǔ)風(fēng)筒處平均溫度、濕度、施工區(qū)溫度見(jiàn)表2，圖3為平均溫度及施工區(qū)溫度隨掘進(jìn)距離變化曲線。

表2 初擬方案TBM尾部?jī)?chǔ)風(fēng)筒處檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 平均溫度及施工區(qū)溫度隨掘進(jìn)距離變化曲線

由表2及圖3可知，施工段溫度隨著掘進(jìn)距離的增加不斷加大，洞內(nèi)TBM施工區(qū)溫度達(dá)到37.3℃，濕度高達(dá)96%，已經(jīng)超出人體與設(shè)備承受能力的極限。掘進(jìn)距離在3500～6100m范圍內(nèi)，溫度大致呈線性變化，平均溫度變化梯度為0.137℃/100m，掘進(jìn)距離為6100～6600m時(shí)，平均溫度變化梯度為0.883℃/100m，由此得出結(jié)論，該方案前期掘進(jìn)距離較短時(shí)，降溫除濕效果較好，隨著掘進(jìn)距離增加至6100m后，通風(fēng)效果明顯降低。該通風(fēng)方案污濁風(fēng)由5號(hào)支洞排出，水霧影響較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知，7—8月隧洞內(nèi)受水霧影響的距離相對(duì)較小，約為2300m，其余月份水霧影響距離約為3200m，可視度最低僅為3m左右?？傮w來(lái)說(shuō)，該通風(fēng)方案水霧影響長(zhǎng)度及可視度情況較差，已嚴(yán)重影響支洞內(nèi)的施工作業(yè)及交通安全，支洞水霧狀況見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化前5號(hào)支洞洞口水霧狀況

3 通風(fēng)技術(shù)優(yōu)化

進(jìn)行第二施工段施工，需從5號(hào)支洞口直接取風(fēng)，最遠(yuǎn)供風(fēng)距離達(dá)到16.5km。主洞中同步實(shí)施襯砌作業(yè)，襯砌臺(tái)車(chē)作業(yè)區(qū)對(duì)主洞超長(zhǎng)距離通風(fēng)效果有一定程度的削弱，若繼續(xù)采用現(xiàn)有獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案很難保證正常施工需求。結(jié)合嶺北TBM施工區(qū)各作業(yè)區(qū)通風(fēng)要求及嶺南接應(yīng)段施工長(zhǎng)度、巖溫等因素綜合考慮，在第一施工段施工方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行通風(fēng)技術(shù)優(yōu)化，以降低工作區(qū)域溫度和濕度，滿足正常施工作業(yè)要求。

3.1 通風(fēng)設(shè)備布置及選型

從5號(hào)支洞洞口取風(fēng)，支洞洞口布置2×315kW通風(fēng)機(jī)一臺(tái)。主洞采用φ2200通風(fēng)軟管。受布置空間限制，5號(hào)支洞內(nèi)布設(shè)兩道φ1500的通風(fēng)軟管。在距離5號(hào)支洞洞口5070m水倉(cāng)處及主洞第二施工段中部各設(shè)置一臺(tái)3×200kW軸流風(fēng)機(jī)，并輔以DCR風(fēng)壓適配裝置作為接力通風(fēng)裝置。新鮮風(fēng)通過(guò)φ1500通風(fēng)軟管，經(jīng)由5號(hào)支洞轉(zhuǎn)至主洞段，最終輸送至TBM作業(yè)面。在主洞第二施工段中部位置與5號(hào)支洞中部位置各布置一臺(tái)2×185kW回程增壓風(fēng)機(jī)。污濁風(fēng)經(jīng)由TBM作業(yè)面、主洞段和5號(hào)支洞排出洞外。優(yōu)化后第二施工段的通風(fēng)布置見(jiàn)圖5。

圖5 方案優(yōu)化后第二施工段通風(fēng)系統(tǒng)布置

3.2 通風(fēng)運(yùn)行性能分析

優(yōu)化后的第二施工段通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用后，洞內(nèi)溫度、濕度及設(shè)備區(qū)域溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、圖6～圖7。

表3 方案優(yōu)化后溫濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 溫度隨掘進(jìn)距離變化曲線

圖7 濕度隨掘進(jìn)距離變化曲線

由表3及圖6～圖7可知，隨著掘進(jìn)距離由6600m增加至7200m，洞內(nèi)溫度及設(shè)備區(qū)域溫度隨之增加，但較第一施工段未優(yōu)化前方案，其增加速度減小較多，溫度變化也較均勻，濕度隨掘進(jìn)距離呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)最大掘進(jìn)位置為7200m時(shí)，施工區(qū)溫度為33.7℃，濕度為85.8%。較第一施工段最大掘進(jìn)位置為6600m時(shí)，整體溫度平均下降3.6℃，濕度降低10.2%。此外，5號(hào)支洞現(xiàn)場(chǎng)僅存在輕微水霧，其余洞段均無(wú)水霧出現(xiàn)，水霧影響長(zhǎng)度及可視度情況較未優(yōu)化方案明顯改善，5號(hào)支洞洞口水霧情況見(jiàn)圖8。由優(yōu)化前后隧洞施工通風(fēng)方案實(shí)施實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，壓入式通風(fēng)方式應(yīng)用于長(zhǎng)距離深埋深隧洞時(shí)，隨著通風(fēng)距離的增加，送入工作面的風(fēng)量及送風(fēng)速度逐漸減小，通風(fēng)效果減弱明顯。采用接力通風(fēng)手段，沿程增加風(fēng)機(jī)后主洞內(nèi)通風(fēng)能力增強(qiáng)，洞內(nèi)施工面溫度及濕度有效降低。此外，壓入式通風(fēng)方式污濁風(fēng)沿已施工洞段返回，速度較慢，造成污濁風(fēng)出口一定長(zhǎng)度內(nèi)濕度過(guò)大。增設(shè)回程增壓風(fēng)機(jī)，很大程度上提高了污濁風(fēng)回風(fēng)速度，有效緩解了5號(hào)洞口水霧影響狀況，保證了支洞內(nèi)良好的施工環(huán)境。

4 輔助降溫降濕措施

TBM施工段隧洞內(nèi)的絕對(duì)熱源主要包括機(jī)電設(shè)備、混凝土水化熱和空氣壓縮等熱源散熱，TBM施工過(guò)程中，主要絕對(duì)熱源是空壓機(jī)和變壓器工作發(fā)熱。

可以通過(guò)減少絕對(duì)熱源產(chǎn)生的熱量達(dá)到局部降溫的目的。

a.改造升級(jí)變壓器冷卻系統(tǒng)，將原來(lái)風(fēng)冷空壓機(jī)改造成風(fēng)水雙冷方式[6]。冷卻系統(tǒng)改造升級(jí)后，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤檢測(cè)顯示，設(shè)備區(qū)域溫度降低約5℃左右，局部降溫效果顯著。

b.人造冰塊降溫。將洞外提前制造的冰塊運(yùn)送至空壓機(jī)和變壓器等熱源附近或工人工作區(qū)，可有效降低局部溫度，為工人提供一個(gè)相對(duì)舒適的工作環(huán)境，施工現(xiàn)場(chǎng)冰塊降溫放置情況見(jiàn)圖9。該方法利用冰塊液化吸熱原理，是輔助降溫的一種有效技術(shù)手段。

圖9 人造冰塊降溫現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié) 論

本文以引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM施工段為例，對(duì)超長(zhǎng)距離、大埋深隧洞施工降溫降濕技術(shù)措施進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

a.隧洞施工埋深較大，TBM施工作業(yè)時(shí)產(chǎn)生高溫、高濕問(wèn)題，采用壓入式通風(fēng)方法在支洞口設(shè)置通風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)引至施工面、污濁風(fēng)經(jīng)由支洞排出的通風(fēng)方案在通風(fēng)距離較短時(shí)可取得較好的效果，通風(fēng)距離較長(zhǎng)時(shí)，效果減弱明顯。

b.采用接力通風(fēng)方式，在主洞沿程布設(shè)接力風(fēng)機(jī)及風(fēng)壓適配裝置，同時(shí)在主洞與支洞適當(dāng)位置布設(shè)回程增壓風(fēng)機(jī)，可增強(qiáng)通風(fēng)力度及通風(fēng)速度，顯著降低TBM施工區(qū)域溫度和濕度，同時(shí)可降低水霧影響長(zhǎng)度，增加洞內(nèi)可視度，減小污濁風(fēng)排出口水霧量。

c. TBM施工過(guò)程中施工設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生熱量是施工隧洞內(nèi)溫度高的重要因素之一，通過(guò)壓力機(jī)制冷系統(tǒng)升級(jí)改造及人工制冰降溫相結(jié)合的輔助方式可達(dá)到降低施工設(shè)備的局部溫度，為作業(yè)人員提供良好作業(yè)環(huán)境的效果。