馮赟杰 李明揚(yáng) 何博 張中華

摘? ?要： 地鐵隧道盾構(gòu)施工環(huán)境處于地下，工作面高濕高熱，給施工人員健康和設(shè)備安全帶來(lái)嚴(yán)重危害。針對(duì)原有通風(fēng)系統(tǒng)僅能改善局部環(huán)境，無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)散熱的問(wèn)題，提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案：在壓入式通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，加裝二次風(fēng)機(jī)、水冷主機(jī)、冷水循環(huán)泵等裝置，提高熱交換效率;綜合考慮盾構(gòu)機(jī)各機(jī)電設(shè)備熱功率和施工人員發(fā)熱量，對(duì)工作區(qū)域冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，并據(jù)此設(shè)計(jì)冷凍水箱參數(shù)指標(biāo);根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的布局和空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的總體布置。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)功率為35 kW時(shí)，制冷量可達(dá)158 kW，盾構(gòu)施工環(huán)境降溫可達(dá)10～15℃，能夠滿(mǎn)足《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》中施工環(huán)境溫度不超過(guò)28℃的要求。

關(guān)鍵詞： 盾構(gòu)施工;盾構(gòu)機(jī);地鐵隧道;通風(fēng)系統(tǒng);TB 10304-2020;散熱系統(tǒng)

引言

為改善城市交通狀況，地鐵建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。隧道盾構(gòu)施工是地鐵建設(shè)的主要方式，在這種施工方式下，由于施工地點(diǎn)處于地下，面積狹小，機(jī)器密集，因此施工環(huán)境酷熱難耐。如果隧道內(nèi)外溫差太大，就容易使施工人員患上風(fēng)濕等疾病，對(duì)施工人員的健康和安全造成不利影響。

針對(duì)地下空間施工環(huán)境惡劣的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入研究，提出了各種通風(fēng)方式，例如有學(xué)者提出了壓入式、抽出式和混合式等方式。但實(shí)踐證明，僅僅從通風(fēng)方式上進(jìn)行處理是無(wú)法改善獨(dú)頭隧道工作環(huán)境的，即使加入常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，也無(wú)法解決冷凝器散熱問(wèn)題，其根本原因是采用這些方式雖然可以使局部環(huán)境有所改善，但其他位置溫度反而升高，沒(méi)有從根本上解決隧道中的高濕高熱問(wèn)題[1]。

當(dāng)前盾構(gòu)施工在地鐵建設(shè)中應(yīng)用廣泛，地鐵隧道內(nèi)的施工環(huán)境、設(shè)施散熱、預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題亟待解決。本文首先根據(jù)盾構(gòu)施工環(huán)境，提出優(yōu)化目標(biāo);然后在壓入式通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，計(jì)算得到工作區(qū)域冷負(fù)荷，據(jù)此設(shè)計(jì)冷凍水箱參數(shù)指標(biāo);最后提出新的通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，并評(píng)估其在項(xiàng)目中的應(yīng)用效果。

1? 盾構(gòu)施工環(huán)境及優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在我國(guó)南方大部分城市，地鐵隧道盾構(gòu)施工經(jīng)常會(huì)使工作面附近作業(yè)區(qū)域的溫度達(dá)到40℃以上。在廣州的一些小斷面盾構(gòu)施工作業(yè)區(qū)域，夏天的環(huán)境溫度甚至高達(dá)50℃左右，而環(huán)境相對(duì)濕度可高達(dá)90%以上。通過(guò)通風(fēng)管道壓入工作區(qū)域的新鮮空氣時(shí)常在35℃以上，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到有效降低環(huán)境溫度的目的了[3]。

根據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》[4]，盾構(gòu)施工時(shí)，隧道內(nèi)氧氣含量按體積比不應(yīng)小于20%，氣溫不應(yīng)超過(guò)28℃，噪聲不應(yīng)大于90 dB。顯然，目前的情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到上述規(guī)程的要求，這對(duì)施工人員健康和盾構(gòu)設(shè)備性能都有不可忽視的影響。盾構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生熱量不可避免，而通過(guò)通風(fēng)、冷卻水和渣土等帶走的熱量又有限，因此若要降低施工區(qū)域的溫度、濕度等，就必須考慮新的途徑和方法。

出于成本控制以及在以往項(xiàng)目中實(shí)際使用效果的綜合考慮，采用壓入式通風(fēng)方式最為恰當(dāng)。壓入式通風(fēng)方式是指將風(fēng)機(jī)安裝在隧道外，風(fēng)機(jī)通過(guò)通風(fēng)管把隧道外的新鮮空氣直接壓入工作面，并使隧道內(nèi)被污染的空氣沿隧道流出的一種通風(fēng)方式?？紤]到風(fēng)管的接長(zhǎng)需要實(shí)時(shí)判斷，不是連續(xù)過(guò)程，為使工作面隨時(shí)有新鮮空氣壓入，在盾構(gòu)機(jī)上安裝了二次通風(fēng)系統(tǒng)，供風(fēng)量為10.5 m3/s。為保證盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)論主機(jī)是否啟停，供水系統(tǒng)都要自始至終運(yùn)轉(zhuǎn)。要求盾構(gòu)施工供水量不少于50 m3/h，水壓4～8 bar，額定進(jìn)水溫度28℃。

2? 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)與參數(shù)指標(biāo)計(jì)算

2.1? 機(jī)理分析

如第1章所述，為改善作業(yè)區(qū)域的高濕高熱環(huán)境，使盾構(gòu)施工作業(yè)環(huán)境達(dá)到要求，需要在盾構(gòu)機(jī)的二次通風(fēng)系統(tǒng)中加入空調(diào)。空調(diào)的運(yùn)作機(jī)理主要是逆卡諾循環(huán)，其中包括蒸發(fā)過(guò)程和冷凝過(guò)程：蒸發(fā)過(guò)程是空調(diào)降溫制冷的過(guò)程;冷凝過(guò)程是通過(guò)外部冷源來(lái)降低制冷系統(tǒng)中冷媒溫度，從而提升制冷系統(tǒng)效率的過(guò)程。在盾構(gòu)施工相對(duì)密閉的空間中，空調(diào)產(chǎn)生的熱量會(huì)直接排放到作業(yè)區(qū)域，稱(chēng)不上真正改善作業(yè)區(qū)域的溫濕度，且高濕高熱空氣會(huì)流經(jīng)整個(gè)隧道，使得隧道中部的作業(yè)環(huán)境進(jìn)一步惡化。結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的既有條件，為了使空調(diào)系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)有機(jī)結(jié)合，必須將通風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)相結(jié)合，將蒸發(fā)器接入到盾構(gòu)機(jī)的二次通風(fēng)系統(tǒng)中，首先讓通入的空氣通過(guò)熱交換降低溫度，然后再令其進(jìn)入施工區(qū)域?？照{(diào)系統(tǒng)的冷凝器與供水系統(tǒng)相連的另一個(gè)作用是將冷凝器與空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量帶出隧道。

2.2? 方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

結(jié)合水路、電路、通風(fēng)管路的具體條件，盾構(gòu)機(jī)各個(gè)位置都處于工作主要區(qū)域，整個(gè)環(huán)境溫度均應(yīng)是空調(diào)的影響范圍，因此借鑒中央空調(diào)的模式，采用工業(yè)水冷主機(jī)并設(shè)置冷水箱，首先通過(guò)冷凝翅片進(jìn)行熱交換，將水溫降至5℃;然后用冷水循環(huán)泵將水送至二次風(fēng)機(jī)出風(fēng)口位置的蒸發(fā)器中，進(jìn)行低溫水與高溫空氣之間的熱交換;最后將降溫后的空氣通過(guò)送風(fēng)管送至出風(fēng)口，以達(dá)到降溫目的。若要對(duì)冷凝器進(jìn)行降溫，則需將水冷主機(jī)的冷凝器接入盾構(gòu)機(jī)水系統(tǒng)的回水管中進(jìn)行熱交換。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在盾構(gòu)機(jī)工業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，與冷凝器進(jìn)行熱交換的水的溫度大致在35℃左右，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，冷凝器進(jìn)出水溫為32℃（進(jìn)水）、37℃（出水）時(shí)最合適，顯然進(jìn)水溫度略高于規(guī)定值。為解決這一問(wèn)題，裝設(shè)回水增壓泵，以提高冷凝器的熱交換效率[6]。通風(fēng)方案設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2.3? 工作區(qū)域冷負(fù)荷計(jì)算

圖2所示為盾構(gòu)機(jī)布置簡(jiǎn)圖。從圖2中可以看出，在盾構(gòu)區(qū)域范圍內(nèi)都存在發(fā)熱源。為使工作區(qū)域基本達(dá)到舒適條件，避免溫度和濕度過(guò)高，需要計(jì)算冷負(fù)荷，并以此進(jìn)行空調(diào)選型及管路布置。盾構(gòu)區(qū)域發(fā)熱源主要來(lái)源于四大模塊：電氣、液壓、傳動(dòng)、潤(rùn)滑，具體體現(xiàn)為機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的熱量、盾構(gòu)刀盤(pán)在掘進(jìn)工程中與掌子面摩擦和泥漿泵攪動(dòng)而產(chǎn)生的熱量、施工人員在進(jìn)行正常作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的熱量、隧道外空氣延隧道進(jìn)入施工作業(yè)區(qū)域而帶來(lái)的熱量等。以上大部分熱量都可以由冷卻水系統(tǒng)和盾構(gòu)渣土帶走，只是渣土在輸送過(guò)程中會(huì)有部分散失在隧道中。在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的是工作平臺(tái)、設(shè)備橋、拖車(chē)上面的機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的熱量。以目前在城市地鐵施工中的主流盾構(gòu)——6.3 m直徑土壓平衡盾構(gòu)為樣本，對(duì)所需的冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。表1所示為盾構(gòu)機(jī)各機(jī)電設(shè)備熱功率情況。

其中：

—隧道內(nèi)施工人員發(fā)熱功率，kW;

—隧道內(nèi)施工人數(shù)，取20;

—每個(gè)施工人員發(fā)熱功率，在重體力勞動(dòng)時(shí)取0.1 kW。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），得=2 kW。

化零為整，制冷量需不少于106 kW，才能使隧道工作面溫度與送風(fēng)溫度持平，考慮《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304-2020）》[4]中氣溫不應(yīng)超過(guò)28℃的規(guī)定，以及渣土在輸送過(guò)程中表面散失的熱量和極端空氣條件下的降溫能力，選用空調(diào)機(jī)的制冷能力應(yīng)大于計(jì)算制冷功率并采用變頻調(diào)節(jié)功率。

2.4? 冷凍水箱參數(shù)指標(biāo)計(jì)算

在工業(yè)水冷系統(tǒng)中，冷凍水箱的作用主要是裝載冷卻水，其目的是排氣散熱、保持恒溫、快速補(bǔ)水等。冷卻水箱內(nèi)的蓄冷量必須要滿(mǎn)足冷水機(jī)在卸載狀態(tài)下啟動(dòng)，到待機(jī)狀態(tài)，再到加載到滿(mǎn)載這段時(shí)間內(nèi)，供冷水機(jī)組（即整個(gè)空調(diào)管路）的循環(huán)水量。冷凍水的水溫不能超過(guò)允許的最高溫度。

其中：

—冷卻水箱容積，m3;

—冷水機(jī)制冷量，kW;

—冷水機(jī)防止頻繁啟動(dòng)時(shí)間間隔，min;

—冷水機(jī)從啟動(dòng)到滿(mǎn)載的加載時(shí)間，min;

—安全系數(shù)，取1.1;

—冷凍水要求的最低溫度，℃;

—冷卻水要求的最高溫度，℃;

—水的比熱容，取4.2×103 J/（kg·℃）。

根據(jù)章節(jié)2.3對(duì)冷負(fù)荷的計(jì)算，確定冷水機(jī)的型號(hào)，其制冷量為114 kW。壓縮機(jī)要求1 h內(nèi)最大啟停次數(shù)為12次，則循環(huán)時(shí)間為300 s，最小運(yùn)行時(shí)間為120 s，進(jìn)而時(shí)間間隔=3 min，冷水機(jī)加載時(shí)間=2 min。冷凍水最低溫度為7℃，最高溫度為9℃，冷凍水溫度精度為2℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（2）中求得冷凍水箱要求的容積≈4.5 m3。

考慮到盾構(gòu)機(jī)空間條件，初步確定冷卻水箱外形尺寸為2 000 mm×1 000 mm×2 250 mm。

3? 通風(fēng)系統(tǒng)布置

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的布局和空間結(jié)構(gòu)，在距盾構(gòu)機(jī)二次通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)較近且具備安裝條件的4號(hào)臺(tái)車(chē)加裝工業(yè)水冷主機(jī)及冷水箱，通風(fēng)系統(tǒng)在盾構(gòu)上的布置如圖3所示。

利用水冷空調(diào)主機(jī)對(duì)冷水箱中的冷水進(jìn)行降溫，通過(guò)水泵將冷卻后的冷水泵送至在二次通風(fēng)管道內(nèi)設(shè)計(jì)加裝的蒸發(fā)器，使風(fēng)機(jī)輸送的新鮮空氣經(jīng)蒸發(fā)器完成熱交換，并將降溫后的冷空氣送至掌子面附近工作區(qū)域，同時(shí)連接盾構(gòu)機(jī)外循環(huán)水系統(tǒng)將水冷空調(diào)主機(jī)工作產(chǎn)生的熱量帶出隧道[7]。

為保證蒸發(fā)器表面效率和空氣潔凈度，在二次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口加入可以反復(fù)使用的尼龍材質(zhì)0.2 mm網(wǎng)格風(fēng)管過(guò)濾器。制冷機(jī)組根據(jù)盾構(gòu)空間位置量身定制，安裝方便，采用環(huán)保冷媒，壓縮機(jī)具有高壓縮比，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻控制，可根據(jù)季節(jié)或特殊要求對(duì)通風(fēng)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保出風(fēng)口溫度恒定。為水冷空調(diào)冷卻水提供足夠的背壓，保證盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)等對(duì)水流水壓的需求。在隧道外的回水管路上安裝回水增壓泵。

4? 應(yīng)用效果評(píng)估

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，通風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)功率為35 kW，可以達(dá)到的制冷量高達(dá)158 kW，主機(jī)電源與盾構(gòu)機(jī)其他裝置供電制式一致，冷凝器額定水量34 m?/h（制冷），蒸發(fā)器額定水量27.2 m3/h（制冷），從1號(hào)拖車(chē)至盾構(gòu)尾部，環(huán)境降溫達(dá)到10～15℃。

該研究成果得到了相關(guān)廠家和地鐵隧道盾構(gòu)施工項(xiàng)目的支持，在安徽省合肥市軌道交通4號(hào)線(xiàn)采用的中鐵裝備φ6 280 mm開(kāi)挖直徑復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上得到了成功應(yīng)用。該地的地質(zhì)條件為粉質(zhì)粘土及細(xì)粉沙。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～3.7 r/min，最大設(shè)計(jì)壓力5 bar，最大推力35 000 kN，循環(huán)冷卻水流量40 m?/h，二次供風(fēng)系統(tǒng)直徑φ600 mm。在近半年的使用中，隧道內(nèi)密閉空間能夠滿(mǎn)足預(yù)期要求，改善了工作面的高濕高熱狀況，通過(guò)自動(dòng)控制，已經(jīng)適應(yīng)了冬、春兩季的考驗(yàn)。根據(jù)空調(diào)廠家產(chǎn)品的適應(yīng)范圍，能夠?qū)囟冉档?0℃左右，即使按壓入式通風(fēng)進(jìn)入空氣溫度最高35℃計(jì)算，也能夠?qū)⒍軜?gòu)工作面環(huán)境溫度控制在規(guī)定的溫度范圍，整機(jī)運(yùn)行良好。通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)解決當(dāng)前地鐵隧道盾構(gòu)施工工作面環(huán)境具有非常明顯的作用，施工人員在施工過(guò)程中不再感到高濕高熱，無(wú)需脫掉工作服或卸載安全裝置，有效保障了施工安全，提升了施工體驗(yàn)。

5? 結(jié)論與展望

（1）本文為地鐵隧道盾構(gòu)施工環(huán)境優(yōu)化了通風(fēng)系統(tǒng)，該成果經(jīng)項(xiàng)目實(shí)際測(cè)試，能夠良好實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)作業(yè)區(qū)降溫，改善施工環(huán)境，是值得借鑒的模式和方法;

（2）目前在盾構(gòu)機(jī)選型方面僅僅對(duì)一種型號(hào)的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了配置、測(cè)試以及溫度采樣，后續(xù)設(shè)計(jì)還需要適應(yīng)更多種類(lèi)型的盾構(gòu)機(jī)，使通風(fēng)系統(tǒng)受到更為廣泛的應(yīng)用;

（3）目前空調(diào)主機(jī)需安裝在后配套拖車(chē)尾部，但因各施工項(xiàng)目拖車(chē)加裝設(shè)備不完全一致，后續(xù)還需對(duì)主機(jī)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使其具備更好的適應(yīng)性。

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