高溫濕熱環境對施工影響分析及降溫措施研究

羅忠

摘要：本文以廣州市地下綜合管廊盾構隧道高溫高濕環境為例，分析其高溫高濕環境產生的原因，對施工作業影響以及降溫設備系統的設計理論依據、工作原理以及降溫效果;為以后盾構法隧道施工高溫高濕問題提供了可靠的決策依據和技術指導。研究結果表明：將降溫設備系統應用于盾構隧道，使連接橋與拼裝平臺的溫度平均下降8℃，降溫效果明顯，溫度降低減少水的蒸發量，降低空氣中含水量，降低相對濕度，大大改善了作業區域的工作環境。

Abstract： Taking the shield tunnel of Guangzhou underground comprehensive pipeline gallery as an example， this paper analyses the causes of the high temperature and humidity environment， its influence on construction work and the design theoretical basis， principle and cooling effect of cooling equipment system， which provides reliable decision-making basis and technical guidance for the high temperature problem of shield tunnel in the future. The results show that： the cooling equipment system applied to the shield tunnel， the temperature of the connecting bridge and the assembled platform is reduced by 8°C. On average， the cooling effect is obvious. The lower temperature reduces the evaporation of water， the air moisture content and the relative humidity. So it enormously improves the environment of the working area.

關鍵詞：盾構隧道;高溫濕熱環境;施工影響;降溫設備

Key words： shield tunnel;hot and humid environment;construction influence;cooling equipment

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0182-03

1? 工程概況

廣州市中心城區地下綜合管廊支線沿科韻路平行于軌道交通十一號線員村—華景路段敷設，起于廣州員村熱電有限公司地塊內，終止于棠下變電站，與主線分離，管廊支線全線共設四井三區間，支1、支2、支4井分別位于廢棄的員村熱電廠、科韻路周邊的綠化帶和農地內;支3井位于緊鄰科韻路東側的棠安路。線路全長約3.1km，全部采用地下敷設方式，共設4座地面井，支線段平均井間距為0.98km。平面共設10條曲線，最小曲線半徑300m，縱向線路總體呈V坡，設7條曲線，最小半徑2000m，最大縱坡36‰，其地理位置圖見圖1。

2? 隧道高溫濕熱環境形成原因

2.1 夏季高溫影響

廣州市位于珠江三角洲北部，屬海洋性亞熱帶季風氣候，易受西太平洋副熱帶高壓脊和臺風（熱帶氣旋）的影響，加之城市熱島效應，易出現持續高溫現象。臺風是一個低壓系統，其附近存在強烈的上升氣流區，中心外圍伴隨著一個下降氣流區，當高空存在下降氣流，而地面空氣流動不明顯，低層空氣被上層空氣壓縮，轉化形成熱量;強烈的臺風對外圍氣體有著吸附作用，造成一定范圍出現少云區，太陽光能直接照射地面，使其溫度升高。而隧道的通風系統將外部空氣帶入，從而帶進了一部分熱量使隧道內溫度升高。

2.2 盾構機高溫熱源

張杰分析了在盾構機掘進過程中熱量的變化，作業區域的熱量主要包括盾構機電力系統工作產生的熱量、液壓系統工作產生的熱量、傳送帶運輸渣土產生的熱量、盾構刀盤切削巖層摩擦產生的熱量、泥水因抽水泵的攪拌形成的熱量、現場作業人員產生的熱量、通風系統和循環水系統從隧道外帶入的熱量。隧道內主要熱源來自于依靠液壓系統產生的動力不斷使刀盤與巖層接觸摩擦產生源源不斷的熱量，耗散的部分熱量迅速使作業區域環境溫度上升。

盾構機產生的絕大部分熱量雖然隨冷卻水循環系統被帶出隧道，但仍有一部分耗散在隧道內。隧道內清洗淤泥的水、排放于隧道的部分冷卻水構成了濕熱源。在作業區域，由于其環境溫度明顯高于外界溫度，空氣流通較差，大量熱量難以及時排出，形成了濕熱的惡劣工作環境，影響工作人員的身體健康。

3? 高溫濕熱環境對施工作業影響

綜合管廊項目支1～支4區間采用中交天和Ф6250mm土壓平衡盾構機進行推進。在正常掘進過程中，隧道內溫度實測最高能達到38～40℃，相對濕度70%，之后的管片拼裝過程，溫度雖然有所降低，但濕度卻有所增加，到下一次掘進以此循環。

3.1 高溫濕熱環境對施工人員安全的影響

為保障施工作業人員的身體健康，我國不同行業對于隧道內施工環境溫度進行了嚴格要求。《GB 50446-2017盾構法隧道施工及驗收規范》規定隧道內溫度不能超過32℃，《TB10204-2002鐵路隧道施工規范》規定隧道內溫度不能超過28℃，《JTG-F60-2009公路隧道施工技術規范》要求隧道內環境溫度不宜超過28℃，《SL303-2004水利水電工程施工組織設計規范》要求洞室內平均溫度不能超過28℃。

工程實踐表明隧道內的高溫濕熱環境對于人體健康以及生命安全有重大影響。在高溫濕熱環境條件下，人往往會感覺悶熱、呼吸不暢，很容易產生暈厥、中暑甚至休克;在意識不清的情況下，容易產生對設備的誤操作，對安全隱患失去判斷力和警覺能力。

當有效溫度升高時，人的意識判斷力將減退，當有效溫度超過32℃時，作業者操作誤差開始增加，達到35℃左右時，誤差會增加4倍以上。而事故發生率與溫度有關，據研究，意外事故率最低的溫度為20℃左右;當溫度高于28℃或降到10℃以下時，意外事故將增加30%。高溫高濕環境下作業，極大地增加了施工的安全隱患。

3.2 高溫環境對盾構機設備故障率的影響

隧道內的高溫環境將影響盾構機的電力系統、液壓系統、發動機、冷卻系統的正常運行，從而影響施工效率。在綜合管廊項目盾構隧道施工過程中，盾構作業區域環境溫度常常達到38℃，而盾構刀盤溫度達到45～55℃，使發動機冷卻系統散熱溫差小，散熱效率降低，易出現過熱情況，致使功率降低。由于隧道內環境溫度較高，容易使機械機油溫度隨之升高、粘度降低，潤滑作用降低，從而使設備磨損量增大;高溫環境容易對盾構機的液壓密封件造成老化，在高油壓作業情況下容易發生油管爆管或者漏油;長期高溫環境容易造成電機馬達等機電設備絕緣等級下降，線圈損壞，設備頻繁出現故障，減小機械設備的使用壽命[3]，同時影響施工進度，降低施工效率。

3.3 高溫環境對施工人員工作效率的影響

高溫環境影響作業人員工作效率，人在27～32℃環境下工作，其肌肉用力的工作效率下降，并且促使用力工作的疲勞也將加速。當溫度高達32℃以上時，需要注意力集中的工作及精密工作的效率也開始受影響。而腦力勞動對溫度的反應更敏感，當有效溫度達到29.5℃時，腦力勞動的效率開始降低，許多學者的實驗都表明：有效溫度越高，其持續作業時間也越短。

根據國際工業工程研究的有關數據表明：空氣溫度每超過標準溫度（26℃）1℃，生產效率將降低6～8%。因此，改善工作環境，提高生產效率是降低生產成本的重要因素之一。

4? 隧道降溫技術措施

為保障施工人員的健康安全，保證機械設備的正常運行，提高施工生產效率，改善隧道施工環境已刻不容緩[8-10]，本文將降低生產成本的降溫系統設備應用于廣州市綜合管廊盾構隧道。

4.1 設計理論依據

主要根據熱力學平衡原理（能量守恒定律），使用降溫系統設備將隧道內施工環境溫度調節至28℃，從而計算出系統通風量、制冷量，進而確定空氣冷卻器尺寸和冷卻塔標準。

系統通風量計算：根據工作人員數量、電焊、瓦斯廢氣稀釋、內燃廢氣、最小通風量等要求，加之安全系數，以及利用現有的通風設備功率。

系統制冷量計算：通風制冷量=熱功率產熱+渣土攪動摩擦產熱-外部循環水散熱-出渣散熱。

4.2 降溫設備組成

隧道盾構施工降溫系統設備主要包括冷水機制冷系統、空氣器熱交換系統和冷卻水循環系統三部分。冷水機制冷系統安裝在盾構機最后一節臺車，主要包括冷凝器、過濾器、熱力膨脹閥、蒸發器、壓縮機;冷卻水循環系統是利用隧道原有的水循環系統（安裝在地表隧道進口），主要包括冷卻塔、蓄水池和冷卻水循環泵箱;空氣冷水器熱交換系統是安裝在隧道風管出風口處，主要包括空冷器、冷卻水保溫水箱（盾構機自身的水箱）以及冷卻水循環泵箱。

4.3 工藝原理

冷水機組產生的冷凍水經空冷器對外部空氣冷卻降溫，升溫的冷凍水沿管道進入蒸發器，低溫低壓狀態下氟利昂液體吸收熱量氣化使冷凍水降溫冷卻，變為低溫冷凍水再次回到空冷器，以此循環;而蒸發器內低溫低壓狀態氟利昂氣體經壓縮機壓縮為高溫高壓氣體，經排氣管道進入冷凝器與循環水進行熱交換，對氟利昂冷卻，循環水經管道回到冷卻塔，進行外部冷卻。而氟利昂氣體凝結成高溫高壓液體經熱力膨脹閥節流降壓后吸入蒸發器變為低溫低壓液體，不斷循環，實現降溫冷卻效果，其安裝工藝流程圖見圖2。

4.4 成果分析

通過將降溫設備系統應用于盾構隧道中，為檢測降溫效果將測試盾構機掘進過程不同位置溫度（拼裝臺、連接橋、1號臺車、2號臺車、3號臺車、4號臺車、5號臺車、6號臺車、7號臺車），為避免推進過程時溫度變化偶然性選擇用溫度計測量推進1509-1512、1515-1517、1521-1523、1529、1533環時隧道不同作業區域位置溫度變化情況見圖3。結果表明：盾構機掘進過程，隧道內作業環境平均溫度為33.4℃，已超過《GB50446-2017盾構法隧道施工及驗收規范》中要求，嚴重影響施工人員的身體健康。

拼裝臺位置作為施工人員主要作業區域，其溫度變化情況直接關乎人員身體健康情況，因此將其溫度變化情況作為降溫效果評價指標見圖4。通過降溫設備系統在盾構隧道中應用，連接橋與拼裝平臺的溫度維持在28℃左右，最低為25.5℃，平均下降8℃，降溫效果作用明顯，大大改善了作業區域環境，保障了施工人員和設備安全，達到了安全生產效果，為以后盾構法施工隧道高溫問題提供了可靠的決策依據和技術指導。

5? 結論

本文對廣州市地下綜合管廊盾構隧道高溫濕熱環境成因、對施工影響以及降溫措施進行了研究，具體成果如下：

①廣州市地下綜合管廊盾構隧道高溫濕熱環境主要原因是盾構機在正常掘進時，依靠液壓系統產生的動力不斷使刀盤與巖層摩擦產生源源不斷的熱量，迅速使作業區域環境溫度上升。

②在高溫濕熱環境下，人往往會感覺悶熱、呼吸不暢，很容易產生暈厥、中暑甚至休克;在意識不清的情況下，容易產生對設備的誤操作;高溫環境易使工作效率降低，使用壽命減短。

③將降溫設備系統應用于盾構隧道，使連接橋與拼裝平臺的溫度平均下降8℃，降溫效果作用明顯，大大改善了作業區域環境，保障了施工人員和設備安全，達到了安全生產效果。

參考文獻：

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[4]宿輝，張宏，耿新春，唐陽，等.齊熱哈嗒爾高地溫引水發電隧洞施工影響分析及降溫措施研究[J].隧道建設，2014，34（4）：351-355.