小直徑盾構(gòu)施工通風(fēng)及降溫措施探究

張敏

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程公司，濟(jì)南 250013）

1 引言

隨著我國各大城市地下工程建設(shè)以及管道建設(shè)的迅猛發(fā)展，由于盾構(gòu)法施工的安全性以及高效性，盾構(gòu)隧道被越來越廣泛地用于城市軌道交通項(xiàng)目和市政公共管道等各種地下基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)中【1】，其中不乏4m 以下斷面的小盾構(gòu)施工工程，在小直徑盾構(gòu)施工中因空間狹小，導(dǎo)致隧道內(nèi)部的通風(fēng)管道布置有較大局限性，通風(fēng)管道直徑也受到限制，因此在長距離、小斷面隧道內(nèi)的通風(fēng)、降溫是施工中的一大重難題，不易解決【2】。為了保證施工人員和設(shè)備的安全，合理的隧道通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)對(duì)隧道施工具有重要的施工借鑒意義【3】。本文以國內(nèi)某5m 級(jí)盾構(gòu)施工隧道為例，進(jìn)行盾構(gòu)施工通風(fēng)及降溫措施探究。

2 盾構(gòu)施工環(huán)境分析

隧道通風(fēng)一般采用機(jī)械式通風(fēng)，包括壓入通風(fēng)、抽氣通風(fēng)和混合通風(fēng)3 種最為常見的通風(fēng)方式。多數(shù)盾構(gòu)施工均采用壓入式和混合式通風(fēng)方式，但因小直徑盾構(gòu)的施工空間限制，本工程選用機(jī)械壓入式的通風(fēng)方式，通風(fēng)系統(tǒng)包括主風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管路和風(fēng)管儲(chǔ)存器等。通風(fēng)過程依次為：（1）主風(fēng)機(jī)安裝在地面沉井口，通過盾構(gòu)通風(fēng)管道的儲(chǔ)存空間進(jìn)行延伸；（2）新鮮空氣被壓入至盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備的末端；（3）運(yùn)用后配套上的二次通風(fēng)系統(tǒng)將新鮮空氣輸送至盾構(gòu)機(jī)前端及各作業(yè)空間內(nèi)。現(xiàn)需通過通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓以及風(fēng)機(jī)功率計(jì)算，進(jìn)行主風(fēng)機(jī)選型。

3 風(fēng)機(jī)選型

3.1 設(shè)計(jì)風(fēng)量計(jì)算

隧道施工過程中所需要的風(fēng)量是根據(jù)隧道同時(shí)施工工作時(shí)最多人數(shù)所需要的最大風(fēng)量、最小風(fēng)量和通風(fēng)量來計(jì)算內(nèi)燃機(jī)所需的風(fēng)量，并以最大風(fēng)量作為設(shè)計(jì)風(fēng)量。

3.1.1 按隧洞內(nèi)同一時(shí)間工作的最多人數(shù)的需風(fēng)量計(jì)算

式中，Q1為在隧道內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)所需的計(jì)算風(fēng)量，m3/min；q 為隧道內(nèi)每人所需的新鮮空氣的量，m3/min，一般按3m3/min計(jì)；m 為隧道洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，一般按20 人計(jì)；k 為風(fēng)量的備用系數(shù)，取1.2。

可得：

3.1.2 按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量

式中，Q2為開挖面所需要的風(fēng)量，m3/min；S 為開挖斷面積，m2，按管片內(nèi)徑斷面計(jì)算，S=15.45m2；V 為最低風(fēng)速，取V=0.15m/s。

可得：

3.1.3 按稀釋洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)械廢棄計(jì)算

式中，Q3為稀釋洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)械廢棄所需要的風(fēng)量，m3/min；K1為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的功率使用有效系數(shù)，取0.6；K2為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)功率的工作系數(shù)，取0.8；∑P 為在隧洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的各種柴油機(jī)功率的總和，kW。

因隧道洞內(nèi)無其他內(nèi)燃機(jī)作業(yè)，故Q3=0m3/min。

取上述3 種計(jì)算中的通風(fēng)量最大值為設(shè)計(jì)風(fēng)量，則Qh=139.05m3/min。

3.2 風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算

考慮通風(fēng)管道中的風(fēng)量損失，百米平均漏風(fēng)率β取1.5%，隧道總長度L=3 481m。管道漏風(fēng)系數(shù)：

故通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量為：

3.3 風(fēng)壓計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的靜壓在數(shù)值上等于沿著管道的摩擦損耗和局部阻力損耗。通常情況下，摩擦阻力是主要的，在管道通風(fēng)時(shí)，局部阻力通常可以增加10%。本隧道采用管道壓入式通風(fēng)，管道摩擦阻力按下式計(jì)算：

式中，H 為通風(fēng)管道摩擦阻力，Pa；L 為隧洞內(nèi)通風(fēng)管道長度，m，取最大值L=3 481m；α為通風(fēng)管道摩擦阻力系數(shù)，取0.000 23；Vh為風(fēng)速，m3/s，取 2.32m/s；d 為風(fēng)管直徑，m，通常取 d=0.8m；g 為重力加速度，g=9.81m/s2。

由此可得：

總摩擦阻力：

3.4 風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式：

式中，Q 為風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量，取291m3/min；H 為風(fēng)機(jī)工作時(shí)所需的風(fēng)壓，取397.6Pa；η為風(fēng)機(jī)的工作效率，取0.9；K 為風(fēng)機(jī)功率的儲(chǔ)備系數(shù)，取1.05。

則風(fēng)機(jī)功率為：

根據(jù)以上計(jì)算，配置1 臺(tái)T2-140-4×75-4 型軸流通風(fēng)機(jī)，可以滿足要求。

4 制冷措施

由于依靠軸流風(fēng)機(jī)直接將洞外自然冷風(fēng)輸送至隧道的通風(fēng)方式對(duì)隧道內(nèi)高溫環(huán)境的控制效果有限，難以有效地對(duì)隧道內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行降溫。因此，本工程針對(duì)小直徑盾構(gòu)隧道在原有壓入式通風(fēng)方式基礎(chǔ)上引入通風(fēng)制冷系統(tǒng)，綜合考慮原設(shè)備實(shí)際配置及后配套拖車布置情況，具體工作原理如下：該通風(fēng)制冷系統(tǒng)主要由空冷器、制冷機(jī)、冷卻水箱以及循環(huán)水管路等結(jié)構(gòu)組成，由制冷機(jī)、冷卻水箱以及循環(huán)水管路等形成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)產(chǎn)生的冷卻水通過空冷器對(duì)由隧道外通風(fēng)風(fēng)機(jī)輸送的外界空氣進(jìn)行冷卻，然后送入盾構(gòu)機(jī)工作區(qū)域，從而對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行降溫。

5 通風(fēng)及降溫效果

在安裝T2-140-4×75-4 型軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行隧道壓入式通風(fēng)以及引入通風(fēng)制冷系統(tǒng)后，使用AR866 型熱線式風(fēng)速風(fēng)量計(jì)測(cè)定隧道內(nèi)空氣流速、溫度等參數(shù)，對(duì)比隧道安裝前后的溫度以及風(fēng)速數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，通風(fēng)系統(tǒng)基本可以保證隧洞施工風(fēng)速在0.15m/s 以上，符合施工標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在安裝制冷系統(tǒng)后，隧道內(nèi)溫度基本控制在25℃以下，大大降低了隧道內(nèi)的環(huán)境溫度，創(chuàng)造了良好的隧道施工環(huán)境。

表1 隧道內(nèi)風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)表

6 結(jié)語

本文分析了小直徑隧道盾構(gòu)施工通風(fēng)的難點(diǎn)，根據(jù)國家的通風(fēng)制冷標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算通風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇合適的通風(fēng)方案，進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型工作，同時(shí)加入通風(fēng)制冷系統(tǒng)大大降低了隧道的環(huán)境溫度，經(jīng)過工程的實(shí)際測(cè)試，證明該方案具有較好的通風(fēng)效果以及降溫效果。