地鐵隧道盾構施工通風系統優化及應用

馮赟杰 李明揚 何博 張中華

摘? ?要： 地鐵隧道盾構施工環境處于地下，工作面高濕高熱，給施工人員健康和設備安全帶來嚴重危害。針對原有通風系統僅能改善局部環境，無法從根本上實現散熱的問題，提出通風系統優化方案：在壓入式通風方式的基礎上，加裝二次風機、水冷主機、冷水循環泵等裝置，提高熱交換效率;綜合考慮盾構機各機電設備熱功率和施工人員發熱量，對工作區域冷負荷進行計算，并據此設計冷凍水箱參數指標;根據盾構機的布局和空間結構，實現通風系統的總體布置。經實際應用，當通風系統主機功率為35 kW時，制冷量可達158 kW，盾構施工環境降溫可達10～15℃，能夠滿足《鐵路隧道工程施工安全技術規程（TB 10304-2020）》中施工環境溫度不超過28℃的要求。

關鍵詞： 盾構施工;盾構機;地鐵隧道;通風系統;TB 10304-2020;散熱系統

引言

為改善城市交通狀況，地鐵建設正在如火如荼地進行。隧道盾構施工是地鐵建設的主要方式，在這種施工方式下，由于施工地點處于地下，面積狹小，機器密集，因此施工環境酷熱難耐。如果隧道內外溫差太大，就容易使施工人員患上風濕等疾病，對施工人員的健康和安全造成不利影響。

針對地下空間施工環境惡劣的問題，國內外相關學者進行了深入研究，提出了各種通風方式，例如有學者提出了壓入式、抽出式和混合式等方式。但實踐證明，僅僅從通風方式上進行處理是無法改善獨頭隧道工作環境的，即使加入常規的空調系統，也無法解決冷凝器散熱問題，其根本原因是采用這些方式雖然可以使局部環境有所改善，但其他位置溫度反而升高，沒有從根本上解決隧道中的高濕高熱問題[1]。

當前盾構施工在地鐵建設中應用廣泛，地鐵隧道內的施工環境、設施散熱、預防風險等問題亟待解決。本文首先根據盾構施工環境，提出優化目標;然后在壓入式通風方式的基礎上，提出優化的設計方案，計算得到工作區域冷負荷，據此設計冷凍水箱參數指標;最后提出新的通風系統布置方案，并評估其在項目中的應用效果。

1? 盾構施工環境及優化目標

根據文獻[2]，在我國南方大部分城市，地鐵隧道盾構施工經常會使工作面附近作業區域的溫度達到40℃以上。在廣州的一些小斷面盾構施工作業區域，夏天的環境溫度甚至高達50℃左右，而環境相對濕度可高達90%以上。通過通風管道壓入工作區域的新鮮空氣時常在35℃以上，已經遠遠無法達到有效降低環境溫度的目的了[3]。

根據《鐵路隧道工程施工安全技術規程（TB 10304-2020）》[4]，盾構施工時，隧道內氧氣含量按體積比不應小于20%，氣溫不應超過28℃，噪聲不應大于90 dB。顯然，目前的情況遠遠無法達到上述規程的要求，這對施工人員健康和盾構設備性能都有不可忽視的影響。盾構設備產生熱量不可避免，而通過通風、冷卻水和渣土等帶走的熱量又有限，因此若要降低施工區域的溫度、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目中實際使用效果的綜合考慮，采用壓入式通風方式最為恰當。壓入式通風方式是指將風機安裝在隧道外，風機通過通風管把隧道外的新鮮空氣直接壓入工作面，并使隧道內被污染的空氣沿隧道流出的一種通風方式。考慮到風管的接長需要實時判斷，不是連續過程，為使工作面隨時有新鮮空氣壓入，在盾構機上安裝了二次通風系統，供風量為10.5 m3/s。為保證盾構機正常運轉，無論主機是否啟停，供水系統都要自始至終運轉。要求盾構施工供水量不少于50 m3/h，水壓4～8 bar，額定進水溫度28℃。

2? 通風方案設計與參數指標計算

2.1? 機理分析

如第1章所述，為改善作業區域的高濕高熱環境，使盾構施工作業環境達到要求，需要在盾構機的二次通風系統中加入空調。空調的運作機理主要是逆卡諾循環，其中包括蒸發過程和冷凝過程：蒸發過程是空調降溫制冷的過程;冷凝過程是通過外部冷源來降低制冷系統中冷媒溫度，從而提升制冷系統效率的過程。在盾構施工相對密閉的空間中，空調產生的熱量會直接排放到作業區域，稱不上真正改善作業區域的溫濕度，且高濕高熱空氣會流經整個隧道，使得隧道中部的作業環境進一步惡化。結合盾構機的既有條件，為了使空調系統與盾構機有機結合，必須將通風系統和供水系統相結合，將蒸發器接入到盾構機的二次通風系統中，首先讓通入的空氣通過熱交換降低溫度，然后再令其進入施工區域。空調系統的冷凝器與供水系統相連的另一個作用是將冷凝器與空調系統產生的熱量帶出隧道。

2.2? 方案設計與優化

結合水路、電路、通風管路的具體條件，盾構機各個位置都處于工作主要區域，整個環境溫度均應是空調的影響范圍，因此借鑒中央空調的模式，采用工業水冷主機并設置冷水箱，首先通過冷凝翅片進行熱交換，將水溫降至5℃;然后用冷水循環泵將水送至二次風機出風口位置的蒸發器中，進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送風管送至出風口，以達到降溫目的。若要對冷凝器進行降溫，則需將水冷主機的冷凝器接入盾構機水系統的回水管中進行熱交換。根據文獻[5]，在盾構機工業水循環系統設計中，與冷凝器進行熱交換的水的溫度大致在35℃左右，而根據相關規定，冷凝器進出水溫為32℃（進水）、37℃（出水）時最合適，顯然進水溫度略高于規定值。為解決這一問題，裝設回水增壓泵，以提高冷凝器的熱交換效率[6]。通風方案設計原理如圖1所示。

2.3? 工作區域冷負荷計算

圖2所示為盾構機布置簡圖。從圖2中可以看出，在盾構區域范圍內都存在發熱源。為使工作區域基本達到舒適條件，避免溫度和濕度過高，需要計算冷負荷，并以此進行空調選型及管路布置。盾構區域發熱源主要來源于四大模塊：電氣、液壓、傳動、潤滑，具體體現為機電設備正常運行作業時產生的熱量、盾構刀盤在掘進工程中與掌子面摩擦和泥漿泵攪動而產生的熱量、施工人員在進行正常作業時產生的熱量、隧道外空氣延隧道進入施工作業區域而帶來的熱量等。以上大部分熱量都可以由冷卻水系統和盾構渣土帶走，只是渣土在輸送過程中會有部分散失在隧道中。在進行空調系統布置方案設計時，主要考慮的是工作平臺、設備橋、拖車上面的機電設備產生的熱量。以目前在城市地鐵施工中的主流盾構——6.3 m直徑土壓平衡盾構為樣本，對所需的冷負荷進行計算。表1所示為盾構機各機電設備熱功率情況。

其中：

—隧道內施工人員發熱功率，kW;

—隧道內施工人數，取20;

—每個施工人員發熱功率，在重體力勞動時取0.1 kW。

將相關數據代入式（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溫度持平，考慮《鐵路隧道工程施工安全技術規程（TB 10304-2020）》[4]中氣溫不應超過28℃的規定，以及渣土在輸送過程中表面散失的熱量和極端空氣條件下的降溫能力，選用空調機的制冷能力應大于計算制冷功率并采用變頻調節功率。

2.4? 冷凍水箱參數指標計算

在工業水冷系統中，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、快速補水等。冷卻水箱內的蓄冷量必須要滿足冷水機在卸載狀態下啟動，到待機狀態，再到加載到滿載這段時間內，供冷水機組（即整個空調管路）的循環水量。冷凍水的水溫不能超過允許的最高溫度。

其中：

—冷卻水箱容積，m3;

—冷水機制冷量，kW;

—冷水機防止頻繁啟動時間間隔，min;

—冷水機從啟動到滿載的加載時間，min;

—安全系數，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·℃）。

根據章節2.3對冷負荷的計算，確定冷水機的型號，其制冷量為114 kW。壓縮機要求1 h內最大啟停次數為12次，則循環時間為300 s，最小運行時間為120 s，進而時間間隔=3 min，冷水機加載時間=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℃。

將相關數據帶入式（2）中求得冷凍水箱要求的容積≈4.5 m3。

考慮到盾構機空間條件，初步確定冷卻水箱外形尺寸為2 000 mm×1 000 mm×2 250 mm。

3? 通風系統布置

根據盾構機的布局和空間結構，在距盾構機二次通風系統主機較近且具備安裝條件的4號臺車加裝工業水冷主機及冷水箱，通風系統在盾構上的布置如圖3所示。

利用水冷空調主機對冷水箱中的冷水進行降溫，通過水泵將冷卻后的冷水泵送至在二次通風管道內設計加裝的蒸發器，使風機輸送的新鮮空氣經蒸發器完成熱交換，并將降溫后的冷空氣送至掌子面附近工作區域，同時連接盾構機外循環水系統將水冷空調主機工作產生的熱量帶出隧道[7]。

為保證蒸發器表面效率和空氣潔凈度，在二次風機進風口加入可以反復使用的尼龍材質0.2 mm網格風管過濾器。制冷機組根據盾構空間位置量身定制，安裝方便，采用環保冷媒，壓縮機具有高壓縮比，能夠實現變頻控制，可根據季節或特殊要求對通風溫度進行自動調節，確保出風口溫度恒定。為水冷空調冷卻水提供足夠的背壓，保證盾構機土倉等對水流水壓的需求。在隧道外的回水管路上安裝回水增壓泵。

4? 應用效果評估

經實際應用，通風系統主機功率為35 kW，可以達到的制冷量高達158 kW，主機電源與盾構機其他裝置供電制式一致，冷凝器額定水量34 m?/h（制冷），蒸發器額定水量27.2 m3/h（制冷），從1號拖車至盾構尾部，環境降溫達到10～15℃。

該研究成果得到了相關廠家和地鐵隧道盾構施工項目的支持，在安徽省合肥市軌道交通4號線采用的中鐵裝備φ6 280 mm開挖直徑復合式土壓平衡盾構機上得到了成功應用。該地的地質條件為粉質粘土及細粉沙。盾構機掘進參數：刀盤轉速0～3.7 r/min，最大設計壓力5 bar，最大推力35 000 kN，循環冷卻水流量40 m?/h，二次供風系統直徑φ600 mm。在近半年的使用中，隧道內密閉空間能夠滿足預期要求，改善了工作面的高濕高熱狀況，通過自動控制，已經適應了冬、春兩季的考驗。根據空調廠家產品的適應范圍，能夠將溫度降低10℃左右，即使按壓入式通風進入空氣溫度最高35℃計算，也能夠將盾構工作面環境溫度控制在規定的溫度范圍，整機運行良好。通風系統對解決當前地鐵隧道盾構施工工作面環境具有非常明顯的作用，施工人員在施工過程中不再感到高濕高熱，無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。

5? 結論與展望

（1）本文為地鐵隧道盾構施工環境優化了通風系統，該成果經項目實際測試，能夠良好實現盾構作業區降溫，改善施工環境，是值得借鑒的模式和方法;

（2）目前在盾構機選型方面僅僅對一種型號的盾構機進行了配置、測試以及溫度采樣，后續設計還需要適應更多種類型的盾構機，使通風系統受到更為廣泛的應用;

（3）目前空調主機需安裝在后配套拖車尾部，但因各施工項目拖車加裝設備不完全一致，后續還需對主機尺寸進行優化，使其具備更好的適應性。

參考文獻

[1] 索曉蒙. 高黎貢山隧道人工制冷降溫系統仿真及運行參數優化研究[D]. 焦作： 河南理工大學， 2018.

[2] 章立新， 楊茉， 余敏， 等. 盾構作業區域濕熱環境的研究[J]. 工程熱物理學報， 2003， 24（2）： 313-315.

[3] 姚晶， 趙云輝， 趙石. 盾構通風制冷系統分析研究[J]. 建筑機械化， 2020， 41（5）： 24-27， 31.

[4] 鐵路隧道工程施工安全技術規程： TB 10304-2020[S].

[5] 牟映潔， 胡廣權， 柳艷清. 盾構機工業水循環系統設計[J]. 隧道建設， 2012（6）： 907-910.

[6] 甘順水. 一種提高水冷空調系統運行性能的改進方案[J]. 信息化建設， 2016（3）： 390.

[7] 龔廷民， 姜鵬鵬. 城市地鐵盾構機通風冷卻系統的探討與應用[J]. 科學時代， 2015（11）： 58-59.