小直径盾构施工通风及降温措施探究

张敏

（中铁十四局集团隧道工程公司，济南 250013）

1 引言

随着我国各大城市地下工程建设以及管道建设的迅猛发展，由于盾构法施工的安全性以及高效性，盾构隧道被越来越广泛地用于城市轨道交通项目和市政公共管道等各种地下基础设施项目的建设中【1】，其中不乏4m 以下断面的小盾构施工工程，在小直径盾构施工中因空间狭小，导致隧道内部的通风管道布置有较大局限性，通风管道直径也受到限制，因此在长距离、小断面隧道内的通风、降温是施工中的一大重难题，不易解决【2】。为了保证施工人员和设备的安全，合理的隧道通风降温设计对隧道施工具有重要的施工借鉴意义【3】。本文以国内某5m 级盾构施工隧道为例，进行盾构施工通风及降温措施探究。

2 盾构施工环境分析

隧道通风一般采用机械式通风，包括压入通风、抽气通风和混合通风3 种最为常见的通风方式。多数盾构施工均采用压入式和混合式通风方式，但因小直径盾构的施工空间限制，本工程选用机械压入式的通风方式，通风系统包括主风机、二次风机、通风管路和风管储存器等。通风过程依次为：（1）主风机安装在地面沉井口，通过盾构通风管道的储存空间进行延伸；（2）新鲜空气被压入至盾构机后配套设备的末端；（3）运用后配套上的二次通风系统将新鲜空气输送至盾构机前端及各作业空间内。现需通过通风风量、风压以及风机功率计算，进行主风机选型。

3 风机选型

3.1 设计风量计算

隧道施工过程中所需要的风量是根据隧道同时施工工作时最多人数所需要的最大风量、最小风量和通风量来计算内燃机所需的风量，并以最大风量作为设计风量。

3.1.1 按隧洞内同一时间工作的最多人数的需风量计算

式中，Q1为在隧道内同时作业最多人数所需的计算风量，m3/min；q 为隧道内每人所需的新鲜空气的量，m3/min，一般按3m3/min计；m 为隧道洞内同时工作的最多人数，一般按20 人计；k 为风量的备用系数，取1.2。

可得：

3.1.2 按洞内最小风速计算风量

式中，Q2为开挖面所需要的风量，m3/min；S 为开挖断面积，m2，按管片内径断面计算，S=15.45m2；V 为最低风速，取V=0.15m/s。

可得：

3.1.3 按稀释洞内使用内燃机械废弃计算

式中，Q3为稀释洞内使用内燃机械废弃所需要的风量，m3/min；K1为内燃发动机工作时的功率使用有效系数，取0.6；K2为内燃发动机功率的工作系数，取0.8；∑P 为在隧洞内同时作业的各种柴油机功率的总和，kW。

因隧道洞内无其他内燃机作业，故Q3=0m3/min。

取上述3 种计算中的通风量最大值为设计风量，则Qh=139.05m3/min。

3.2 风机供风量计算

考虑通风管道中的风量损失，百米平均漏风率β取1.5%，隧道总长度L=3 481m。管道漏风系数：

故通风机的供风量为：

3.3 风压计算

通风机的静压在数值上等于沿着管道的摩擦损耗和局部阻力损耗。通常情况下，摩擦阻力是主要的，在管道通风时，局部阻力通常可以增加10%。本隧道采用管道压入式通风，管道摩擦阻力按下式计算：

式中，H 为通风管道摩擦阻力，Pa；L 为隧洞内通风管道长度，m，取最大值L=3 481m；α为通风管道摩擦阻力系数，取0.000 23；Vh为风速，m3/s，取 2.32m/s；d 为风管直径，m，通常取 d=0.8m；g 为重力加速度，g=9.81m/s2。

由此可得：

总摩擦阻力：

3.4 风机功率计算

风机功率计算公式：

式中，Q 为风机所提供的风量，取291m3/min；H 为风机工作时所需的风压，取397.6Pa；η为风机的工作效率，取0.9；K 为风机功率的储备系数，取1.05。

则风机功率为：

根据以上计算，配置1 台T2-140-4×75-4 型轴流通风机，可以满足要求。

4 制冷措施

由于依靠轴流风机直接将洞外自然冷风输送至隧道的通风方式对隧道内高温环境的控制效果有限，难以有效地对隧道内热环境进行降温。因此，本工程针对小直径盾构隧道在原有压入式通风方式基础上引入通风制冷系统，综合考虑原设备实际配置及后配套拖车布置情况，具体工作原理如下：该通风制冷系统主要由空冷器、制冷机、冷却水箱以及循环水管路等结构组成，由制冷机、冷却水箱以及循环水管路等形成冷却水循环系统，利用该系统产生的冷却水通过空冷器对由隧道外通风风机输送的外界空气进行冷却，然后送入盾构机工作区域，从而对隧道内进行降温。

5 通风及降温效果

在安装T2-140-4×75-4 型轴流通风机进行隧道压入式通风以及引入通风制冷系统后，使用AR866 型热线式风速风量计测定隧道内空气流速、温度等参数，对比隧道安装前后的温度以及风速数据，检测结果如表1 所示。由表1 可知，通风系统基本可以保证隧洞施工风速在0.15m/s 以上，符合施工标准，同时在安装制冷系统后，隧道内温度基本控制在25℃以下，大大降低了隧道内的环境温度，创造了良好的隧道施工环境。

表1 隧道内风速和温度数据表

6 结语

本文分析了小直径隧道盾构施工通风的难点，根据国家的通风制冷标准计算通风的相关数据，选择合适的通风方案，进行风机选型工作，同时加入通风制冷系统大大降低了隧道的环境温度，经过工程的实际测试，证明该方案具有较好的通风效果以及降温效果。