地铁隧道盾构施工通风系统优化及应用

冯赟杰 李明扬 何博 张中华

摘   要： 地铁隧道盾构施工环境处于地下，工作面高湿高热，给施工人员健康和设备安全带来严重危害。针对原有通风系统仅能改善局部环境，无法从根本上实现散热的问题，提出通风系统优化方案：在压入式通风方式的基础上，加装二次风机、水冷主机、冷水循环泵等装置，提高热交换效率;综合考虑盾构机各机电设备热功率和施工人员发热量，对工作区域冷负荷进行计算，并据此设计冷冻水箱参数指标;根据盾构机的布局和空间结构，实现通风系统的总体布置。经实际应用，当通风系统主机功率为35 kW时，制冷量可达158 kW，盾构施工环境降温可达10～15℃，能够满足《铁路隧道工程施工安全技术规程（TB 10304-2020）》中施工環境温度不超过28℃的要求。

关键词： 盾构施工;盾构机;地铁隧道;通风系统;TB 10304-2020;散热系统

引言

为改善城市交通状况，地铁建设正在如火如荼地进行。隧道盾构施工是地铁建设的主要方式，在这种施工方式下，由于施工地点处于地下，面积狭小，机器密集，因此施工环境酷热难耐。如果隧道内外温差太大，就容易使施工人员患上风湿等疾病，对施工人员的健康和安全造成不利影响。

针对地下空间施工环境恶劣的问题，国内外相关学者进行了深入研究，提出了各种通风方式，例如有学者提出了压入式、抽出式和混合式等方式。但实践证明，仅仅从通风方式上进行处理是无法改善独头隧道工作环境的，即使加入常规的空调系统，也无法解决冷凝器散热问题，其根本原因是采用这些方式虽然可以使局部环境有所改善，但其他位置温度反而升高，没有从根本上解决隧道中的高湿高热问题[1]。

当前盾构施工在地铁建设中应用广泛，地铁隧道内的施工环境、设施散热、预防风险等问题亟待解决。本文首先根据盾构施工环境，提出优化目标;然后在压入式通风方式的基础上，提出优化的设计方案，计算得到工作区域冷负荷，据此设计冷冻水箱参数指标;最后提出新的通风系统布置方案，并评估其在项目中的应用效果。

1  盾构施工环境及优化目标

根据文献[2]，在我国南方大部分城市，地铁隧道盾构施工经常会使工作面附近作业区域的温度达到40℃以上。在广州的一些小断面盾构施工作业区域，夏天的环境温度甚至高达50℃左右，而环境相对湿度可高达90%以上。通过通风管道压入工作区域的新鲜空气时常在35℃以上，已经远远无法达到有效降低环境温度的目的了[3]。

根据《铁路隧道工程施工安全技术规程（TB 10304-2020）》[4]，盾构施工时，隧道内氧气含量按体积比不应小于20%，气温不应超过28℃，噪声不应大于90 dB。显然，目前的情况远远无法达到上述规程的要求，这对施工人员健康和盾构设备性能都有不可忽视的影响。盾构设备产生热量不可避免，而通过通风、冷却水和渣土等带走的热量又有限，因此若要降低施工区域的温度、湿度等，就必须考虑新的途径和方法。

出于成本控制以及在以往项目中实际使用效果的综合考虑，采用压入式通风方式最为恰当。压入式通风方式是指将风机安装在隧道外，风机通过通风管把隧道外的新鲜空气直接压入工作面，并使隧道内被污染的空气沿隧道流出的一种通风方式。考虑到风管的接长需要实时判断，不是连续过程，为使工作面随时有新鲜空气压入，在盾构机上安装了二次通风系统，供风量为10.5 m3/s。为保证盾构机正常运转，无论主机是否启停，供水系统都要自始至终运转。要求盾构施工供水量不少于50 m3/h，水压4～8 bar，额定进水温度28℃。

2  通风方案设计与参数指标计算

2.1  机理分析

如第1章所述，为改善作业区域的高湿高热环境，使盾构施工作业环境达到要求，需要在盾构机的二次通风系统中加入空调。空调的运作机理主要是逆卡诺循环，其中包括蒸发过程和冷凝过程：蒸发过程是空调降温制冷的过程;冷凝过程是通过外部冷源来降低制冷系统中冷媒温度，从而提升制冷系统效率的过程。在盾构施工相对密闭的空间中，空调产生的热量会直接排放到作业区域，称不上真正改善作业区域的温湿度，且高湿高热空气会流经整个隧道，使得隧道中部的作业环境进一步恶化。结合盾构机的既有条件，为了使空调系统与盾构机有机结合，必须将通风系统和供水系统相结合，将蒸发器接入到盾构机的二次通风系统中，首先让通入的空气通过热交换降低温度，然后再令其进入施工区域。空调系统的冷凝器与供水系统相连的另一个作用是将冷凝器与空调系统产生的热量带出隧道。

2.2  方案设计与优化

结合水路、电路、通风管路的具体条件，盾构机各个位置都处于工作主要区域，整个环境温度均应是空调的影响范围，因此借鉴中央空调的模式，采用工业水冷主机并设置冷水箱，首先通过冷凝翅片进行热交换，将水温降至5℃;然后用冷水循环泵将水送至二次风机出风口位置的蒸发器中，进行低温水与高温空气之间的热交换;最后将降温后的空气通过送风管送至出风口，以达到降温目的。若要对冷凝器进行降温，则需将水冷主机的冷凝器接入盾构机水系统的回水管中进行热交换。根据文献[5]，在盾构机工业水循环系统设计中，与冷凝器进行热交换的水的温度大致在35℃左右，而根据相关规定，冷凝器进出水温为32℃（进水）、37℃（出水）时最合适，显然进水温度略高于规定值。为解决这一问题，装设回水增压泵，以提高冷凝器的热交换效率[6]。通风方案设计原理如图1所示。

2.3  工作区域冷负荷计算

图2所示为盾构机布置简图。从图2中可以看出，在盾构区域范围内都存在发热源。为使工作区域基本达到舒适条件，避免温度和湿度过高，需要计算冷负荷，并以此进行空调选型及管路布置。盾构区域发热源主要来源于四大模块：电气、液压、传动、润滑，具体体现为机电设备正常运行作业时产生的热量、盾构刀盘在掘进工程中与掌子面摩擦和泥浆泵搅动而产生的热量、施工人员在进行正常作业时产生的热量、隧道外空气延隧道进入施工作业区域而带来的热量等。以上大部分热量都可以由冷却水系统和盾构渣土带走，只是渣土在输送过程中会有部分散失在隧道中。在进行空调系统布置方案设计时，主要考虑的是工作平台、设备桥、拖车上面的机电设备产生的热量。以目前在城市地铁施工中的主流盾构——6.3 m直径土压平衡盾构为样本，对所需的冷负荷进行计算。表1所示为盾构机各机电设备热功率情况。

其中：

—隧道内施工人员发热功率，kW;

—隧道内施工人数，取20;

—每个施工人员发热功率，在重体力劳动时取0.1 kW。

将相关数据代入式（1），得=2 kW。

化零为整，制冷量需不少于106 kW，才能使隧道工作面温度与送风温度持平，考虑《铁路隧道工程施工安全技术规程（TB 10304-2020）》[4]中气温不应超过28℃的规定，以及渣土在输送过程中表面散失的热量和极端空气条件下的降温能力，选用空调机的制冷能力应大于计算制冷功率并采用变频调节功率。

2.4  冷冻水箱參数指标计算

在工业水冷系统中，冷冻水箱的作用主要是装载冷却水，其目的是排气散热、保持恒温、快速补水等。冷却水箱内的蓄冷量必须要满足冷水机在卸载状态下启动，到待机状态，再到加载到满载这段时间内，供冷水机组（即整个空调管路）的循环水量。冷冻水的水温不能超过允许的最高温度。

其中：

—冷却水箱容积，m3;

—冷水机制冷量，kW;

—冷水机防止频繁启动时间间隔，min;

—冷水机从启动到满载的加载时间，min;

—安全系数，取1.1;

—冷冻水要求的最低温度，℃;

—冷却水要求的最高温度，℃;

—水的比热容，取4.2×103 J/（kg·℃）。

根据章节2.3对冷负荷的计算，确定冷水机的型号，其制冷量为114 kW。压缩机要求1 h内最大启停次数为12次，则循环时间为300 s，最小运行时间为120 s，进而时间间隔=3 min，冷水机加载时间=2 min。冷冻水最低温度为7℃，最高温度为9℃，冷冻水温度精度为2℃。

将相关数据带入式（2）中求得冷冻水箱要求的容积≈4.5 m3。

考虑到盾构机空间条件，初步确定冷却水箱外形尺寸为2 000 mm×1 000 mm×2 250 mm。

3  通风系统布置

根据盾构机的布局和空间结构，在距盾构机二次通风系统主机较近且具备安装条件的4号台车加装工业水冷主机及冷水箱，通风系统在盾构上的布置如图3所示。

利用水冷空调主机对冷水箱中的冷水进行降温，通过水泵将冷却后的冷水泵送至在二次通风管道内设计加装的蒸发器，使风机输送的新鲜空气经蒸发器完成热交换，并将降温后的冷空气送至掌子面附近工作区域，同时连接盾构机外循环水系统将水冷空调主机工作产生的热量带出隧道[7]。

为保证蒸发器表面效率和空气洁净度，在二次风机进风口加入可以反复使用的尼龙材质0.2 mm网格风管过滤器。制冷机组根据盾构空间位置量身定制，安装方便，采用环保冷媒，压缩机具有高压缩比，能够实现变频控制，可根据季节或特殊要求对通风温度进行自动调节，确保出风口温度恒定。为水冷空调冷却水提供足够的背压，保证盾构机土仓等对水流水压的需求。在隧道外的回水管路上安装回水增压泵。

4  应用效果评估

经实际应用，通风系统主机功率为35 kW，可以达到的制冷量高达158 kW，主机电源与盾构机其他装置供电制式一致，冷凝器额定水量34 m?/h（制冷），蒸发器额定水量27.2 m3/h（制冷），从1号拖车至盾构尾部，环境降温达到10～15℃。

该研究成果得到了相关厂家和地铁隧道盾构施工项目的支持，在安徽省合肥市轨道交通4号线采用的中铁装备φ6 280 mm开挖直径复合式土压平衡盾构机上得到了成功应用。该地的地质条件为粉质粘土及细粉沙。盾构机掘进参数：刀盘转速0～3.7 r/min，最大设计压力5 bar，最大推力35 000 kN，循环冷却水流量40 m?/h，二次供风系统直径φ600 mm。在近半年的使用中，隧道内密闭空间能够满足预期要求，改善了工作面的高湿高热状况，通过自动控制，已经适应了冬、春两季的考验。根据空调厂家产品的适应范围，能够将温度降低10℃左右，即使按压入式通风进入空气温度最高35℃计算，也能够将盾构工作面环境温度控制在规定的温度范围，整机运行良好。通风系统对解决当前地铁隧道盾构施工工作面环境具有非常明显的作用，施工人员在施工过程中不再感到高湿高热，无需脱掉工作服或卸载安全装置，有效保障了施工安全，提升了施工体验。

5  结论与展望

（1）本文为地铁隧道盾构施工环境优化了通风系统，该成果经项目实际测试，能够良好实现盾构作业区降温，改善施工环境，是值得借鉴的模式和方法;

（2）目前在盾构机选型方面仅仅对一种型号的盾构机进行了配置、测试以及温度采样，后续设计还需要适应更多种类型的盾构机，使通风系统受到更为广泛的应用;

（3）目前空调主机需安装在后配套拖车尾部，但因各施工项目拖车加装设备不完全一致，后续还需对主机尺寸进行优化，使其具备更好的适应性。

参考文献

[1] 索晓蒙. 高黎贡山隧道人工制冷降温系统仿真及运行参数优化研究[D]. 焦作： 河南理工大学， 2018.

[2] 章立新， 杨茉， 余敏， 等. 盾构作业区域湿热环境的研究[J]. 工程热物理学报， 2003， 24（2）： 313-315.

[3] 姚晶， 赵云辉， 赵石. 盾构通风制冷系统分析研究[J]. 建筑机械化， 2020， 41（5）： 24-27， 31.

[4] 铁路隧道工程施工安全技术规程： TB 10304-2020[S].

[5] 牟映洁， 胡广权， 柳艳清. 盾构机工业水循环系统设计[J]. 隧道建设， 2012（6）： 907-910.

[6] 甘顺水. 一种提高水冷空调系统运行性能的改进方案[J]. 信息化建设， 2016（3）： 390.

[7] 龚廷民， 姜鹏鹏. 城市地铁盾构机通风冷却系统的探讨与应用[J]. 科学时代， 2015（11）： 58-59.