TBM施工引水隧洞降温技术浅析胡帅

TBM施工引水隧洞降温技术浅析胡帅

胡帅

中车建设工程有限公司北京100078

摘要：结合实践来看，引水隧洞开展TBM施工时岩温和机械发热所产生的大量热量会导致温度环境恶化，TBM掘进面附近的温度控制是影响连续长距离掘进的重要因素之一。对此，本文在充分基于相关文献研究以及多年工作实践情况下就TBM施工引水隧洞降温技术进行探讨。

关键词：引水隧洞；TBM；温度；降温措施

1引言

随着地下工程施工技术的迅速发展，交通隧道和引水隧洞工程及其他地下工程向着长距离、埋深大的方向发展。由于斜井、竖井在长大隧洞中设置较困难，因此，在长距离、埋深大硬岩隧洞中TBM的应用越来越广泛。施工中，出口段多采用钻爆法，在埋深大、设置斜井和竖井困难的位置，采用TBM掘进。

地温一般随着隧洞工程埋深的增加逐渐增高，且在TBM施工过程中会产生大量的热量，随着隧洞掘进距离的增加，隧洞内送至掘进面的风量减少，导致掘进面附近温度较高，往往超过规范规定的限值。高温会危害施工人员的生命，降低施工效率和机械设备的使用寿命，甚至会对隧洞结构造成一定的影响。因此，控制TBM掘进段的温度，对延长连续掘进的长度、减少斜井的数量、降低工程投资、加快施工进度和保证施工人员的身体健康及工作效率具有重要的意义。

2隧洞内空气温度地确定

隧洞作为一个横断面尺寸远小于纵向尺寸的管状结构物，其内的温度一般在横断面上变化较小，但在纵向上会随着隧洞侧壁的温度以及洞内施工设备布置的不同而变化。隧洞内的空气温度t是与隧洞壁温tr、通风风温t0、通风质量流量M、隧洞内TBM的发热功率QTBM、隧洞周长U和通风长度L、风管侧壁传热系数Kf和隧洞侧壁的换热系数Kτ等参数有关的函数，隧洞内温度计算函数如式(1)所示。

t=f(tr，t0，QTBM，M，U，L，Kf，Kτ)

式中：t为隧洞内目标点温度，℃；tr为隧洞侧壁温度，℃；t0为隧洞通风风温，℃；QTBM为TBM发热功率，kW；M为隧洞通风质量流量，kg/s；U为隧洞周长，m；L为隧洞通风长度，m；Kf为风管侧壁传热系数，kW/(m2•℃)；Kτ为隧洞侧壁不均匀换热系数，kW/(m2•℃)。

3TBM施工引水隧洞降温技术措施

3.1隧洞内的降温措施

隧洞内降温的方法较多，总体上分为非人工制冷措施和人工制冷措施。非人工制冷措施包括：加大通风量，洒水、喷淋，合理利用低温水、冷空气、冰雪等天然冷源。人工制冷措施是指采用人工制冷设备提供冷源，包括压缩空气制冷、集中式制冷水降温系统、集中式制冰降温系统、局部移动式降温系统等方法。

3.2TBM施工隧洞降温措施的选取

3.2.1隧洞内热量组成

对隧洞进行降温，必须对湿空气的特性进行讨论，其中最关键的是空气的焓。焓是流体内能和流动功之和，是流体的状态参数。在通风空调工程中，空气的内能、压力和比容构成空气的焓值空气中热量表现为2种形式：一是空气温度直接上升，即显热；二是水吸热变为水蒸气，使得空气中的湿度增加，但空气的温度并未上升，此部分热量称为潜热(空气中水蒸气的温度上升所吸收的热量很小，可忽略不计)。空气饱和状态下的含湿量随着温度的上升而增大。空气中的含湿量与该温度下饱和空气的含湿量的比值，即为我们常用的相对湿度。对于相对湿度较高的空气，降温过程也是一个降湿的过程。在隧洞通风和空调中，空气的降温、降湿均在常压下进行，视为定压。所以，隧洞内的空气焓值等于干空气的焓值与水蒸气焓值之和，即显热和潜热之和。在空调工程中，空气焓值多通过焓湿图查表取得。

3.2.2TBM施工隧洞降温措施确定分析

对于隧洞内降温，需结合工程实际情况，采取科学、合理的降温措施。对于常用的非人工制冷措施，主要包括加大通风量、喷淋、天然冷源等措施。1)目前常采用加大通风量的降温方法。若仅采用加大通风量的方式进行降温，由于空气的比热容较小，且风机的最大供风量受风机功率和风筒直径的限制，采用通风进行传输的热量较少，而且TBM掘进面附近设备多、功率大、机械发热量高。因此，难以降低TBM掘进面附近的温度。2)TBM掘进段，多位于深埋段，且斜井多，通风设备多置于主洞内。为了降温除尘，TBM刀盘洒水掘进，隧洞内湿度均在90%以上，接近饱和。因此，采取洒水、喷淋等措施无法通过水蒸发吸热降温，需要通过增大空气中的潜热来吸收空气中的湿热。3)天然冷源制冷是因地制宜地利用天然冷源(如季节性低温和冰山雪水等降温，其使用具有较大的局限性，且难以控制冷源温度和冷量。因此，在TBM隧洞中，只有采取人工制冷措施，来降低隧洞内的温度。

在TBM隧洞施工过程中，风流作为能量和物质的载体，在隧洞降温过程中，多采用在风管末端设置空冷器的方式降低风管出口风温。热量从出口处空气传递至空冷器内，经过冷媒将热量传递至冷源处。

对于人工冷源制冷，有人工制冰降温技术、空气压缩式制冷技术、人工制冷水降温技术和局部移动式降温系统等方法。1)人工制冰降温多以冰水混合物作为制冷剂和冷源进行降温。若设立专门制冰站进行制冷，成本较高，仅在南非金矿以及孙村煤矿中采用过，为降低成本可从市场购买冰块。在实际工程应用中，对冰制冷存在一定误区。例如，在风管口放置冰块或单纯在施工处堆砌冰块的实际制冷效果不佳。冰制冷难以推广的因素主要包括：①需持续保证合适冰块(如体积为32mm×45mm的柱状冰、体积为3mm×20mm×20mm的片状冰)的供应；②利用风力或水力加压输冰，其自压缩损失较大；③在隧洞内长距离输送冰是非常困难的；④快速熔化大量的冰在技术上也是非常困难的。2)压缩空气制冷，是使用压缩空气制造冷空气和热空气的制冷技术，多采用涡流器等设备，该类降温设备功率小，能耗高，可作为局部降温的手段之一，不适于大规模的隧洞降温。3)人工制冷水降温技术已经较为成熟，是地下工程长距离施工降温的主流技术，多采用制冷机组和配套的散热设备将目标处热量排出，其关键设备为制冷机组，与家用空调制冷设备相类似，采用外加装置(压缩机)改变密闭环路内制冷剂的物理状态，从而实现热量的转移。

3.3其他辅助降温措施

除了上述大规模的制冷措施外，亦可采取全新风风管送风式空调进行局部制冷。对于零星人员作业处，可定制岗位空调。岗位空调可以从主机处分出多个长度几m至20m左右的软管，对局部进行降温。德国将小型人工制冷机组与类似宇航服的防护服结合，以保证工人处于舒适的施工环境。

4结论与建议

通过对TBM施工隧洞内的温度分布规律及降温措施进行分析研究，可以得出以下结论和建议：

1）通过理论推导可知，隧洞内的空气温度与隧洞壁温、通风风温、通风风量、隧洞内TBM的发热功率、隧洞周长、通风长度、风管侧壁传热系数、隧洞侧壁的换热系数等参数有关。

2）针对引水隧洞工程，根据降温前的空气焓值与降温后的空气焓值之差，并结合通风量确定的制冷功率，最终确定采用人工制冷水的措施进行降温。

3）采用岗位空调等局部制冷措施进行局部制冷，采用TBM配套的降温空调以及发热量较大的变压器等设备，设置一定的液体热对流环境进行散热，以提高散热效率和制冷成本，也是TBM在机械设备设计时需要考虑的问题。

4）隧洞内风流温度的影响因素很多，因此，隧洞内的温度预测情况需要进一步的深入研究。

参考文献

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[2]贺广学.小断面特长隧洞TBM施工独头通风技术浅析[J].价值工程,2017,36(29):104-106.

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