閆沁太， 劉 煒， 李建斌，*， 言海燕， 王旭偉

(1. 中鐵高新工業(yè)股份有限公司， 北京 100070； 2. 中鐵環(huán)境科技工程有限公司， 湖南 長沙 410218)

0 引言

我國隧道工程整體向著“長、大、深”的方向發(fā)展，在長大隧道施工中普遍遇到施工區(qū)域溫度難以降低的問題。資料表明[1]，川藏鐵路工程將建造多座長大隧道，其中,高地溫隧道預(yù)計(jì)有十幾座，地溫在28.7～89.0 ℃。高溫不僅會(huì)造成作業(yè)環(huán)境的惡化，降低勞動(dòng)生產(chǎn)效率，威脅到施工人員的生命安全，同時(shí)也會(huì)影響到施工材料的性能，降低隧道的穩(wěn)定性。高溫問題已成為長大隧道工程中影響人身健康和施工進(jìn)度的一大難題。規(guī)范[2]規(guī)定： 隧道內(nèi)氣溫不得高于28 ℃。礦采行業(yè)也有相關(guān)規(guī)定[3]： 生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，機(jī)電洞室的空氣溫度不得超過30 ℃。

在高地溫地區(qū)進(jìn)行隧道施工時(shí)，通常采用通風(fēng)降溫、設(shè)置隔熱層、灑水、制冰和個(gè)人防護(hù)等降溫措施。嚴(yán)健等[4]結(jié)合川藏鐵路桑珠嶺隧道情況，提出了通風(fēng)為主，結(jié)合噴水、設(shè)置冰墻等綜合措施進(jìn)行降溫。劉金松[5]、范磊[6]分別結(jié)合桑珠嶺隧道和高黎貢山隧道的掘進(jìn)情況，對(duì)隧道降溫技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，主要有通風(fēng)、送冰、對(duì)洞壁進(jìn)行隔熱和對(duì)個(gè)人進(jìn)行保護(hù)等措施。謝瑋等[7]對(duì)噴霧降溫技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為噴霧和通風(fēng)聯(lián)合降溫具有良好效果。結(jié)合文獻(xiàn)資料[8-11]可知，長大隧道的降溫難點(diǎn)主要有： 1)通風(fēng)降溫送風(fēng)管路較長，增加了送風(fēng)阻力和漏風(fēng)量，造成送風(fēng)困難以及施工區(qū)域降溫困難； 2)隔熱降溫措施對(duì)隔熱材料的防火、防毒、防水、隔熱性能要求高； 3)制冰措施制冷量小、效率低，輸冰管道受限制，且增大環(huán)境濕度； 4)個(gè)人防護(hù)措施裝備笨重，會(huì)造成施工人員體力過快流失，并且降溫效果持續(xù)時(shí)間較短，需要頻繁更換。

送風(fēng)降溫和送冰降溫都是將洞外的冷量送入洞內(nèi)。本文設(shè)計(jì)一種采用風(fēng)冷式冷水機(jī)的隧道局部降溫系統(tǒng)，可將施工區(qū)的熱量通過冷水管道送至遠(yuǎn)離施工區(qū)的非施工區(qū)域，避免上述降溫措施在實(shí)施中存在的問題，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)性好，以期為長大隧道提供一種新的輔助降溫手段。

1 隧道施工區(qū)域局部降溫方案設(shè)計(jì)

1.1 隧道施工區(qū)域局部降溫方案簡介

隧道施工區(qū)域局部降溫方案的設(shè)計(jì)思路是將掌子面附近的熱量送到遠(yuǎn)離掌子面的非施工區(qū)域。本方案采用冷水機(jī)、表冷器和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備，如圖1所示。風(fēng)冷式冷水機(jī)具有無需設(shè)置冷卻塔且便于安裝的特點(diǎn)，可安裝在距離掌子面較遠(yuǎn)的位置，防止冷水機(jī)排出的熱風(fēng)回流到掌子面。冷卻水由冷水機(jī)送到掌子面附近的表冷器后與熱空氣進(jìn)行換熱，降低施工區(qū)域的溫度。同時(shí)，冷水機(jī)將熱量送到遠(yuǎn)離掌子面的區(qū)域排放掉，利用隧道內(nèi)回風(fēng)將熱量送走。

圖1 長大隧道局部降溫方案

1.2 局部降溫方案與送冰降溫方案對(duì)比

局部降溫方案相比于送冰降溫方案，主要具有降溫功率大、降溫速度快、降溫范圍廣以及對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。局部降溫系統(tǒng)采取強(qiáng)制對(duì)流換熱，因此換熱效率高，系統(tǒng)的出水溫度可達(dá)5～7 ℃，利用終端板式換熱裝置對(duì)隧道環(huán)境進(jìn)行降溫。而送冰方案，由于送進(jìn)隧道的冰往往是堆放放置，因此換熱面積有限，同時(shí)會(huì)占用相對(duì)較大的面積，可能會(huì)影響現(xiàn)場施工；并且冰直接裸露放置，會(huì)造成隧道濕度的上升；送冰降溫僅僅是自然對(duì)流換熱，降溫效率低，降溫范圍小。以下舉例對(duì)比2種降溫方法的降溫效率。

1.2.1 送冰方案制冷量估算

按照經(jīng)驗(yàn)，在環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，1 t冰液化成水的時(shí)間大概為2 h。假設(shè)冰溫為-8 ℃，最終化為冰水混合物的溫度為0 ℃。冰的比熱容是2.1 kJ/(kg·℃)。則平均每h的制冷量可以按照式(1)計(jì)算。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得出，送冰方案平均每h的制冷量約為8 400 kJ。冰化成水并繼續(xù)升溫的過程中雖然會(huì)吸收一定的熱量，但耗時(shí)較長，吸熱功率比較低。

Q=mcΔT/t。

(1)

式中:Q為平均每h的制冷量，kJ；m為介質(zhì)的總質(zhì)量，kg；c為介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)； ΔT為介質(zhì)的溫度變化，℃；t為介質(zhì)溫度變化時(shí)間，h。

1.2.2 局部降溫方案制冷量估算

局部降溫的水循環(huán)系統(tǒng)一般采用φ65 mm的接管，當(dāng)水的流速為1 m/s時(shí)，可以將20 ℃的水換熱為12 ℃。水的比熱容是4.2 kJ/(kg·℃)。按照式(1)計(jì)算，則平均每h的制冷量為350 965 kJ。

以上過程為簡單計(jì)算，僅用來進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，具體參數(shù)應(yīng)按照實(shí)際情況處理。通過以上數(shù)據(jù)的對(duì)比，可知局部降溫方案制冷功率遠(yuǎn)大于直接送冰方案，降溫效率高，降溫效果好。

1.3 隧道傳熱量計(jì)算方法

為確定冷水機(jī)的制冷量，需要計(jì)算隧道施工中的熱量來源和放熱功率，主要有圍巖傳熱、高溫地下水放熱、機(jī)械設(shè)備發(fā)熱、鉆爆法施工時(shí)的爆破發(fā)熱以及現(xiàn)場人員自身發(fā)熱等。對(duì)于長大隧道，由于通風(fēng)距離很長，洞外新風(fēng)送入掌子面附近時(shí)會(huì)被加熱成熱風(fēng)，同時(shí)由于施工作業(yè)，掌子面附近的濕度很高，因此,如果采用制冷設(shè)備進(jìn)行隧道降溫，還需考慮到通風(fēng)代入的熱量以及高濕環(huán)境下濕空氣降溫后的焓降。冷水機(jī)的制冷功率需要根據(jù)不同熱源傳入施工區(qū)域的總熱量進(jìn)行選擇。不同熱源傳熱量的計(jì)算方法見表1。

表1 不同熱源傳熱量的計(jì)算方法[4,12]

云南某在建隧道是典型的長大隧道，隧道長度十余km，采用鉆爆法施工，施工過程中遇到高溫問題，施工難度大大增加。施工單位采用了加強(qiáng)通風(fēng)、送冰、噴水、縮短人員作業(yè)時(shí)間等措施，以保證施工進(jìn)度和安全。本次試驗(yàn)在該隧道掌子面處實(shí)施，掌子面距離隧道入口約7 km，試驗(yàn)時(shí)掌子面環(huán)境溫度達(dá)到37 ℃。根據(jù)該隧道的實(shí)際情況和表1中關(guān)于傳熱功率的計(jì)算方法，得出該隧道中各類熱源的傳熱功率，繪制了掌子面處24 h內(nèi)的傳熱功率-持續(xù)時(shí)間圖(φ-t圖)，見圖2?？紤]到試驗(yàn)成本和可操作性，本次試驗(yàn)采用了制冷功率為20 kW的冷水機(jī)，該冷水機(jī)功率約為最低發(fā)熱功率(170 kW)的1/8，配備的表冷器功率為8 kW。

2 方案現(xiàn)場驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案介紹

隧道掌子面局部降溫試驗(yàn)主要有4個(gè)步驟：

1)隧道外組裝冷卻水管路。由于該隧道項(xiàng)目采用鉆爆法施工，爆炸的安全距離為距掌子面60 m外，同時(shí)考慮出渣工作的工作范圍，本次試驗(yàn)出水和回水管路長度定為100 m。

圖2 掌子面處24 h內(nèi)傳熱功率-持續(xù)時(shí)間圖

2)冷水機(jī)和冷卻水管道運(yùn)入隧道內(nèi)掌子面區(qū)域并組裝。

3)設(shè)備開啟前，對(duì)掌子面附近的壁溫、空氣溫度、空氣濕度進(jìn)行檢測(cè)。

4)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，檢測(cè)冷水機(jī)熱風(fēng)出風(fēng)口、表冷器進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的溫度和濕度，以及水冷機(jī)的冷水溫度。檢測(cè)方法主要是采用接觸式測(cè)溫儀和數(shù)字溫濕儀，檢測(cè)結(jié)果見表2和圖3。

表2 設(shè)備降溫參數(shù)測(cè)試

(a) 冷水機(jī)進(jìn)風(fēng)口測(cè)溫

(c) 冷水機(jī)送水溫度

(d) 表冷器進(jìn)風(fēng)口測(cè)溫

冷水機(jī)開啟后，水管系統(tǒng)無泄露，水箱水位穩(wěn)定，水循環(huán)順暢，冷水機(jī)正常制冷。冷水機(jī)送水溫度為12.6 ℃，表冷器進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)溫為36 ℃，出風(fēng)口風(fēng)溫為27.9 ℃，較進(jìn)風(fēng)口降低了8.1 ℃，出風(fēng)口風(fēng)溫達(dá)到了隧道施工規(guī)范溫度要求。

2.2 改進(jìn)措施

根據(jù)上述現(xiàn)場試驗(yàn)情況，提出以下4點(diǎn)改進(jìn)建議。

1)增加冷凝水回收裝置。由于施工區(qū)域空氣的濕度接近90%，冷水機(jī)提供的冷量被空氣中水分大量吸收，表冷器流出了大量的冷凝水。對(duì)此，應(yīng)設(shè)置冷凝水回收利用裝置，以提高降溫系統(tǒng)的制冷效率。

2)進(jìn)風(fēng)口安裝除塵設(shè)備。隧道內(nèi)灰塵含量高，尤其是濕噴作業(yè)后表冷器和冷水機(jī)的進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)布滿約2 mm厚的粉塵，表冷器和冷水機(jī)的進(jìn)風(fēng)量和換熱器的換熱效率有所降低。因此,降溫設(shè)備進(jìn)風(fēng)口可以安裝除塵裝置，降低粉塵對(duì)系統(tǒng)降溫效果的影響。

3)系統(tǒng)設(shè)備性能優(yōu)化。目前試驗(yàn)用表冷器送出的冷風(fēng)輻射范圍較小，為提高局部降溫范圍，可以選擇余壓更大的表冷器，同時(shí)增加表冷器的數(shù)量，以提高冷風(fēng)輻射范圍。

4)提高系統(tǒng)的集成度。目前系統(tǒng)機(jī)組占用洞內(nèi)空間較大，可能會(huì)影響其他作業(yè)，后續(xù)可以通過提高系統(tǒng)的集成度等方式，使整體更加緊湊，以減少系統(tǒng)的占地面積。

3 結(jié)論與建議

本文提出了一種隧道施工區(qū)域局部降溫方案，采用冷水機(jī)組等設(shè)備將施工區(qū)域的熱量送到非施工區(qū)域，而不是直接送到隧道外，該方案可作為一種隧道輔助降溫措施；對(duì)不同熱源進(jìn)行了分析，通過對(duì)比計(jì)算得出，局部降溫方案制冷功率遠(yuǎn)大于直接送冰方案，降溫效率高，降溫效果好；同時(shí)理論計(jì)算出了隧道內(nèi)的傳熱量，得出降溫系統(tǒng)的降溫參數(shù)?；谠摲桨冈谠颇夏抽L大隧道中開展的應(yīng)用試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1)隧道施工區(qū)域局部降溫方案能夠降低空氣溫度。試驗(yàn)證明，表冷器出風(fēng)口處風(fēng)溫為27.9 ℃，較進(jìn)風(fēng)口處36 ℃的風(fēng)溫降低了8.1 ℃。

2)不同于送風(fēng)送冰，將洞外冷量送入洞內(nèi)，局部降溫可作為輔助降溫手段，有利于降低送風(fēng)量和制冰量。

3)不足之處有： 表冷器出風(fēng)口處的送風(fēng)距離和送風(fēng)量較小，主要原因是表冷器的余壓較低；制冷機(jī)組占用洞內(nèi)空間較大，可能會(huì)影響其他作業(yè)。

4)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況提出了4點(diǎn)方案優(yōu)化建議：增加冷凝水回收裝置、進(jìn)風(fēng)口安裝除塵設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)備性能優(yōu)化、提高系統(tǒng)的集成度。

下一步可結(jié)合以上提出的優(yōu)化方案對(duì)降溫系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，同時(shí)可以配合其他降溫方法在不同的高地溫隧道上實(shí)施驗(yàn)證，進(jìn)一步完善降溫系統(tǒng)。