王 磊 劉亞輝 王亞飛 劉旭鵬

（中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300300）

隨著我國城市規(guī)模的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，人口急劇增加，城市問題日趨緊張，其中地面交通已無法滿足日益增長的運(yùn)量需求。為緩解日益增長的交通壓力，許多城市開始修建地下隧道。在地下隧道工程的眾多施工方法中，盾構(gòu)法因具有安全、高效等特點(diǎn)被廣泛采用[1]。盾構(gòu)法是采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行土體開挖的一種機(jī)械化施工方法。盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理為一圓柱體鋼組件沿隧洞中軸線循序漸進(jìn)式向前掘進(jìn)。該圓柱體組件的外部殼體為保護(hù)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)開挖切削、排土及襯砌等作業(yè)，對挖掘后尚未支護(hù)的掌子面起臨時(shí)支撐作用，并且承受周圍土體和地下含水層的壓力。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，機(jī)內(nèi)液壓系統(tǒng)、主驅(qū)動部分等產(chǎn)生的熱量，一般通過外循環(huán)水的自然散熱來達(dá)到降溫冷卻的目的[2-3]。劉殿勇等通過分析廣州地鐵2號線使用的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場溫度測試數(shù)據(jù)，得出冷卻水能吸收掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生約37.7%的熱量[4]。盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)油溫過高易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停止，而液壓系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響盾構(gòu)機(jī)的工作效率與性能。凌鐵堅(jiān)等根據(jù)廣州市軌道交通5號線項(xiàng)目工程概況，提出盾構(gòu)液壓系統(tǒng)油溫控制的幾種措施[5]。曹成兵根據(jù)孟買軌道交通施工經(jīng)驗(yàn)，從降低設(shè)備散熱溫度和新風(fēng)系統(tǒng)溫度兩個方面出發(fā)，對盾構(gòu)機(jī)水空調(diào)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，解決了隧道內(nèi)部區(qū)域溫度較高的問題[6]。牟映潔等以Φ6 150 mm盾構(gòu)機(jī)為例，利用用水系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算公式，確定水泵流量和外循環(huán)水量，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造[7]。齊保衛(wèi)提出冷卻水進(jìn)水溫度和進(jìn)水壓力是確保盾構(gòu)機(jī)冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素，通過增加支撐架、散熱瀑布階梯、風(fēng)扇和噴淋管等部件，優(yōu)化了外循環(huán)冷卻系統(tǒng)[8]。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生較多熱量，而通過通風(fēng)等循環(huán)系統(tǒng)所帶走的熱量十分有限[9]。依據(jù)以往試驗(yàn)總結(jié)，從冷卻介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性與適用性出發(fā)，水是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中吸收熱量的最好介質(zhì)。水熱容量大，施工過程中易獲取，作為冷卻介質(zhì)可以對盾構(gòu)機(jī)起到良好的冷卻效果。

以上研究成果對盾構(gòu)機(jī)降溫具有良好的參考價(jià)值。但是，在長距離盾構(gòu)隧道施工時(shí)，外循環(huán)水系統(tǒng)因管道長度增加導(dǎo)致冷卻水水力損失增大，水流速度減慢，無法滿足盾構(gòu)機(jī)降溫的要求，影響盾構(gòu)機(jī)的正常使用，降低了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的速度和工作效率[10]。為解決這一難題，調(diào)研現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)冷卻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種包括移動箱體、水槍驅(qū)動、翻騰機(jī)構(gòu)和吹風(fēng)系統(tǒng)等組成的可移動循環(huán)水池裝置，有效解決了合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站區(qū)間長距離盾構(gòu)施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)的降溫問題，可為長距離盾構(gòu)隧道施工提供 參考。

1 盾構(gòu)機(jī)冷卻系統(tǒng)的基本原理

傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)上安裝有刀盤電機(jī)、主驅(qū)動內(nèi)外周密封夾套等內(nèi)循環(huán)冷卻設(shè)備。它的外循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由冷卻器與車站中的蓄水池構(gòu)成。油箱冷卻循環(huán)液壓系統(tǒng)為其他液壓系統(tǒng)提供載體。在油箱一側(cè)設(shè)置板式冷卻器，由循環(huán)冷卻水帶走油箱產(chǎn)生的熱量[11]。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)間的熱量傳輸由熱交換器實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)盾構(gòu)機(jī)左右線推進(jìn)時(shí)，利用安裝于盾構(gòu)機(jī)臺車的過濾裝置過濾從蓄水池中抽取的水，并通過熱交換器帶走內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量[12]，降低盾構(gòu)機(jī)油溫。

正常情況下，冷卻水池的出水溫度為25 ℃。但是，當(dāng)環(huán)境氣溫過高尤其是炎熱的夏季時(shí)，在冷卻水輸往盾構(gòu)機(jī)的過程中，因管路較長且暴露在外部環(huán)境中，導(dǎo)致外循環(huán)水泵降溫效果差，機(jī)內(nèi)主驅(qū)動部分、液壓系統(tǒng)產(chǎn)生熱量較多，液壓系統(tǒng)溫度升高，無法滿足長距離盾構(gòu)隧道中盾構(gòu)機(jī)快速降溫的需求。

2 移動式循環(huán)水冷卻裝置研發(fā)

為解決長距離盾構(gòu)時(shí)盾構(gòu)機(jī)快速降溫的問題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種移動式循環(huán)水冷卻裝置。該裝置的組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 移動式循環(huán)水冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）具有傳輸水體作用的水槍和軟管。循環(huán)水體通過水槍高速噴入移動箱體內(nèi)，冷卻后通過移動箱體上方鉸接蓋板處的抽水設(shè)備流出，便于水體的循環(huán)利用。

（2）受高速水槍驅(qū)動的翻騰葉片。研究表明，影響熱傳遞速率的因素包含傳熱表面積和流動速度。當(dāng)增大水與空氣的接觸表面積或接觸速度時(shí)，水體散熱速率越大，在相同時(shí)間內(nèi)的降溫效果越佳。因此，箱體內(nèi)設(shè)置一處受高速水槍驅(qū)動的翻騰葉片，通過葉片的轉(zhuǎn)動增大水體與空氣的接觸面積和流動速度，達(dá)到快速散熱的目的。

（3）沿移動箱體左右兩側(cè)對稱布置伸縮式水箱。箱體內(nèi)設(shè)置滑槽用于連接水箱，通過抽拉水箱調(diào)節(jié)箱體的使用空間。它的底部四周安裝有萬向輪來控制運(yùn)動方向，可滿足施工的靈活性和適應(yīng)性要求。

（4）設(shè)置于轉(zhuǎn)槽內(nèi)的轉(zhuǎn)片。轉(zhuǎn)軸底端和移動箱體的底面由轉(zhuǎn)軸連接，且轉(zhuǎn)軸上方固定連接多個抵觸板，下方連接的翻騰葉片上開設(shè)有多個溢流孔。開設(shè)溢流孔是為了減小葉片轉(zhuǎn)動翻騰時(shí)攪拌水體所受阻力，旨在增大水槍所射出的水壓基礎(chǔ)上提升翻騰葉片的轉(zhuǎn)動速度和水流攪拌翻騰能力，加速水體冷卻，同時(shí)防止因翻騰葉片所受阻力過大而導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸折斷而影響施工進(jìn)程。

（5）包含內(nèi)齒輪、轉(zhuǎn)圈、連桿和風(fēng)扇等裝置的吹風(fēng)模塊。轉(zhuǎn)圈套設(shè)于轉(zhuǎn)軸，側(cè)面通過連桿連接有側(cè)位錐齒輪，通過齒輪間嚙合傳動作用帶動下位錐齒輪和內(nèi)錐齒輪的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡介

合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站區(qū)間隧道線路平面呈“S”形，左線長為2 953.689 m，右線長為2 841.926 m，左右線間距為10.000～16.720 m；平面最小轉(zhuǎn)彎曲線半徑為350 m，區(qū)間線路最大坡度為24.615‰。沿線穿越建（構(gòu)）筑物包含多處房屋、水塔、合肥東編組站鐵路線以及二十埠河，隧道覆土厚度為8.06～20.86 m，其中區(qū)間穿越合肥東編組站處，覆土厚度（至道床頂）為14.35～15.59 m，左右線間距為11.82～16.39 m。區(qū)間內(nèi)附屬結(jié)構(gòu)共設(shè)4座聯(lián)絡(luò)通道和1座風(fēng)井。

盾構(gòu)隧道穿越區(qū)段為工程地質(zhì)Ⅴ單元，場區(qū)表層為厚度不均的第四系人工填土層，主要為素填土和雜填土。人工填土以下為第四系全新統(tǒng)沉積的黏性土、第四系晚更新統(tǒng)沖洪積成因的黏性土、粉細(xì)砂層?；鶐r為白堊紀(jì)上統(tǒng)張橋組（K2z）砂質(zhì)泥巖、泥巖和白堊紀(jì)下統(tǒng)新莊組（K1x）砂巖、泥質(zhì)砂巖，埋深基本在30 m以下。隧道洞身穿過的第四系黏土層具有弱膨脹性[10]，易因開掘而產(chǎn)生變形或者因浸水而膨脹等現(xiàn)象，使設(shè)置在膨脹性圍巖中的隧道或地下洞室的洞壁發(fā)生位移，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，襯砌破壞。

區(qū)間屬于水文地質(zhì)Ⅳ單元，地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水。其中：上層滯水主要賦存于人工填土，受大氣降水補(bǔ)給，水量微弱；基巖裂隙水主要賦存于靠近基巖面的粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，具有承壓性，富水性為極貧乏-貧乏。

區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道結(jié)構(gòu)斷面形式為兩個單線圓形斷面，襯砌結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼筋混凝土管片，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為Φ5 400 mm，管片厚度為300 mm， 寬度為1 500 mm，每環(huán)由6塊組成，管片混凝土為C50P10。管片錯縫拼接，彎螺栓連接，每環(huán)管片共16根縱向連接螺桿和12根環(huán)向連接螺桿。防水等級為二級。

合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站隧道區(qū)間屬于長距離盾構(gòu)隧道區(qū)間。施工過程中，盾構(gòu)機(jī)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要包含兩部分：第一部分是移動式循環(huán)水冷卻裝置；第二部分是利用傳統(tǒng)的散熱瀑布型鋼管階梯對水流進(jìn)行初步冷卻降溫，如圖2所示。

圖2 瀑布式鋼管冷卻階梯

3.2 傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型

在Poppe模型、Melkel模型的基礎(chǔ)上，建立一個簡單的傳熱傳質(zhì)模型。為簡化計(jì)算，在冷卻散熱過程中有如下假設(shè)：

（1）水和空氣的熱量在交換過程中是穩(wěn)定的，物理性能參數(shù)均為常數(shù)；

（2）冷卻水均勻噴淋、傳熱與傳質(zhì)界面相同；

（3）冷卻裝置與環(huán)境之間不存在物質(zhì)交換，為絕熱過程；

（4）冷卻過程僅發(fā)生在水與空氣的結(jié)合界面。

冷卻水與空氣的冷卻過程如圖3所示，圖3（a）的熱質(zhì)交換過程可簡化為圖3（b）的二維傳熱傳質(zhì)問題。

圖3 數(shù)學(xué)模型

它的能量和質(zhì)量守恒方程式分別為

式中：ma為空氣流量，kg·s-1；ha為空氣焓值，kJ·kg-1；mw為水流量，kg·s-1；tw為水溫，℃；da為空氣含濕量，kJ·kg-1；Cp,w為水的定壓比熱容，J·kg-1·℃-1。

能量傳遞方程為

式中：NTU為無量綱的傳質(zhì)單元數(shù)；he為水溫對應(yīng)的飽和空氣的焓；Le為劉易斯數(shù)，此處取值為1；λTW為水在該處溫度下的汽化潛熱，kJ·kg-1；de為水溫對應(yīng)的飽和空氣的含濕量，kJ·kg-1；hm為傳熱系數(shù)，kg·m-2·s-1；a為填料的比表面積，m2·m-3；V為冷卻塔內(nèi)填料的體積，m3。

將Le=1代入式（3），可得空氣與水之間的傳質(zhì)方程為

通過上述數(shù)學(xué)模型，考慮影響冷卻性能的因素，計(jì)算出口水溫和空氣濕溫度，從而反映其冷卻效果。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，使用該裝置后，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)水體冷卻速度加快20%～25%，冷卻水溫度降低2 ℃。移動式循環(huán)水冷卻裝置對冷卻系統(tǒng)具有優(yōu)良的散熱效果，可有效提高盾構(gòu)機(jī)的散熱效果。

3.3 工程驗(yàn)證

在冷卻系統(tǒng)內(nèi)的3個位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，分別為外水泵出口位置a、移動式循環(huán)水冷卻裝置出口位置b和盾構(gòu)機(jī)換熱器位置c。在20 ℃的外界環(huán)境下，分別在使用和未使用移動式循環(huán)水冷卻裝置的條件下施工一段時(shí)間，對比有無移動式循環(huán)水冷卻裝置時(shí)3個監(jiān)測點(diǎn)的水溫等參數(shù)，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)水溫對比圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，使用該裝置在a、b、c這3個位置都起到了冷卻降溫作用。b處效果最明顯，這是由于改造后的冷卻系統(tǒng)可以增加水體與空氣接觸面積，提高水體散熱速率，達(dá)到為運(yùn)轉(zhuǎn)中盾構(gòu)機(jī)快速降溫的目的。使用該裝置后，冷卻系統(tǒng)的水溫降低2.1 ℃，證明移動式循環(huán)水冷卻裝置可有效解決長距離盾構(gòu)時(shí)盾構(gòu)機(jī)不能快速降溫的問題。

4 結(jié)論

針對長距離盾構(gòu)隧道施工中驅(qū)動減速機(jī)、液壓油箱、空壓機(jī)等部件產(chǎn)熱量大、散熱效果不佳等問題，對合肥軌道交通4號線的盾構(gòu)機(jī)冷卻裝置進(jìn)行改造。設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)冷卻裝置由瀑布型鋼管階梯和優(yōu)化升級的主體冷卻設(shè)備構(gòu)成，包含水槍、軟管、翻騰葉片以及伸縮式水箱等部件。通過數(shù)學(xué)模擬計(jì)算及試驗(yàn)對比后得到下列結(jié)論：

（1）使用移動式循環(huán)水冷卻裝置后，盾構(gòu)機(jī)水體冷卻速度加快20%～25%，主驅(qū)動密封溫度、液壓和齒輪油箱溫度等均呈下降趨勢，冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定后水溫比之前降低2.1 ℃；

（2）對稱布置的伸縮式水箱能滿足為長距離盾構(gòu)區(qū)間中的多臺盾構(gòu)機(jī)同時(shí)提供冷卻降溫的要求，大大提高了施工效率；

（3）實(shí)現(xiàn)冷卻水體的循環(huán)利用。

該循環(huán)裝置進(jìn)水口連接冷卻水池，出水口連接油水交換器，通過箱體的過渡作用實(shí)現(xiàn)水資源的重復(fù)利用，大大減少了所用水資源及購置冷卻塔的費(fèi)用，充分遵循了節(jié)能減耗的原則，滿足了施工過程中的使用要求，可為其他類似工程提供參考。