盾構通風制冷系統分析研究

姚 晶，趙云輝，趙 石

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構是隧道施工中的主要大型機械設備，目前配置的通風系統是通過一次通風將洞外新鮮空氣輸送到后配套，再通過二次風機接力，將新空氣輸送到工作區域，起到降溫、通風的作用。但是由于盾構整機功率大、熱源多，另外，由于地鐵隧道盾構施工為地下半封閉空間，相對濕熱，造成大多數隧道施工環境溫度40℃以上，二次通風效果降溫不明顯。特別是夏季洞外溫度超過35℃后，二次通風帶進盾構的為熱風，降溫效果更差。

配置有制冷系統，可直接將新鮮空氣的溫度降低到25℃左右，使隧道內工作區域的溫度即可控制在28℃左右，改善工作環境。但是由于價格昂貴，機器保養、維修復雜，目前盾構配置制冷系統較少。

盾構制冷系統的研究在國內很少，張智提出由于洞內制冷系統投入費用的問題，秦嶺隧道采用冰來取代低溫水達到隧道降溫的目的[1]。劉殿勇提出，通風方案應改通過變頻調節風量，并提高0.3m/s 的設計風速加大總的通風量來降低隧道溫度[2]。王盡忠提出中天山特長隧道采用環保式水媒熱泵系統[3]，但是制冰方式人工成本太大，提高設計風速造成風機加大，布置困難。環保式水媒熱泵系統，雖然節能環保，但是最初投入成本遠大于冷媒制冷系統，只是后期運行成本較低，更適合長時間應用時投入，并不適合盾構設計。目前盾構配置制冷系統是降低隧道溫度最快最有效的方法。

本文從盾構設計的角度以新加坡T217 項目為例，重點分析了盾構通風制冷系統、并針對新加坡盾構（開挖直徑?6 670mm）進行計算選型，根據現場使用效果進行分析總結，對目前的制冷系統提出優化建議。

1 工程概況

新加坡項目開挖直徑為?6 670mm，管片直徑?6 350/5 800mm，隧道分為4 個區間總長度為2 940m,主要地質為花崗巖和灰巖地層，巖石強度高。新加坡地處熱帶，為赤道多雨氣候，平均溫度在23～34℃，特別是在10～11 月份，陽光酷熱，最高溫度可達35℃。

新加坡2018 年平均氣溫28℃，往年平均值為28.4℃，略偏低0.4℃，各月平均氣溫變化總體平穩。年極端最低氣溫1.7℃，出現在1 月；年極端最高氣溫36.7℃，出現在7 月。年內共記錄到高溫日（最高氣溫≥35℃）5 天，全部集中在7 月，記錄到低溫日（最低氣溫≤5℃）2 天，寒冷日（最低氣溫≤10℃）22 天。

年平均相對濕度為79%，比氣候平均值（74%）偏高5 個百分點，天氣濕潤。

在發達國家，隧道在健康、文明、安全施工方面要求嚴格，管理也比較規范，盾構工作操作區域的溫度不能超過28℃。因此盾構在消防、降溫、應急逃生等設備配置齊全，人性化程度較高。為降低盾構施工區域溫度，提高工作人員舒適性，從盾構本身配置制冷系統是十分必要的。

2 盾構通風系統配置

盾構采用洞外壓入式通風，將洞外的新鮮空氣輸送到盾體及后配套區域，帶走污濁空氣，為工作人員提供新鮮空氣，并帶走隧道熱量降低工作環境溫度。盾構主要操作區域分布在設備橋和管片拼裝位置，在設備橋位置需要管片卸載、管片轉運以及鋼軌鋪設工作。

考慮到盾構整機設備布置情況，制冷系統一般放置在拖車尾部，與儲風筒出口連接，將一次通風輸送進來的熱風進行冷卻，再通過二次風機接力輸送至盾構的工作區域管片拼裝機和設備橋位置（圖1）。

圖1 盾構通風配置圖

3 制冷系統的工作原理及配置

盾構本身配置有外循環水系統，需將內循環水產生熱量的全部帶走，盾構設計時，利用盾構配置的外水系統，要將外循環水的流量加大，置換制冷系統產生熱量。

盾構的制冷系統熱交換可以分為兩個部分，第一部分是空冷器與制冷劑的熱交換，第二部分是制冷機組與外循環水的熱交換。

空冷器需將隧道外的熱風冷卻為冷風，此時制冷機組將水冷卻，并通過冷凍水箱進行儲存，冷凍水泵將冷水泵送到空冷器中，熱風通過空冷器后變成冷風，同時冷水變成熱水，流回制冷機組（圖2）。

盾構制冷系統主要包括空冷器、制冷機組、冷凍水箱3 個部分。

3.1 空冷器

圖2 制冷系統原理圖

空氣冷卻器屬于表面式空氣冷卻器，主要原理是進行熱濕交換時，被冷卻的空氣通過冷卻器的金屬表面來進行交換的，不和冷卻水接觸，它具有使用方便、不妨礙隧道作業和不污染作業環境等優點而被廣泛使用。

空冷器中有很多銅管路，管路內部為冷凍水，外部為通過的熱空氣，空氣的流向與冷凍水的流向是互逆的。冷凍水在熱交換時將攜帶的冷量逐漸傳遞給熱的通風空氣，將空氣溫度降低并通過風機輸送到需要降溫的地方。

3.2 制冷機組

制冷機組（圖3）主要由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器等組成。通過管道連接形成一個閉式系統，制冷劑在通過不斷地循環流動，與外界進行熱量交換[4]。在制冷系統中蒸發器中的制冷劑帶走水的熱量，將冷量傳給水使其成為冷凍水實現制冷，是輸送冷量的設備。冷凝器是將制冷機組中制冷劑的產生的熱量傳遞給外循環水帶走，將外循環水的冷量傳遞給制冷機蒸汽。

圖3 盾構制冷系統布置圖

4 設計選型

4.1 通風量計算

通風系統設計時首先根據盾構布置情況確定風管直徑，再計算二次通風風量及壓差。新加坡T217盾構設計時按洞內工作區域最小允許風速計算。

式中Q3——最低風速要求的風量，m3/min；

s——隧道斷面積，=0.25×3.14×5 5.82=26.4m2；

v1——允許最低風速，一般取0.5m/s。

風機實際風量

配置的二次風機為2×30kW 對旋風機，風量390～950m3/min，全壓1 200～4 550Pa。

4.2 新風負荷量

新加坡盾構設計制冷系統時，取全年最惡劣平均工況室溫：32℃，相對濕度82%。需要將洞內環境處理到28℃，相對濕度75%。

新風負荷計算公式可為

式中Δh——將室外空氣溫度32℃處理到室內溫度28℃的焓差，K/kg；

ρ——空氣密度，kg/m3；

G1——新風量，計算為48 878.4m3/h。

隧道初始風流為32℃，相對濕度為80%，查焓濕圖和焓濕表可知焓值為96.084，冷卻后溫度為28℃，空氣經處理后相對濕度為75%，焓值為74.003，如表1 所示。

表1 焓值

根據式(2) 可計算出新風負荷P1＝ΔhρG1=(96.084-74.003)×1.167/3600×48878.4=349.87kW。

4.3 盾構散熱量

通風需要帶走的熱量有：電氣熱量q1的全部、液壓熱量q2的小部分、傳動系統熱量的q2小部分、碴土摩擦熱的小部分（可忽略）、人員熱量的全部。

盾構熱量計算公式

式中qh——系統產生的熱量，cal；

Np——系統功率；

ηc——系統效率；

A——熱功當量，A=3 600kJ/kWh。

根據式(3)可對盾構各個部分的發熱功率進行計算，其中變壓器、主驅動、螺旋機、安裝機、推進泵、空壓機產生的熱量絕大部分需靠冷卻水帶走，冷卻水帶走的熱量占90%，其它則通過空氣帶走。具體計算結果如表2 所示。

表2 盾構功率分配及效率表

通風需帶走的熱量

4.4 人體散熱量

式中q——在不同室溫和勞動強度情況下成年男子的散熱量，取102cal；

n——隧道內施工人數，60 人；

n′——群集系數，取1.0。

則P2=1.0×60×102=6.12kW。

4.5 熒光燈散熱量

式中N1——盾構上內熒光燈裝置功率，kW；

N2——盾構上鎮流器消耗功率，一般為熒光燈功率的20%，kW；

n1——同時使用系數；

n2——盾構上燈具燈罩隔熱系數，取0.6～0.8。

則P3=1×0.7×(10+10×0.2)=8.4kW。

4.6 制冷系統總熱量

根據上述計算結果可以得出總共散熱420.5kW。根據總制冷量420kW，即可根據樣本選擇制冷機組，型號為40STD-460WSI3，功率為456kW。

5 現場效果分析

目前出口新加坡盾構數量已達到20 臺，現場使用溫度計分別測試了T217A&T217B，儲風筒、主控室門口、拼裝機區域（風筒出口）和人倉門口4 個位置的溫度進行測試（圖4）。

圖4 制冷系統布置圖

其中：

T1：T217A 帶制冷；

T2：T217A 無制冷；

T3：T217B 帶制冷；

T4：T217B 無制冷。

測試時將制冷系統關閉，測量了各個區域的溫度，如T2、T4，未配置制冷系統的溫度比配置制冷系統要高3～8℃，制冷效果非常明顯。主要工作區域滿足低于28℃。在人員主要操作區域溫度為28℃和25℃。但在非長時間工作區域儲風筒、主控室門口、人艙門口處溫度略微高于28℃。制冷系統基本滿足環境要求。

為了更好地降低盾構的整體工作問題，對近2 年配置的制冷系統進行分析，其他區域溫度略高的主要原因有：①由于盾構尺寸限制，一般情況下制冷機組放置在拖車底部，空冷器放置在拖車頂部，由于頂部空間位置狹小，因此對空冷器、制冷機組的尺寸要求較高，空間大小導致由于整機位置限制，空冷器過于靠后，距離工作區域較遠，導致制冷效果較差（圖5）；②設計計算為理論計算，雖然公式和計算結果都準確，但是根據統計新加坡2018 年5～8 月份的最高氣溫超過32℃大概占50%，在天氣最炎熱的季節制冷系統的制冷效果會降低，同時根據2 年的設計及施工經驗，設計時需考慮安全系數；③整個盾構二次通風一直通向拼裝區域，后配套部分通風必須通過通風返回后才可達到制冷效果，導致盾構尾部通風效果較差。

圖5 制冷系統布置圖

根據近2 年盾構制冷系統系統的應用效果，結合設計和使用經驗，提出以下改進措施：①國內外制冷機組、空冷器的技術在提升，從而制冷機組及空冷器的尺寸可以優化減小，減少盾構的尺寸限制，對制冷系統優化布置，將空冷器位置放置二次風機前部，提高制冷效果（圖6）；②根據經驗建議計算時取安全系數為1.1；③整個二次風管布置多個小的通風口，使新鮮風能夠到達后配套每節拖車，改善整個盾構的工作環境。

圖6 空冷器位置示意圖

6 結語

盾構制冷系統的效果明顯，很大程度上改善了隧道施工環境。隨著施工條件的改善，越來越多的施工單位已經向人性化施工發展。另外制冷系統的價格也在降低，盾構配置制冷系統是接下來的一個發展趨勢。

目前國內外配置的通風制冷都是只降低了盾構主要操作區域的溫度，制冷效果不如工作區域。為改善工人的整個工作環境提出了意見，最終達到降低整個盾構區域溫度，提高工作舒適度的目的。