隧道施工過程高溫環境機械降溫技術研究

中冶建工集團有限公司 重慶 400084

隨 著我國交通基礎設施的持續建設，隧道及隧道群的占比日益增加，隧道內的機電設備和行車密度越來越大，并且高溫巖的施工區域越來越多，這些因素都會產生大量的熱量，導致隧道內環境溫度隨之升高，若無有效的降溫措施，隧道內環境溫度將會越來越高[1-2]。隧道高地溫區域一般發生在地溫梯度和圍巖溫度異常的區域，在隧道施工過程中常常伴隨圍巖高溫、高溫熱水等礦山熱害。一般地，將掘進工作面環境干球溫度高于 28 ℃ 的區域定義為高溫區域。隧道施工過程中出現高溫熱害問題，將會惡化作業人員的工作環境，降低勞動效率，且嚴重威脅到作業人員的生命安全，還將會影響工作面施工機械的性能，導致設備使用壽命縮短、可靠性降低[3-4]。因此，需要對高溫熱害環境采取措施進行降溫處理。根據調查，夏季室外氣溫為 32～33 ℃，隧道硐室出口溫度為 42～43 ℃，平均溫升為 10 ℃[5]。

1 隧道降溫負荷的計算

目前尚無針對隧道熱害問題的專門技術規范或者規定，隧道高溫環境與礦井類似。因此，可以參照礦井熱害相關計算方法。

礦井降溫所需制冷量[6]

式中：K為補償系數，一般取 1.2～ 1.5；∑Qcj為采掘工作面需冷量，kW；∑Qlz為系統的冷損失量，kW；G為采掘工作面配風量，kg/s；i1為降溫前采掘工作面風流焓值，kJ/kg；i2為降溫后采掘工作面風流焓值，kJ/kg。

MT/T 1136—2011《礦井降溫技術規范》規定了礦井降溫系統冷量損失不得超過 20%。因此，最大冷量損失可取制冷量的 20%。根據隧道工作面通風量及配套設備的相關參數，可以確定所需的降溫負荷。

2 機械降溫系統

機械降溫系統如圖 1 所示，主要由制冷機組、蒸發器、回冷器、冷卻水泵、冷凍水泵、空冷器以及相關管件組成。配套設備還包括水處理設備、補水系統等。

圖1 機械降溫系統構成Fig.1 Composition of mechanical cooling system

機械降溫系統的主要優點是可以將制冷機組安裝在最合適的地點，然后將制取的冷凍水輸送到較遠的需冷地點，通過空冷器獲得低溫的空氣。隨著掘進工作的推進，只需要延伸冷凍水輸送管道即可保持空冷器與工作面之間的合理距離，確保工作面風流溫度處于合理區間。

短距離機械降溫系統布置如圖 2 所示。該系統設備較少，簡單可靠，冷卻塔布置在隧道硐室外部通風條件好的區域，各個部件通過管道連接。制冷機組產生的冷凍水通過管道輸送至隧道工作面附近，進入該處的空冷器將流經空冷器的風流降溫，從而實現了對工作面環境溫度的控制。

圖2 短距離機械降溫系統布置Fig.2 Layout of short-distance mechanical cooling system

隨著隧道掘進工作的推進，冷凍水的輸送距離越來越遠，當冷凍水輸送距離超過一定值時，冷凍水經過長距離輸送將會導致溫升過高，且隨著冷凍水輸送的保溫管道越來越長，投資費用也將更高，無法滿足末端空冷器降溫需求。此時，出現經濟和技術方面均無法承受的情況，因此需要將制冷機組布置于隧道之內。長距離機械降溫系統布置如圖 3 所示。制冷機組及其附屬設備設計為撬塊形式，可以安裝在平板車上，以便于在隧道內移動。針對可能出現瓦斯的隧道現場，制冷機組及其附屬設備需要采用防爆技術，保溫管道須具有絕緣抗靜電功能。為了保證施工過程中的安全，制冷機組、水泵及其供配電設施均需要滿足GB 3836 標準的相關要求。

圖3 長距離輸送冷凍水時制冷系統Fig.3 Layout of long-distance mechanical cooling system

3 制冷機組

制冷機組如圖 4 所示，主要由制冷壓縮機、換熱器、控制系統以及相關的配套設備組成。制冷機組通過蒸發器與冷凍水直接換熱，獲得低溫的冷凍水。制冷機組產生的冷凝熱量通過冷卻水在排熱設備 (回冷器) 中排走，冷卻水循環減少的水量由水處理設備軟化后的水進行補充。

為了適應隧道施工的技術要求，制冷機組必須具有足夠的制冷量且尺寸盡量緊湊，組裝移動方便。

根據隧道通風量統計分析，800 m3/min 風量的降溫裝置具有典型的適應能力，可以滿足絕大部分隧道施工的降溫需求。冷負荷計算如下。

圖4 制冷機組Fig.4 Refrigeration unit

掘進工作面的配風量G＝16.27 kg/s，進風設計溫度取 33 ℃，相對濕度取 65%，掘進工作面降溫前進風流的焓值i1＝83.4 kJ/kg，工作面設計溫度為 26℃，相對濕度為 100%，掘進工作面降溫后要求的進風流的焓值i2＝65.4 kJ/kg。掘進工作面基本冷負荷

式中：ΔQ1為圍巖散熱，kW；Kτ為圍巖的不穩定換熱系數，W/(m2·℃)；U為巷道周長，m；L為工作面長度，km；Δt為降溫前后巷道風流的平均溫差，℃。

式中：ΔQ2為機電設備散熱，kW；η為機電設備散熱增加比例系數，η＝0.1；N為機電設備功率，取N=1 100 kW。則總制冷量

設計制冷機組的制冷量為 600 kW，制冷壓縮機采用半封閉螺桿壓縮機，電源為 380/660 V，50 Hz；冷凝器內部換熱管采用高翅片管，設計承壓 4 MPa，換熱量大于 760 kW；空冷器換熱管采用紫銅管，且設有噴淋沖洗裝置，能夠保證換熱銅管表面潔凈，額定換熱量為 600 kW，處理風量為 850 m3/min；回冷器處理風量為 880 m3/min，壓降小于 1 kPa。

設備最大不可拆件外形尺寸要求小于 4 600 mm×1 300 mm×1 500 mm，撬塊式組合方式，要求能夠安裝在平板車上，便于移動與運輸。

4 降溫效果分析

分別對酉陽龍潭鎮 1 號隧道 900 m 處巷道掘進工作面和 1300 處巷道掘進工作面進行降溫效果測試，保溫風筒輸送距離均采用 300 m。酉陽龍潭鎮 1 號隧道工作面溫度測點布置如圖 5 所示。1 號測點距離工作面 50 m，2 號測點設置于工作面上，3 號測點距離工作面 50 m，4 號測點距離 3 號測點 100 m，5 號測點距離 4 號測點 100 m。降溫前后工作面的風流參數對比如表 1 所列。

圖5 酉陽龍潭鎮 1 號隧道工作面溫度測點布置Fig.5 Temperature testing points on work face in No.1 tunnel of Youyang Longtan

表1 降溫前后工作面風流參數對比Tab.1 Contrast of thermodynamic parameters of air flow on work face before and after cooling down

經過現場實際運行測試，該機械降溫系統性能穩定，達到了各項指標要求。風筒輸送距離 300 m 時，距工作面 150 m 區域內干球溫度平均降低 8.6 ℃，最高降幅 9.3 ℃，相對濕度平均降幅 10%，極大地改善了掘進工作面的工作環境。

4 結語

隧道施工過程中通過機械降溫，可以有效地改善工作面的高溫作業環境。試驗結果表明，采用機械降溫后，降溫幅度最大達到 9.3 ℃，濕度下降 10%，降溫效果良好。隨著掘進工作的推進，需要將空冷器及時跟隨遷移，避免由于空冷器距離工作面太遠而出現降溫效果不明顯的情況。機電設備長時間在高溫環境下運行，會導致故障增多、安全性降低。采用機械降溫措施后，可以保障機電設備安全運行，降低事故率。