基于風冷式冷水機的長大隧道局部降溫技術研究

閆沁太， 劉 煒， 李建斌，*， 言海燕， 王旭偉

(1. 中鐵高新工業股份有限公司， 北京 100070； 2. 中鐵環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”的方向發展，在長大隧道施工中普遍遇到施工區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,高地溫隧道預計有十幾座，地溫在28.7～89.0 ℃。高溫不僅會造成作業環境的惡化，降低勞動生產效率，威脅到施工人員的生命安全，同時也會影響到施工材料的性能，降低隧道的穩定性。高溫問題已成為長大隧道工程中影響人身健康和施工進度的一大難題。規范[2]規定： 隧道內氣溫不得高于28 ℃。礦采行業也有相關規定[3]： 生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，機電洞室的空氣溫度不得超過30 ℃。

在高地溫地區進行隧道施工時，通常采用通風降溫、設置隔熱層、灑水、制冰和個人防護等降溫措施。嚴健等[4]結合川藏鐵路桑珠嶺隧道情況，提出了通風為主，結合噴水、設置冰墻等綜合措施進行降溫。劉金松[5]、范磊[6]分別結合桑珠嶺隧道和高黎貢山隧道的掘進情況，對隧道降溫技術進行了總結，主要有通風、送冰、對洞壁進行隔熱和對個人進行保護等措施。謝瑋等[7]對噴霧降溫技術進行了實驗研究，認為噴霧和通風聯合降溫具有良好效果。結合文獻資料[8-11]可知，長大隧道的降溫難點主要有： 1)通風降溫送風管路較長，增加了送風阻力和漏風量，造成送風困難以及施工區域降溫困難； 2)隔熱降溫措施對隔熱材料的防火、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，且增大環境濕度； 4)個人防護措施裝備笨重，會造成施工人員體力過快流失，并且降溫效果持續時間較短，需要頻繁更換。

送風降溫和送冰降溫都是將洞外的冷量送入洞內。本文設計一種采用風冷式冷水機的隧道局部降溫系統，可將施工區的熱量通過冷水管道送至遠離施工區的非施工區域，避免上述降溫措施在實施中存在的問題，并且系統結構簡單，安裝方便，經濟性好，以期為長大隧道提供一種新的輔助降溫手段。

1 隧道施工區域局部降溫方案設計

1.1 隧道施工區域局部降溫方案簡介

隧道施工區域局部降溫方案的設計思路是將掌子面附近的熱量送到遠離掌子面的非施工區域。本方案采用冷水機、表冷器和冷卻水循環系統等設備，如圖1所示。風冷式冷水機具有無需設置冷卻塔且便于安裝的特點，可安裝在距離掌子面較遠的位置，防止冷水機排出的熱風回流到掌子面。冷卻水由冷水機送到掌子面附近的表冷器后與熱空氣進行換熱，降低施工區域的溫度。同時，冷水機將熱量送到遠離掌子面的區域排放掉，利用隧道內回風將熱量送走。

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、降溫范圍廣以及對環境影響小的優點。局部降溫系統采取強制對流換熱，因此換熱效率高，系統的出水溫度可達5～7 ℃，利用終端板式換熱裝置對隧道環境進行降溫。而送冰方案，由于送進隧道的冰往往是堆放放置，因此換熱面積有限，同時會占用相對較大的面積，可能會影響現場施工；并且冰直接裸露放置，會造成隧道濕度的上升；送冰降溫僅僅是自然對流換熱，降溫效率低，降溫范圍小。以下舉例對比2種降溫方法的降溫效率。

1.2.1 送冰方案制冷量估算

按照經驗，在環境溫度為35 ℃時，1 t冰液化成水的時間大概為2 h。假設冰溫為-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)計算。將相關參數代入式(1)計算得出，送冰方案平均每h的制冷量約為8 400 kJ。冰化成水并繼續升溫的過程中雖然會吸收一定的熱量，但耗時較長，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為介質的總質量，kg；c為介質的比熱容，kJ/(kg·℃)； ΔT為介質的溫度變化，℃；t為介質溫度變化時間，h。

1.2.2 局部降溫方案制冷量估算

局部降溫的水循環系統一般采用φ65 mm的接管，當水的流速為1 m/s時，可以將20 ℃的水換熱為12 ℃。水的比熱容是4.2 kJ/(kg·℃)。按照式(1)計算，則平均每h的制冷量為350 965 kJ。

以上過程為簡單計算，僅用來進行數據對比，具體參數應按照實際情況處理。通過以上數據的對比，可知局部降溫方案制冷功率遠大于直接送冰方案，降溫效率高，降溫效果好。

1.3 隧道傳熱量計算方法

為確定冷水機的制冷量，需要計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、機械設備發熱、鉆爆法施工時的爆破發熱以及現場人員自身發熱等。對于長大隧道，由于通風距離很長，洞外新風送入掌子面附近時會被加熱成熱風，同時由于施工作業，掌子面附近的濕度很高，因此,如果采用制冷設備進行隧道降溫，還需考慮到通風代入的熱量以及高濕環境下濕空氣降溫后的焓降。冷水機的制冷功率需要根據不同熱源傳入施工區域的總熱量進行選擇。不同熱源傳熱量的計算方法見表1。

表1 不同熱源傳熱量的計算方法[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通風、送冰、噴水、縮短人員作業時間等措施，以保證施工進度和安全。本次試驗在該隧道掌子面處實施，掌子面距離隧道入口約7 km，試驗時掌子面環境溫度達到37 ℃。根據該隧道的實際情況和表1中關于傳熱功率的計算方法，得出該隧道中各類熱源的傳熱功率，繪制了掌子面處24 h內的傳熱功率-持續時間圖(φ-t圖)，見圖2。考慮到試驗成本和可操作性，本次試驗采用了制冷功率為20 kW的冷水機，該冷水機功率約為最低發熱功率(170 kW)的1/8，配備的表冷器功率為8 kW。

2 方案現場驗證

2.1 試驗方案介紹

隧道掌子面局部降溫試驗主要有4個步驟：

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

圖2 掌子面處24 h內傳熱功率-持續時間圖

2)冷水機和冷卻水管道運入隧道內掌子面區域并組裝。

3)設備開啟前，對掌子面附近的壁溫、空氣溫度、空氣濕度進行檢測。

4)設備穩定運行后，檢測冷水機熱風出風口、表冷器進風口和出風口的溫度和濕度，以及水冷機的冷水溫度。檢測方法主要是采用接觸式測溫儀和數字溫濕儀，檢測結果見表2和圖3。

表2 設備降溫參數測試

(a) 冷水機進風口測溫

(c) 冷水機送水溫度

(d) 表冷器進風口測溫

冷水機開啟后，水管系統無泄露，水箱水位穩定，水循環順暢，冷水機正常制冷。冷水機送水溫度為12.6 ℃，表冷器進風口處風溫為36 ℃，出風口風溫為27.9 ℃，較進風口降低了8.1 ℃，出風口風溫達到了隧道施工規范溫度要求。

2.2 改進措施

根據上述現場試驗情況，提出以下4點改進建議。

1)增加冷凝水回收裝置。由于施工區域空氣的濕度接近90%，冷水機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。對此，應設置冷凝水回收利用裝置，以提高降溫系統的制冷效率。

2)進風口安裝除塵設備。隧道內灰塵含量高，尤其是濕噴作業后表冷器和冷水機的進風口濾網布滿約2 mm厚的粉塵，表冷器和冷水機的進風量和換熱器的換熱效率有所降低。因此,降溫設備進風口可以安裝除塵裝置，降低粉塵對系統降溫效果的影響。

3)系統設備性能優化。目前試驗用表冷器送出的冷風輻射范圍較小，為提高局部降溫范圍，可以選擇余壓更大的表冷器，同時增加表冷器的數量，以提高冷風輻射范圍。

4)提高系統的集成度。目前系統機組占用洞內空間較大，可能會影響其他作業，后續可以通過提高系統的集成度等方式，使整體更加緊湊，以減少系統的占地面積。

3 結論與建議

本文提出了一種隧道施工區域局部降溫方案，采用冷水機組等設備將施工區域的熱量送到非施工區域，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；對不同熱源進行了分析，通過對比計算得出，局部降溫方案制冷功率遠大于直接送冰方案，降溫效率高，降溫效果好；同時理論計算出了隧道內的傳熱量，得出降溫系統的降溫參數。基于該方案在云南某長大隧道中開展的應用試驗，得出以下結論。

1)隧道施工區域局部降溫方案能夠降低空氣溫度。試驗證明，表冷器出風口處風溫為27.9 ℃，較進風口處36 ℃的風溫降低了8.1 ℃。

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

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

4)根據現場試驗情況提出了4點方案優化建議：增加冷凝水回收裝置、進風口安裝除塵設備、系統設備性能優化、提高系統的集成度。

下一步可結合以上提出的優化方案對降溫系統進行改進升級，同時可以配合其他降溫方法在不同的高地溫隧道上實施驗證，進一步完善降溫系統。