盾構機循環水冷卻工裝研發及應用研究

王 磊 劉亞輝 王亞飛 劉旭鵬

（中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300300）

隨著我國城市規模的快速發展，城市化進程逐步加快，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，盾構法因具有安全、高效等特點被廣泛采用[1]。盾構法是采用盾構機進行土體開挖的一種機械化施工方法。盾構機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式向前掘進。該圓柱體組件的外部殼體為保護機構，負責開挖切削、排土及襯砌等作業，對挖掘后尚未支護的掌子面起臨時支撐作用，并且承受周圍土體和地下含水層的壓力。

盾構機掘進過程中，機內液壓系統、主驅動部分等產生的熱量，一般通過外循環水的自然散熱來達到降溫冷卻的目的[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機相關參數和現場溫度測試數據，得出冷卻水能吸收掘進中盾構機產生約37.7%的熱量[4]。盾構機液壓系統油溫過高易導致盾構機運轉停止，而液壓系統能否正常運轉直接影響盾構機的工作效率與性能。凌鐵堅等根據廣州市軌道交通5號線項目工程概況，提出盾構液壓系統油溫控制的幾種措施[5]。曹成兵根據孟買軌道交通施工經驗，從降低設備散熱溫度和新風系統溫度兩個方面出發，對盾構機水空調冷卻系統進行優化升級，解決了隧道內部區域溫度較高的問題[6]。牟映潔等以Φ6 150 mm盾構機為例，利用用水系統的熱平衡計算公式，確定水泵流量和外循環水量，實現了對現有盾構機循環冷卻系統的設計和改造[7]。齊保衛提出冷卻水進水溫度和進水壓力是確保盾構機冷卻系統正常運轉的重要因素，通過增加支撐架、散熱瀑布階梯、風扇和噴淋管等部件，優化了外循環冷卻系統[8]。盾構機掘進過程中會產生較多熱量，而通過通風等循環系統所帶走的熱量十分有限[9]。依據以往試驗總結，從冷卻介質的經濟性與適用性出發，水是盾構機掘進過程中吸收熱量的最好介質。水熱容量大，施工過程中易獲取，作為冷卻介質可以對盾構機起到良好的冷卻效果。

以上研究成果對盾構機降溫具有良好的參考價值。但是，在長距離盾構隧道施工時，外循環水系統因管道長度增加導致冷卻水水力損失增大，水流速度減慢，無法滿足盾構機降溫的要求，影響盾構機的正常使用，降低了盾構機掘進的速度和工作效率[10]。為解決這一難題，調研現有盾構機冷卻系統，設計了一種包括移動箱體、水槍驅動、翻騰機構和吹風系統等組成的可移動循環水池裝置，有效解決了合肥軌道交通4號線天水路站—翠柏路站區間長距離盾構施工時盾構機的降溫問題，可為長距離盾構隧道施工提供 參考。

1 盾構機冷卻系統的基本原理

傳統盾構機上安裝有刀盤電機、主驅動內外周密封夾套等內循環冷卻設備。它的外循環冷卻系統主要由冷卻器與車站中的蓄水池構成。油箱冷卻循環液壓系統為其他液壓系統提供載體。在油箱一側設置板式冷卻器，由循環冷卻水帶走油箱產生的熱量[11]。盾構機內、外循環冷卻系統間的熱量傳輸由熱交換器實現，即當盾構機左右線推進時，利用安裝于盾構機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循環系統產生的熱量[12]，降低盾構機油溫。

正常情況下，冷卻水池的出水溫度為25 ℃。但是，當環境氣溫過高尤其是炎熱的夏季時，在冷卻水輸往盾構機的過程中，因管路較長且暴露在外部環境中，導致外循環水泵降溫效果差，機內主驅動部分、液壓系統產生熱量較多，液壓系統溫度升高，無法滿足長距離盾構隧道中盾構機快速降溫的需求。

2 移動式循環水冷卻裝置研發

為解決長距離盾構時盾構機快速降溫的問題，設計研發了一種移動式循環水冷卻裝置。該裝置的組成結構，如圖1所示。

圖1 移動式循環水冷卻裝置結構示意圖

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

（2）受高速水槍驅動的翻騰葉片。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。當增大水與空氣的接觸表面積或接觸速度時，水體散熱速率越大，在相同時間內的降溫效果越佳。因此，箱體內設置一處受高速水槍驅動的翻騰葉片，通過葉片的轉動增大水體與空氣的接觸面積和流動速度，達到快速散熱的目的。

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

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

（5）包含內齒輪、轉圈、連桿和風扇等裝置的吹風模塊。轉圈套設于轉軸，側面通過連桿連接有側位錐齒輪，通過齒輪間嚙合傳動作用帶動下位錐齒輪和內錐齒輪的轉動，從而實現吹風模塊的運轉。

3 工程應用

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；平面最小轉彎曲線半徑為350 m，區間線路最大坡度為24.615‰。沿線穿越建（構）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。區間內附屬結構共設4座聯絡通道和1座風井。

盾構隧道穿越區段為工程地質Ⅴ單元，場區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沉積的黏性土、第四系晚更新統沖洪積成因的黏性土、粉細砂層。基巖為白堊紀上統張橋組（K2z）砂質泥巖、泥巖和白堊紀下統新莊組（K1x）砂巖、泥質砂巖，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]，易因開掘而產生變形或者因浸水而膨脹等現象，使設置在膨脹性圍巖中的隧道或地下洞室的洞壁發生位移，導致圍巖失穩，襯砌破壞。

區間屬于水文地質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，受大氣降水補給，水量微弱；基巖裂隙水主要賦存于靠近基巖面的粉質黏土、強風化砂質泥巖，具有承壓性，富水性為極貧乏-貧乏。

區間隧道采用盾構法施工，隧道結構斷面形式為兩個單線圓形斷面，襯砌結構采用裝配式鋼筋混凝土管片，盾構隧道內徑為Φ5 400 mm，管片厚度為300 mm， 寬度為1 500 mm，每環由6塊組成，管片混凝土為C50P10。管片錯縫拼接，彎螺栓連接，每環管片共16根縱向連接螺桿和12根環向連接螺桿。防水等級為二級。

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

圖2 瀑布式鋼管冷卻階梯

3.2 傳熱傳質數學模型

在Poppe模型、Melkel模型的基礎上，建立一個簡單的傳熱傳質模型。為簡化計算，在冷卻散熱過程中有如下假設：

（1）水和空氣的熱量在交換過程中是穩定的，物理性能參數均為常數；

（2）冷卻水均勻噴淋、傳熱與傳質界面相同；

（3）冷卻裝置與環境之間不存在物質交換，為絕熱過程；

（4）冷卻過程僅發生在水與空氣的結合界面。

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

圖3 數學模型

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

將Le=1代入式（3），可得空氣與水之間的傳質方程為

通過上述數學模型，考慮影響冷卻性能的因素，計算出口水溫和空氣濕溫度，從而反映其冷卻效果。計算發現，使用該裝置后，盾構機運行時水體冷卻速度加快20%～25%，冷卻水溫度降低2 ℃。移動式循環水冷卻裝置對冷卻系統具有優良的散熱效果，可有效提高盾構機的散熱效果。

3.3 工程驗證

在冷卻系統內的3個位置設置監測點，分別為外水泵出口位置a、移動式循環水冷卻裝置出口位置b和盾構機換熱器位置c。在20 ℃的外界環境下，分別在使用和未使用移動式循環水冷卻裝置的條件下施工一段時間，對比有無移動式循環水冷卻裝置時3個監測點的水溫等參數，如圖4所示。

圖4 監測點水溫對比圖

從圖4可以發現，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可以增加水體與空氣接觸面積，提高水體散熱速率，達到為運轉中盾構機快速降溫的目的。使用該裝置后，冷卻系統的水溫降低2.1 ℃，證明移動式循環水冷卻裝置可有效解決長距離盾構時盾構機不能快速降溫的問題。

4 結論

針對長距離盾構隧道施工中驅動減速機、液壓油箱、空壓機等部件產熱量大、散熱效果不佳等問題，對合肥軌道交通4號線的盾構機冷卻裝置進行改造。設計的盾構機冷卻裝置由瀑布型鋼管階梯和優化升級的主體冷卻設備構成，包含水槍、軟管、翻騰葉片以及伸縮式水箱等部件。通過數學模擬計算及試驗對比后得到下列結論：

（1）使用移動式循環水冷卻裝置后，盾構機水體冷卻速度加快20%～25%，主驅動密封溫度、液壓和齒輪油箱溫度等均呈下降趨勢，冷卻系統穩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區間中的多臺盾構機同時提供冷卻降溫的要求，大大提高了施工效率；

（3）實現冷卻水體的循環利用。

該循環裝置進水口連接冷卻水池，出水口連接油水交換器，通過箱體的過渡作用實現水資源的重復利用，大大減少了所用水資源及購置冷卻塔的費用，充分遵循了節能減耗的原則，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。