盾构通风制冷系统分析研究

姚 晶，赵云辉，赵 石

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

盾构是隧道施工中的主要大型机械设备，目前配置的通风系统是通过一次通风将洞外新鲜空气输送到后配套，再通过二次风机接力，将新空气输送到工作区域，起到降温、通风的作用。但是由于盾构整机功率大、热源多，另外，由于地铁隧道盾构施工为地下半封闭空间，相对湿热，造成大多数隧道施工环境温度40℃以上，二次通风效果降温不明显。特别是夏季洞外温度超过35℃后，二次通风带进盾构的为热风，降温效果更差。

配置有制冷系统，可直接将新鲜空气的温度降低到25℃左右，使隧道内工作区域的温度即可控制在28℃左右，改善工作环境。但是由于价格昂贵，机器保养、维修复杂，目前盾构配置制冷系统较少。

盾构制冷系统的研究在国内很少，张智提出由于洞内制冷系统投入费用的问题，秦岭隧道采用冰来取代低温水达到隧道降温的目的[1]。刘殿勇提出，通风方案应改通过变频调节风量，并提高0.3m/s 的设计风速加大总的通风量来降低隧道温度[2]。王尽忠提出中天山特长隧道采用环保式水媒热泵系统[3]，但是制冰方式人工成本太大，提高设计风速造成风机加大，布置困难。环保式水媒热泵系统，虽然节能环保，但是最初投入成本远大于冷媒制冷系统，只是后期运行成本较低，更适合长时间应用时投入，并不适合盾构设计。目前盾构配置制冷系统是降低隧道温度最快最有效的方法。

本文从盾构设计的角度以新加坡T217 项目为例，重点分析了盾构通风制冷系统、并针对新加坡盾构（开挖直径∅6 670mm）进行计算选型，根据现场使用效果进行分析总结，对目前的制冷系统提出优化建议。

1 工程概况

新加坡项目开挖直径为∅6 670mm，管片直径∅6 350/5 800mm，隧道分为4 个区间总长度为2 940m,主要地质为花岗岩和灰岩地层，岩石强度高。新加坡地处热带，为赤道多雨气候，平均温度在23～34℃，特别是在10～11 月份，阳光酷热，最高温度可达35℃。

新加坡2018 年平均气温28℃，往年平均值为28.4℃，略偏低0.4℃，各月平均气温变化总体平稳。年极端最低气温1.7℃，出现在1 月；年极端最高气温36.7℃，出现在7 月。年内共记录到高温日（最高气温≥35℃）5 天，全部集中在7 月，记录到低温日（最低气温≤5℃）2 天，寒冷日（最低气温≤10℃）22 天。

年平均相对湿度为79%，比气候平均值（74%）偏高5 个百分点，天气湿润。

在发达国家，隧道在健康、文明、安全施工方面要求严格，管理也比较规范，盾构工作操作区域的温度不能超过28℃。因此盾构在消防、降温、应急逃生等设备配置齐全，人性化程度较高。为降低盾构施工区域温度，提高工作人员舒适性，从盾构本身配置制冷系统是十分必要的。

2 盾构通风系统配置

盾构采用洞外压入式通风，将洞外的新鲜空气输送到盾体及后配套区域，带走污浊空气，为工作人员提供新鲜空气，并带走隧道热量降低工作环境温度。盾构主要操作区域分布在设备桥和管片拼装位置，在设备桥位置需要管片卸载、管片转运以及钢轨铺设工作。

考虑到盾构整机设备布置情况，制冷系统一般放置在拖车尾部，与储风筒出口连接，将一次通风输送进来的热风进行冷却，再通过二次风机接力输送至盾构的工作区域管片拼装机和设备桥位置（图1）。

图1 盾构通风配置图

3 制冷系统的工作原理及配置

盾构本身配置有外循环水系统，需将内循环水产生热量的全部带走，盾构设计时，利用盾构配置的外水系统，要将外循环水的流量加大，置换制冷系统产生热量。

盾构的制冷系统热交换可以分为两个部分，第一部分是空冷器与制冷剂的热交换，第二部分是制冷机组与外循环水的热交换。

空冷器需将隧道外的热风冷却为冷风，此时制冷机组将水冷却，并通过冷冻水箱进行储存，冷冻水泵将冷水泵送到空冷器中，热风通过空冷器后变成冷风，同时冷水变成热水，流回制冷机组（图2）。

盾构制冷系统主要包括空冷器、制冷机组、冷冻水箱3 个部分。

3.1 空冷器

图2 制冷系统原理图

空气冷却器属于表面式空气冷却器，主要原理是进行热湿交换时，被冷却的空气通过冷却器的金属表面来进行交换的，不和冷却水接触，它具有使用方便、不妨碍隧道作业和不污染作业环境等优点而被广泛使用。

空冷器中有很多铜管路，管路内部为冷冻水，外部为通过的热空气，空气的流向与冷冻水的流向是互逆的。冷冻水在热交换时将携带的冷量逐渐传递给热的通风空气，将空气温度降低并通过风机输送到需要降温的地方。

3.2 制冷机组

制冷机组（图3）主要由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器等组成。通过管道连接形成一个闭式系统，制冷剂在通过不断地循环流动，与外界进行热量交换[4]。在制冷系统中蒸发器中的制冷剂带走水的热量，将冷量传给水使其成为冷冻水实现制冷，是输送冷量的设备。冷凝器是将制冷机组中制冷剂的产生的热量传递给外循环水带走，将外循环水的冷量传递给制冷机蒸汽。

图3 盾构制冷系统布置图

4 设计选型

4.1 通风量计算

通风系统设计时首先根据盾构布置情况确定风管直径，再计算二次通风风量及压差。新加坡T217盾构设计时按洞内工作区域最小允许风速计算。

式中Q3——最低风速要求的风量，m3/min；

s——隧道断面积，=0.25×3.14×5 5.82=26.4m2；

v1——允许最低风速，一般取0.5m/s。

风机实际风量

配置的二次风机为2×30kW 对旋风机，风量390～950m3/min，全压1 200～4 550Pa。

4.2 新风负荷量

新加坡盾构设计制冷系统时，取全年最恶劣平均工况室温：32℃，相对湿度82%。需要将洞内环境处理到28℃，相对湿度75%。

新风负荷计算公式可为

式中Δh——将室外空气温度32℃处理到室内温度28℃的焓差，K/kg；

ρ——空气密度，kg/m3；

G1——新风量，计算为48 878.4m3/h。

隧道初始风流为32℃，相对湿度为80%，查焓湿图和焓湿表可知焓值为96.084，冷却后温度为28℃，空气经处理后相对湿度为75%，焓值为74.003，如表1 所示。

表1 焓值

根据式(2) 可计算出新风负荷P1＝ΔhρG1=(96.084-74.003)×1.167/3600×48878.4=349.87kW。

4.3 盾构散热量

通风需要带走的热量有：电气热量q1的全部、液压热量q2的小部分、传动系统热量的q2小部分、碴土摩擦热的小部分（可忽略）、人员热量的全部。

盾构热量计算公式

式中qh——系统产生的热量，cal；

Np——系统功率；

ηc——系统效率；

A——热功当量，A=3 600kJ/kWh。

根据式(3)可对盾构各个部分的发热功率进行计算，其中变压器、主驱动、螺旋机、安装机、推进泵、空压机产生的热量绝大部分需靠冷却水带走，冷却水带走的热量占90%，其它则通过空气带走。具体计算结果如表2 所示。

表2 盾构功率分配及效率表

通风需带走的热量

4.4 人体散热量

式中q——在不同室温和劳动强度情况下成年男子的散热量，取102cal；

n——隧道内施工人数，60 人；

n′——群集系数，取1.0。

则P2=1.0×60×102=6.12kW。

4.5 荧光灯散热量

式中N1——盾构上内荧光灯装置功率，kW；

N2——盾构上镇流器消耗功率，一般为荧光灯功率的20%，kW；

n1——同时使用系数；

n2——盾构上灯具灯罩隔热系数，取0.6～0.8。

则P3=1×0.7×(10+10×0.2)=8.4kW。

4.6 制冷系统总热量

根据上述计算结果可以得出总共散热420.5kW。根据总制冷量420kW，即可根据样本选择制冷机组，型号为40STD-460WSI3，功率为456kW。

5 现场效果分析

目前出口新加坡盾构数量已达到20 台，现场使用温度计分别测试了T217A&T217B，储风筒、主控室门口、拼装机区域（风筒出口）和人仓门口4 个位置的温度进行测试（图4）。

图4 制冷系统布置图

其中：

T1：T217A 带制冷；

T2：T217A 无制冷；

T3：T217B 带制冷；

T4：T217B 无制冷。

测试时将制冷系统关闭，测量了各个区域的温度，如T2、T4，未配置制冷系统的温度比配置制冷系统要高3～8℃，制冷效果非常明显。主要工作区域满足低于28℃。在人员主要操作区域温度为28℃和25℃。但在非长时间工作区域储风筒、主控室门口、人舱门口处温度略微高于28℃。制冷系统基本满足环境要求。

为了更好地降低盾构的整体工作问题，对近2 年配置的制冷系统进行分析，其他区域温度略高的主要原因有：①由于盾构尺寸限制，一般情况下制冷机组放置在拖车底部，空冷器放置在拖车顶部，由于顶部空间位置狭小，因此对空冷器、制冷机组的尺寸要求较高，空间大小导致由于整机位置限制，空冷器过于靠后，距离工作区域较远，导致制冷效果较差（图5）；②设计计算为理论计算，虽然公式和计算结果都准确，但是根据统计新加坡2018 年5～8 月份的最高气温超过32℃大概占50%，在天气最炎热的季节制冷系统的制冷效果会降低，同时根据2 年的设计及施工经验，设计时需考虑安全系数；③整个盾构二次通风一直通向拼装区域，后配套部分通风必须通过通风返回后才可达到制冷效果，导致盾构尾部通风效果较差。

图5 制冷系统布置图

根据近2 年盾构制冷系统系统的应用效果，结合设计和使用经验，提出以下改进措施：①国内外制冷机组、空冷器的技术在提升，从而制冷机组及空冷器的尺寸可以优化减小，减少盾构的尺寸限制，对制冷系统优化布置，将空冷器位置放置二次风机前部，提高制冷效果（图6）；②根据经验建议计算时取安全系数为1.1；③整个二次风管布置多个小的通风口，使新鲜风能够到达后配套每节拖车，改善整个盾构的工作环境。

图6 空冷器位置示意图

6 结语

盾构制冷系统的效果明显，很大程度上改善了隧道施工环境。随着施工条件的改善，越来越多的施工单位已经向人性化施工发展。另外制冷系统的价格也在降低，盾构配置制冷系统是接下来的一个发展趋势。

目前国内外配置的通风制冷都是只降低了盾构主要操作区域的温度，制冷效果不如工作区域。为改善工人的整个工作环境提出了意见，最终达到降低整个盾构区域温度，提高工作舒适度的目的。