隧道施工过程高温环境机械降温技术研究

中冶建工集团有限公司 重庆 400084

随 着我国交通基础设施的持续建设，隧道及隧道群的占比日益增加，隧道内的机电设备和行车密度越来越大，并且高温岩的施工区域越来越多，这些因素都会产生大量的热量，导致隧道内环境温度随之升高，若无有效的降温措施，隧道内环境温度将会越来越高[1-2]。隧道高地温区域一般发生在地温梯度和围岩温度异常的区域，在隧道施工过程中常常伴随围岩高温、高温热水等矿山热害。一般地，将掘进工作面环境干球温度高于 28 ℃ 的区域定义为高温区域。隧道施工过程中出现高温热害问题，将会恶化作业人员的工作环境，降低劳动效率，且严重威胁到作业人员的生命安全，还将会影响工作面施工机械的性能，导致设备使用寿命缩短、可靠性降低[3-4]。因此，需要对高温热害环境采取措施进行降温处理。根据调查，夏季室外气温为 32～33 ℃，隧道硐室出口温度为 42～43 ℃，平均温升为 10 ℃[5]。

1 隧道降温负荷的计算

目前尚无针对隧道热害问题的专门技术规范或者规定，隧道高温环境与矿井类似。因此，可以参照矿井热害相关计算方法。

矿井降温所需制冷量[6]

式中：K为补偿系数，一般取 1.2～ 1.5；∑Qcj为采掘工作面需冷量，kW；∑Qlz为系统的冷损失量，kW；G为采掘工作面配风量，kg/s；i1为降温前采掘工作面风流焓值，kJ/kg；i2为降温后采掘工作面风流焓值，kJ/kg。

MT/T 1136—2011《矿井降温技术规范》规定了矿井降温系统冷量损失不得超过 20%。因此，最大冷量损失可取制冷量的 20%。根据隧道工作面通风量及配套设备的相关参数，可以确定所需的降温负荷。

2 机械降温系统

机械降温系统如图 1 所示，主要由制冷机组、蒸发器、回冷器、冷却水泵、冷冻水泵、空冷器以及相关管件组成。配套设备还包括水处理设备、补水系统等。

图1 机械降温系统构成Fig.1 Composition of mechanical cooling system

机械降温系统的主要优点是可以将制冷机组安装在最合适的地点，然后将制取的冷冻水输送到较远的需冷地点，通过空冷器获得低温的空气。随着掘进工作的推进，只需要延伸冷冻水输送管道即可保持空冷器与工作面之间的合理距离，确保工作面风流温度处于合理区间。

短距离机械降温系统布置如图 2 所示。该系统设备较少，简单可靠，冷却塔布置在隧道硐室外部通风条件好的区域，各个部件通过管道连接。制冷机组产生的冷冻水通过管道输送至隧道工作面附近，进入该处的空冷器将流经空冷器的风流降温，从而实现了对工作面环境温度的控制。

图2 短距离机械降温系统布置Fig.2 Layout of short-distance mechanical cooling system

随着隧道掘进工作的推进，冷冻水的输送距离越来越远，当冷冻水输送距离超过一定值时，冷冻水经过长距离输送将会导致温升过高，且随着冷冻水输送的保温管道越来越长，投资费用也将更高，无法满足末端空冷器降温需求。此时，出现经济和技术方面均无法承受的情况，因此需要将制冷机组布置于隧道之内。长距离机械降温系统布置如图 3 所示。制冷机组及其附属设备设计为撬块形式，可以安装在平板车上，以便于在隧道内移动。针对可能出现瓦斯的隧道现场，制冷机组及其附属设备需要采用防爆技术，保温管道须具有绝缘抗静电功能。为了保证施工过程中的安全，制冷机组、水泵及其供配电设施均需要满足GB 3836 标准的相关要求。

图3 长距离输送冷冻水时制冷系统Fig.3 Layout of long-distance mechanical cooling system

3 制冷机组

制冷机组如图 4 所示，主要由制冷压缩机、换热器、控制系统以及相关的配套设备组成。制冷机组通过蒸发器与冷冻水直接换热，获得低温的冷冻水。制冷机组产生的冷凝热量通过冷却水在排热设备 (回冷器) 中排走，冷却水循环减少的水量由水处理设备软化后的水进行补充。

为了适应隧道施工的技术要求，制冷机组必须具有足够的制冷量且尺寸尽量紧凑，组装移动方便。

根据隧道通风量统计分析，800 m3/min 风量的降温装置具有典型的适应能力，可以满足绝大部分隧道施工的降温需求。冷负荷计算如下。

图4 制冷机组Fig.4 Refrigeration unit

掘进工作面的配风量G＝16.27 kg/s，进风设计温度取 33 ℃，相对湿度取 65%，掘进工作面降温前进风流的焓值i1＝83.4 kJ/kg，工作面设计温度为 26℃，相对湿度为 100%，掘进工作面降温后要求的进风流的焓值i2＝65.4 kJ/kg。掘进工作面基本冷负荷

式中：ΔQ1为围岩散热，kW；Kτ为围岩的不稳定换热系数，W/(m2·℃)；U为巷道周长，m；L为工作面长度，km；Δt为降温前后巷道风流的平均温差，℃。

式中：ΔQ2为机电设备散热，kW；η为机电设备散热增加比例系数，η＝0.1；N为机电设备功率，取N=1 100 kW。则总制冷量

设计制冷机组的制冷量为 600 kW，制冷压缩机采用半封闭螺杆压缩机，电源为 380/660 V，50 Hz；冷凝器内部换热管采用高翅片管，设计承压 4 MPa，换热量大于 760 kW；空冷器换热管采用紫铜管，且设有喷淋冲洗装置，能够保证换热铜管表面洁净，额定换热量为 600 kW，处理风量为 850 m3/min；回冷器处理风量为 880 m3/min，压降小于 1 kPa。

设备最大不可拆件外形尺寸要求小于 4 600 mm×1 300 mm×1 500 mm，撬块式组合方式，要求能够安装在平板车上，便于移动与运输。

4 降温效果分析

分别对酉阳龙潭镇 1 号隧道 900 m 处巷道掘进工作面和 1300 处巷道掘进工作面进行降温效果测试，保温风筒输送距离均采用 300 m。酉阳龙潭镇 1 号隧道工作面温度测点布置如图 5 所示。1 号测点距离工作面 50 m，2 号测点设置于工作面上，3 号测点距离工作面 50 m，4 号测点距离 3 号测点 100 m，5 号测点距离 4 号测点 100 m。降温前后工作面的风流参数对比如表 1 所列。

图5 酉阳龙潭镇 1 号隧道工作面温度测点布置Fig.5 Temperature testing points on work face in No.1 tunnel of Youyang Longtan

表1 降温前后工作面风流参数对比Tab.1 Contrast of thermodynamic parameters of air flow on work face before and after cooling down

经过现场实际运行测试，该机械降温系统性能稳定，达到了各项指标要求。风筒输送距离 300 m 时，距工作面 150 m 区域内干球温度平均降低 8.6 ℃，最高降幅 9.3 ℃，相对湿度平均降幅 10%，极大地改善了掘进工作面的工作环境。

4 结语

隧道施工过程中通过机械降温，可以有效地改善工作面的高温作业环境。试验结果表明，采用机械降温后，降温幅度最大达到 9.3 ℃，湿度下降 10%，降温效果良好。随着掘进工作的推进，需要将空冷器及时跟随迁移，避免由于空冷器距离工作面太远而出现降温效果不明显的情况。机电设备长时间在高温环境下运行，会导致故障增多、安全性降低。采用机械降温措施后，可以保障机电设备安全运行，降低事故率。