——广州市地下综合管廊盾构隧道
Analysis of the Influence of Hot and Humid Environment on Construction and Study of
Cooling Measures: Guangzhou Underground Comprehensive Tunnel Shield Tunnel
罗忠 LUO Zhong；占凡 ZHAN Fan；孔伟 KONG Wei
（中铁二局集团有限公司，成都 610032）
（China Railway Erju Group Corporation，Chengdu 610032，China）
摘要：本文以广州市地下综合管廊盾构隧道高温高湿环境为例，分析其高温高湿环境产生的原因，对施工作业影响以及降温设备系统的设计理论依据、工作原理以及降温效果；为以后盾构法隧道施工高温高湿问题提供了可靠的决策依据和技术指导。研究结果表明：将降温设备系统应用于盾构隧道，使连接桥与拼装平台的温度平均下降8℃，降温效果明显，温度降低减少水的蒸发量，降低空气中含水量，降低相对湿度，大大改善了作业区域的工作环境。
Abstract: Taking the shield tunnel of Guangzhou underground comprehensive pipeline gallery as an example, this paper analyses the causes of the high temperature and humidity environment, its influence on construction work and the design theoretical basis, principle and cooling effect of cooling equipment system, which provides reliable decision-making basis and technical guidance for the high temperature problem of shield tunnel in the future. The results show that: the cooling equipment system applied to the shield tunnel, the temperature of the connecting bridge and the assembled platform is reduced by 8°C. On average, the cooling effect is obvious. The lower temperature reduces the evaporation of water, the air moisture content and the relative humidity. So it enormously improves the environment of the working area.
关键词：盾构隧道；高温湿热环境；施工影响；降温设备
Key words: shield tunnel；hot and humid environment；construction influence；cooling equipment
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）26-0182-03
1 工程概况
广州市中心城区地下综合管廊支线沿科韵路平行于轨道交通十一号线员村—华景路段敷设，起于广州员村热电有限公司地块内，终止于棠下变电站，与主线分离，管廊支线全线共设四井三区间，支1、支2、支4井分别位于废弃的员村热电厂、科韵路周边的绿化带和农地内；支3井位于紧邻科韵路东侧的棠安路。线路全长约3.1km，全部采用地下敷设方式，共设4座地面井，支线段平均井间距为0.98km。平面共设10条曲线，最小曲线半径300m，纵向线路总体呈V坡，设7条曲线，最小半径2000m，最大纵坡36‰，其地理位置图见图1。
2 隧道高温湿热环境形成原因
2.1 夏季高温影响
广州市位于珠江三角洲北部，属海洋性亚热带季风气候，易受西太平洋副热带高压脊和台风（热带气旋）的影响，加之城市热岛效应，易出现持续高温现象。台风是一个低压系统，其附近存在强烈的上升气流区，中心外围伴随着一个下降气流区，当高空存在下降气流，而地面空气流动不明显，低层空气被上层空气压缩，转化形成热量；强烈的台风对外围气体有着吸附作用，造成一定范围出现少云区，太阳光能直接照射地面，使其温度升高。而隧道的通风系统将外部空气带入，从而带进了一部分热量使隧道内温度升高。
2.2 盾构机高温热源
张杰分析了在盾构机掘进过程中热量的变化，作业区域的热量主要包括盾构机电力系统工作产生的热量、液压系统工作产生的热量、传送带运输渣土产生的热量、盾构刀盘切削岩层摩擦产生的热量、泥水因抽水泵的搅拌形成的热量、现场作业人员产生的热量、通风系统和循环水系统从隧道外带入的热量。隧道内主要热源来自于依靠液压系统产生的动力不断使刀盘与岩层接触摩擦产生源源不断的热量，耗散的部分热量迅速使作业区域环境温度上升。
盾构机产生的绝大部分热量虽然随冷却水循环系统被带出隧道，但仍有一部分耗散在隧道内。隧道内清洗淤泥的水、排放于隧道的部分冷却水构成了湿热源。在作业区域，由于其环境温度明显高于外界温度，空气流通较差，大量热量难以及时排出，形成了湿热的恶劣工作环境，影响工作人员的身体健康。
3 高温湿热环境对施工作业影响
综合管廊项目支1~支4区间采用中交天和Ф6250mm土压平衡盾构机进行推进。在正常掘进过程中，隧道内温度实测最高能达到38~40℃，相对湿度70%，之后的管片拼装过程，温度虽然有所降低，但湿度却有所增加，到下一次掘进以此循环。
3.1 高温湿热环境对施工人员安全的影响
为保障施工作业人员的身体健康，我国不同行业对于隧道内施工环境温度进行了严格要求。《GB 50446-2017盾构法隧道施工及验收规范》规定隧道内温度不能超过32℃，《TB10204-2002铁路隧道施工规范》规定隧道内温度不能超过28℃，《JTG-F60-2009公路隧道施工技术规范》要求隧道内环境温度不宜超过28℃，《SL303-2004水利水电工程施工组织设计规范》要求洞室内平均温度不能超过28℃。
工程实践表明隧道内的高温湿热环境对于人体健康以及生命安全有重大影响。在高温湿热环境条件下，人往往会感觉闷热、呼吸不畅，很容易产生晕厥、中暑甚至休克；在意识不清的情况下，容易产生对设备的误操作，对安全隐患失去判断力和警觉能力。
当有效温度升高时，人的意识判断力将减退，当有效温度超过32℃时，作业者操作误差开始增加，达到35℃左右时，误差会增加4倍以上。而事故发生率与温度有关，据研究，意外事故率最低的温度为20℃左右；当温度高于28℃或降到10℃以下时，意外事故将增加30％。高温高湿环境下作业，极大地增加了施工的安全隐患。
3.2 高温环境对盾构机设备故障率的影响
隧道内的高温环境将影响盾构机的电力系统、液压系统、发动机、冷却系统的正常运行，从而影响施工效率。在综合管廊项目盾构隧道施工过程中，盾构作业区域环境温度常常达到38℃，而盾构刀盘温度达到45~55℃，使发动机冷却系统散热温差小，散热效率降低，易出现过热情况，致使功率降低。由于隧道内环境温度较高，容易使机械机油温度随之升高、粘度降低，润滑作用降低，从而使设备磨损量增大；高温环境容易对盾构机的液压密封件造成老化，在高油压作业情况下容易发生油管爆管或者漏油；长期高温环境容易造成电机马达等机电设备绝缘等级下降，线圈损坏，设备频繁出现故障，减小机械设备的使用寿命[3]，同时影响施工进度，降低施工效率。
3.3 高温环境对施工人员工作效率的影响
高温环境影响作业人员工作效率，人在27～32℃环境下工作，其肌肉用力的工作效率下降，并且促使用力工作的疲劳也将加速。当温度高达32℃以上时，需要注意力集中的工作及精密工作的效率也开始受影响。而脑力劳动对温度的反应更敏感，当有效温度达到29.5℃时，脑力劳动的效率开始降低，许多学者的实验都表明：有效温度越高，其持续作业时间也越短。
根据国际工业工程研究的有关数据表明：空气温度每超过标准温度（26℃）1℃，生产效率将降低6～8%。因此，改善工作环境，提高生产效率是降低生产成本的重要因素之一。
4 隧道降温技术措施
为保障施工人员的健康安全，保证机械设备的正常运行，提高施工生产效率，改善隧道施工环境已刻不容缓[8-10]，本文将降低生产成本的降温系统设备应用于广州市综合管廊盾构隧道。
4.1 设计理论依据
主要根据热力学平衡原理（能量守恒定律），使用降温系统设备将隧道内施工环境温度调节至28℃，从而计算出系统通风量、制冷量，进而确定空气冷却器尺寸和冷却塔标准。
系统通风量计算：根据工作人员数量、电焊、瓦斯废气稀释、内燃废气、最小通风量等要求，加之安全系数，以及利用现有的通风设备功率。
系统制冷量计算：通风制冷量=热功率产热+渣土搅动摩擦产热-外部循环水散热-出渣散热。
4.2 降温设备组成
隧道盾构施工降温系统设备主要包括冷水机制冷系统、空气器热交换系统和冷却水循环系统三部分。冷水机制冷系统安装在盾构机最后一节台车，主要包括冷凝器、过滤器、热力膨胀阀、蒸发器、压缩机；冷却水循环系统是利用隧道原有的水循环系统（安装在地表隧道进口），主要包括冷却塔、蓄水池和冷却水循环泵箱；空气冷水器热交换系统是安装在隧道风管出风口处，主要包括空冷器、冷却水保温水箱（盾构机自身的水箱）以及冷却水循环泵箱。
4.3 工艺原理
冷水机组产生的冷冻水经空冷器对外部空气冷却降温，升温的冷冻水沿管道进入蒸发器，低温低压状态下氟利昂液体吸收热量气化使冷冻水降温冷却，变为低温冷冻水再次回到空冷器，以此循环；而蒸发器内低温低压状态氟利昂气体经压缩机压缩为高温高压气体，经排气管道进入冷凝器与循环水进行热交换，对氟利昂冷却，循环水经管道回到冷却塔，进行外部冷却。而氟利昂气体凝结成高温高压液体经热力膨胀阀节流降压后吸入蒸发器变为低温低压液体，不断循环，实现降温冷却效果，其安装工艺流程图见图2。
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4.4 成果分析
通过将降温设备系统应用于盾构隧道中，为检测降温效果将测试盾构机掘进过程不同位置温度（拼装台、连接桥、1号台车、2号台车、3号台车、4号台车、5号台车、6号台车、7号台车），为避免推进过程时温度变化偶然性选择用温度计测量推进1509-1512、1515-1517、1521-1523、1529、1533环时隧道不同作业区域位置温度变化情况见图3。结果表明：盾构机掘进过程，隧道内作业环境平均温度为33.4℃，已超过《GB50446-2017盾构法隧道施工及验收规范》中要求，严重影响施工人员的身体健康。
拼装台位置作为施工人员主要作业区域，其温度变化情况直接关乎人员身体健康情况，因此将其温度变化情况作为降温效果评价指标见图4。通过降温设备系统在盾构隧道中应用，连接桥与拼装平台的温度维持在28℃左右，最低为25.5℃，平均下降8℃，降温效果作用明显，大大改善了作业区域环境，保障了施工人员和设备安全，达到了安全生产效果，为以后盾构法施工隧道高温问题提供了可靠的决策依据和技术指导。
5 结论
本文对广州市地下综合管廊盾构隧道高温湿热环境成因、对施工影响以及降温措施进行了研究，具体成果如下：
①广州市地下综合管廊盾构隧道高温湿热环境主要原因是盾构机在正常掘进时，依靠液压系统产生的动力不断使刀盘与岩层摩擦产生源源不断的热量，迅速使作业区域环境温度上升。
②在高温湿热环境下，人往往会感觉闷热、呼吸不畅，很容易产生晕厥、中暑甚至休克；在意识不清的情况下，容易产生对设备的误操作；高温环境易使工作效率降低，使用寿命减短。
③将降温设备系统应用于盾构隧道，使连接桥与拼装平台的温度平均下降8℃，降温效果作用明显，大大改善了作业区域环境，保障了施工人员和设备安全，达到了安全生产效果。
参考文献：
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