高溫濕熱環(huán)境對(duì)施工影響分析及降溫措施研究

羅忠

摘要：本文以廣州市地下綜合管廊盾構(gòu)隧道高溫高濕環(huán)境為例，分析其高溫高濕環(huán)境產(chǎn)生的原因，對(duì)施工作業(yè)影響以及降溫設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論依據(jù)、工作原理以及降溫效果;為以后盾構(gòu)法隧道施工高溫高濕問題提供了可靠的決策依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。研究結(jié)果表明：將降溫設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道，使連接橋與拼裝平臺(tái)的溫度平均下降8℃，降溫效果明顯，溫度降低減少水的蒸發(fā)量，降低空氣中含水量，降低相對(duì)濕度，大大改善了作業(yè)區(qū)域的工作環(huán)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.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;高溫濕熱環(huán)境;施工影響;降溫設(shè)備

Key words： shield tunnel;hot and humid environment;construction influence;cooling equipment

中圖分類號(hào)：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）26-0182-03

1? 工程概況

廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊支線沿科韻路平行于軌道交通十一號(hào)線員村—華景路段敷設(shè)，起于廣州員村熱電有限公司地塊內(nèi)，終止于棠下變電站，與主線分離，管廊支線全線共設(shè)四井三區(qū)間，支1、支2、支4井分別位于廢棄的員村熱電廠、科韻路周邊的綠化帶和農(nóng)地內(nèi);支3井位于緊鄰科韻路東側(cè)的棠安路。線路全長約3.1km，全部采用地下敷設(shè)方式，共設(shè)4座地面井，支線段平均井間距為0.98km。平面共設(shè)10條曲線，最小曲線半徑300m，縱向線路總體呈V坡，設(shè)7條曲線，最小半徑2000m，最大縱坡36‰，其地理位置圖見圖1。

2? 隧道高溫濕熱環(huán)境形成原因

2.1 夏季高溫影響

廣州市位于珠江三角洲北部，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，易受西太平洋副熱帶高壓脊和臺(tái)風(fēng)（熱帶氣旋）的影響，加之城市熱島效應(yīng)，易出現(xiàn)持續(xù)高溫現(xiàn)象。臺(tái)風(fēng)是一個(gè)低壓系統(tǒng)，其附近存在強(qiáng)烈的上升氣流區(qū)，中心外圍伴隨著一個(gè)下降氣流區(qū)，當(dāng)高空存在下降氣流，而地面空氣流動(dòng)不明顯，低層空氣被上層空氣壓縮，轉(zhuǎn)化形成熱量;強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)對(duì)外圍氣體有著吸附作用，造成一定范圍出現(xiàn)少云區(qū)，太陽光能直接照射地面，使其溫度升高。而隧道的通風(fēng)系統(tǒng)將外部空氣帶入，從而帶進(jìn)了一部分熱量使隧道內(nèi)溫度升高。

2.2 盾構(gòu)機(jī)高溫?zé)嵩?/p>

張杰分析了在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中熱量的變化，作業(yè)區(qū)域的熱量主要包括盾構(gòu)機(jī)電力系統(tǒng)工作產(chǎn)生的熱量、液壓系統(tǒng)工作產(chǎn)生的熱量、傳送帶運(yùn)輸渣土產(chǎn)生的熱量、盾構(gòu)刀盤切削巖層摩擦產(chǎn)生的熱量、泥水因抽水泵的攪拌形成的熱量、現(xiàn)場作業(yè)人員產(chǎn)生的熱量、通風(fēng)系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)從隧道外帶入的熱量。隧道內(nèi)主要熱源來自于依靠液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力不斷使刀盤與巖層接觸摩擦產(chǎn)生源源不斷的熱量，耗散的部分熱量迅速使作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度上升。

盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的絕大部分熱量雖然隨冷卻水循環(huán)系統(tǒng)被帶出隧道，但仍有一部分耗散在隧道內(nèi)。隧道內(nèi)清洗淤泥的水、排放于隧道的部分冷卻水構(gòu)成了濕熱源。在作業(yè)區(qū)域，由于其環(huán)境溫度明顯高于外界溫度，空氣流通較差，大量熱量難以及時(shí)排出，形成了濕熱的惡劣工作環(huán)境，影響工作人員的身體健康。

3? 高溫濕熱環(huán)境對(duì)施工作業(yè)影響

綜合管廊項(xiàng)目支1～支4區(qū)間采用中交天和Ф6250mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行推進(jìn)。在正常掘進(jìn)過程中，隧道內(nèi)溫度實(shí)測最高能達(dá)到38～40℃，相對(duì)濕度70%，之后的管片拼裝過程，溫度雖然有所降低，但濕度卻有所增加，到下一次掘進(jìn)以此循環(huán)。

3.1 高溫濕熱環(huán)境對(duì)施工人員安全的影響

為保障施工作業(yè)人員的身體健康，我國不同行業(yè)對(duì)于隧道內(nèi)施工環(huán)境溫度進(jìn)行了嚴(yán)格要求?！禛B 50446-2017盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)溫度不能超過32℃，《TB10204-2002鐵路隧道施工規(guī)范》規(guī)定隧道內(nèi)溫度不能超過28℃，《JTG-F60-2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》要求隧道內(nèi)環(huán)境溫度不宜超過28℃，《SL303-2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》要求洞室內(nèi)平均溫度不能超過28℃。

工程實(shí)踐表明隧道內(nèi)的高溫濕熱環(huán)境對(duì)于人體健康以及生命安全有重大影響。在高溫濕熱環(huán)境條件下，人往往會(huì)感覺悶熱、呼吸不暢，很容易產(chǎn)生暈厥、中暑甚至休克;在意識(shí)不清的情況下，容易產(chǎn)生對(duì)設(shè)備的誤操作，對(duì)安全隱患失去判斷力和警覺能力。

當(dāng)有效溫度升高時(shí)，人的意識(shí)判斷力將減退，當(dāng)有效溫度超過32℃時(shí)，作業(yè)者操作誤差開始增加，達(dá)到35℃左右時(shí)，誤差會(huì)增加4倍以上。而事故發(fā)生率與溫度有關(guān)，據(jù)研究，意外事故率最低的溫度為20℃左右;當(dāng)溫度高于28℃或降到10℃以下時(shí)，意外事故將增加30%。高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，極大地增加了施工的安全隱患。

3.2 高溫環(huán)境對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備故障率的影響

隧道內(nèi)的高溫環(huán)境將影響盾構(gòu)機(jī)的電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而影響施工效率。在綜合管廊項(xiàng)目盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度常常達(dá)到38℃，而盾構(gòu)刀盤溫度達(dá)到45～55℃，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱溫差小，散熱效率降低，易出現(xiàn)過熱情況，致使功率降低。由于隧道內(nèi)環(huán)境溫度較高，容易使機(jī)械機(jī)油溫度隨之升高、粘度降低，潤滑作用降低，從而使設(shè)備磨損量增大;高溫環(huán)境容易對(duì)盾構(gòu)機(jī)的液壓密封件造成老化，在高油壓作業(yè)情況下容易發(fā)生油管爆管或者漏油;長期高溫環(huán)境容易造成電機(jī)馬達(dá)等機(jī)電設(shè)備絕緣等級(jí)下降，線圈損壞，設(shè)備頻繁出現(xiàn)故障，減小機(jī)械設(shè)備的使用壽命[3]，同時(shí)影響施工進(jìn)度，降低施工效率。

3.3 高溫環(huán)境對(duì)施工人員工作效率的影響

高溫環(huán)境影響作業(yè)人員工作效率，人在27～32℃環(huán)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勞也將加速。當(dāng)溫度高達(dá)32℃以上時(shí)，需要注意力集中的工作及精密工作的效率也開始受影響。而腦力勞動(dòng)對(duì)溫度的反應(yīng)更敏感，當(dāng)有效溫度達(dá)到29.5℃時(shí)，腦力勞動(dòng)的效率開始降低，許多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)都表明：有效溫度越高，其持續(xù)作業(yè)時(shí)間也越短。

根據(jù)國際工業(yè)工程研究的有關(guān)數(shù)據(jù)表明：空氣溫度每超過標(biāo)準(zhǔn)溫度（26℃）1℃，生產(chǎn)效率將降低6～8%。因此，改善工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率是降低生產(chǎn)成本的重要因素之一。

4? 隧道降溫技術(shù)措施

為保障施工人員的健康安全，保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，提高施工生產(chǎn)效率，改善隧道施工環(huán)境已刻不容緩[8-10]，本文將降低生產(chǎn)成本的降溫系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用于廣州市綜合管廊盾構(gòu)隧道。

4.1 設(shè)計(jì)理論依據(jù)

主要根據(jù)熱力學(xué)平衡原理（能量守恒定律），使用降溫系統(tǒng)設(shè)備將隧道內(nèi)施工環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至28℃，從而計(jì)算出系統(tǒng)通風(fēng)量、制冷量，進(jìn)而確定空氣冷卻器尺寸和冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)通風(fēng)量計(jì)算：根據(jù)工作人員數(shù)量、電焊、瓦斯廢氣稀釋、內(nèi)燃廢氣、最小通風(fēng)量等要求，加之安全系數(shù)，以及利用現(xiàn)有的通風(fēng)設(shè)備功率。

系統(tǒng)制冷量計(jì)算：通風(fēng)制冷量=熱功率產(chǎn)熱+渣土攪動(dòng)摩擦產(chǎn)熱-外部循環(huán)水散熱-出渣散熱。

4.2 降溫設(shè)備組成

隧道盾構(gòu)施工降溫系統(tǒng)設(shè)備主要包括冷水機(jī)制冷系統(tǒng)、空氣器熱交換系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三部分。冷水機(jī)制冷系統(tǒng)安裝在盾構(gòu)機(jī)最后一節(jié)臺(tái)車，主要包括冷凝器、過濾器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī);冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是利用隧道原有的水循環(huán)系統(tǒng)（安裝在地表隧道進(jìn)口），主要包括冷卻塔、蓄水池和冷卻水循環(huán)泵箱;空氣冷水器熱交換系統(tǒng)是安裝在隧道風(fēng)管出風(fēng)口處，主要包括空冷器、冷卻水保溫水箱（盾構(gòu)機(jī)自身的水箱）以及冷卻水循環(huán)泵箱。

4.3 工藝原理

冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水經(jīng)空冷器對(duì)外部空氣冷卻降溫，升溫的冷凍水沿管道進(jìn)入蒸發(fā)器，低溫低壓狀態(tài)下氟利昂液體吸收熱量氣化使冷凍水降溫冷卻，變?yōu)榈蜏乩鋬鏊俅位氐娇绽淦?，以此循環(huán);而蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓狀態(tài)氟利昂氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣體，經(jīng)排氣管道進(jìn)入冷凝器與循環(huán)水進(jìn)行熱交換，對(duì)氟利昂冷卻，循環(huán)水經(jīng)管道回到冷卻塔，進(jìn)行外部冷卻。而氟利昂氣體凝結(jié)成高溫高壓液體經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓后吸入蒸發(fā)器變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)降溫冷卻效果，其安裝工藝流程圖見圖2。

4.4 成果分析

通過將降溫設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道中，為檢測降溫效果將測試盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程不同位置溫度（拼裝臺(tái)、連接橋、1號(hào)臺(tái)車、2號(hào)臺(tái)車、3號(hào)臺(tái)車、4號(hào)臺(tái)車、5號(hào)臺(tái)車、6號(hào)臺(tái)車、7號(hào)臺(tái)車），為避免推進(jìn)過程時(shí)溫度變化偶然性選擇用溫度計(jì)測量推進(jìn)1509-1512、1515-1517、1521-1523、1529、1533環(huán)時(shí)隧道不同作業(yè)區(qū)域位置溫度變化情況見圖3。結(jié)果表明：盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程，隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境平均溫度為33.4℃，已超過《GB50446-2017盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》中要求，嚴(yán)重影響施工人員的身體健康。

拼裝臺(tái)位置作為施工人員主要作業(yè)區(qū)域，其溫度變化情況直接關(guān)乎人員身體健康情況，因此將其溫度變化情況作為降溫效果評(píng)價(jià)指標(biāo)見圖4。通過降溫設(shè)備系統(tǒng)在盾構(gòu)隧道中應(yīng)用，連接橋與拼裝平臺(tái)的溫度維持在28℃左右，最低為25.5℃，平均下降8℃，降溫效果作用明顯，大大改善了作業(yè)區(qū)域環(huán)境，保障了施工人員和設(shè)備安全，達(dá)到了安全生產(chǎn)效果，為以后盾構(gòu)法施工隧道高溫問題提供了可靠的決策依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

5? 結(jié)論

本文對(duì)廣州市地下綜合管廊盾構(gòu)隧道高溫濕熱環(huán)境成因、對(duì)施工影響以及降溫措施進(jìn)行了研究，具體成果如下：

①廣州市地下綜合管廊盾構(gòu)隧道高溫濕熱環(huán)境主要原因是盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)時(shí)，依靠液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力不斷使刀盤與巖層摩擦產(chǎn)生源源不斷的熱量，迅速使作業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度上升。

②在高溫濕熱環(huán)境下，人往往會(huì)感覺悶熱、呼吸不暢，很容易產(chǎn)生暈厥、中暑甚至休克;在意識(shí)不清的情況下，容易產(chǎn)生對(duì)設(shè)備的誤操作;高溫環(huán)境易使工作效率降低，使用壽命減短。

③將降溫設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道，使連接橋與拼裝平臺(tái)的溫度平均下降8℃，降溫效果作用明顯，大大改善了作業(yè)區(qū)域環(huán)境，保障了施工人員和設(shè)備安全，達(dá)到了安全生產(chǎn)效果。

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