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高寒地区隧道施工中通风洞内供暖施工方法探析

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：姚志军

[导读] 摘要：在高海拔、高寒地区修建铁路及公路隧道，低气温造成的施工影响大，隧道内环境温度直接影响到混凝土圬工质量，造成施工进度缓慢，施工人员洞内工作环境恶劣，如何克服高寒地区低温造成的影响，提高洞内圬工施工质量，提高施工进度，改善施工人员洞内工作环境，是重中之重要做的事。

        中铁一局集团第四工程有限公司 712000
        摘要：在高海拔、高寒地区修建铁路及公路隧道，低气温造成的施工影响大，隧道内环境温度直接影响到混凝土圬工质量，造成施工进度缓慢，施工人员洞内工作环境恶劣，如何克服高寒地区低温造成的影响，提高洞内圬工施工质量，提高施工进度，改善施工人员洞内工作环境，是重中之重要做的事。本文是修建高海拔高寒地区山岭隧道时，通过对通风系统的改良，解决因低温造成的施工困难，克服高寒低温对施工的影响，是通过修建317国道雀儿山隧道，施工实践和不断调整优化总结而形成的一套较完整完善的施工工艺.该工艺对高原、高海拔、高寒地区铁路及公路建设施工中圬工防寒保温、提高施工进度，改善施工环境，确保工程质量、安全施工、快速整体推进施工有着积极的意义。
        关键词：高海拔高原地区；隧道施工；防寒保暖；高压机
        1特点
        1.1借助隧道施工空压机房所产生的热能，在成熟的隧道通风技术基础上，结合高原高寒地区铁路及公路建设工程特点，完善隧道内防寒保温技术。
        1.2采用隧道通风的成熟技术，科学利用空压机房产生的热能，对铁路及公路隧道建设中隧道洞内因低温易遭受冻害影响进行有效的环境升温。
        1.3通过现场施工过程中隧道内的数据统计，调查研究，探明高原高寒地区温度变化及规律、隧道内环境温度形成及变化对隧道内圬工及施工进度的影响，据以优化、调整施工工艺，将隧道冬季施工或低温环境的通风升温工作综合完善。
        2 原理
        空压机作为隧道施工不可缺少的设备，每年消耗大量的电能，并产生大量的热量排放到大自然中，不但造成环境的严重污染，而且还浪费能源。如何合理有效的利用这些能源，是节能减排的重中之重，可为企业创造良好的收益，也为保护环境尽一份力。高原高寒地区隧道施工阶段通风升温施工工艺，依据隧道通风技术，及空压机房热能利用施工原理，在隧道现场临建施工时，合理布置风机进风口及空压机房位置，利用空压机房所产生的热能，通过风机通风将热能带入隧道，达到通风升温提高隧道内环境温度的效果。面对我国目前铁路及公路建设逐步向边远地区，特别是向高原高寒地区迈进，未来高寒地区建设中隧道内防寒保温、改善隧道内施工环境、提高工程耐久性是施工技术发展的重要方向，是高寒地区隧道施工需要解决的重要问题。
        3 施工操作要点
        （1）隧道空压机房临建
        隧道供风空压机房临建建设，首先选择适宜的安装场所是正确使用空压机系统的先决条件，要确保日后的维修方便，避免因环境的不理想导致空压机的非正常运转。
        1）空压机房要求采光良好，具有足够的照明，以利操作及维修。
        2）空压机房要求相对湿度小、无腐蚀，无金属屑，灰尘小，空气清洁且通风良好。如环境较差，灰尘多，应加装通风导管，将进气端引向空气比较干净的地方。
        3）空压机房净空要满足，空压机周围保留足以让零部件进出的空间，周边净空1.5m以上，距离房顶净空2m以上。
        4）空压机房内，常规施工必须设置抽风机，尽量使热交换后的气体排出室外，由于本工法要利用空压机房热能的原因，抽风机只是用于房内温控，房内热交换空气主要有隧道通风风机输入洞内，空压机房均设计为可关闭门窗，以便保留热能。
        5）空压机房内，常规如环境温度过高（40℃），需要采取降温措施，由于本工艺要利用空压机房热能的原因，可采用升温措施，如温度较高可通过降温措施，以避免不必要的高温停机。如环境温度较低（小于0℃），开机时须要防止润滑油凝结。
        （2）隧道空压机房进出风布置
        通常隧道空压机房，由于空压机工作产生热能，需要尽量使热交换后的气体排出室外，室内环境温度过高（大于40℃）需要考虑降温问题，雀儿山项目使用的艾唯特SG-132/8型螺杆空压机，排气报警温度为105℃，，当实际排气温度高于110℃时报警停机。由于本工法要利用空压机房热能的原因，大量热能通过通风风机输入洞内，需要考虑的是隧道通风时及时输入空压机房新鲜冷空气，这就需要在空压机房设置换气扇及时供应空压机房新鲜冷空气。
        （3）隧道空压机房通风温度控制
        由于要利用空压机房热能的特殊原因，在不同施工工序安排时，空压机房内环境温度随之变化。具体有以下三种形式。
        1）隧道通风与供风情况下：空压机房需要保温及时供给新鲜空气，关闭门窗开启换气扇吸入新鲜空气。
        2）隧道通风不供风情况下：空压机房需要释放温度及时供给新鲜空气，开启门窗，开启换气扇吸入新鲜空气。
        3）隧道供风不通风情况下：空压机房需要释放温度及时供给新鲜空气，开启门窗，开启换气扇吸入新鲜空气。
        以上三种情况可以看出，第一种情况下可以利用空压机房热能，第二、三种情况下无法利用，仍需换气扇吸入新鲜空气室内降温。立架喷砼须要通风供风属于第一种情况，爆破出渣须要通风不供风属于第二种情况，打钻装药须要供风不通风属于第三种情况。施工时及时调整，利用热能的同时控制空压机房室内温度。
        （4）空压机房热能计算
        雀儿山隧道供风选用艾唯特SG-132/8型螺杆空压机，空压机房共计配置132kw空压机8台，7台使用1台备用。
        空压机压缩空气的过程实际就是将电能转换成势能和热能及机械能的过程，真正在运行过程中用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占很小一部分，约20%，80％以上的电能被转换了热能，这些温度高达80－100度的热被机器本身的传热部件所带走，另一部分热被风机散发到了空气中。所以我们通常可以见到空压机及空压机房都有大功率风机在工作，排出的是炽热的风，空压机正常运行时环境温度需要控制在40℃以下。以雀儿山隧道项目为例进行热能计算。
        高原地区由于气压低，造成空压机有效功率仅为81%，以空压机有效功率90%电能转化为热能，热能回收率93%计算热能回收总功率：
        7台空压机有效总功率：132×7×0.81=748.44kw/H（一台备用）
        电能转化热能总功率：748.44×0.9=673.6 kw/H
        热能回收总功率：673.6×0.93=626.5 kw/H（每小时可利用热能）
        其中：热能回收总功率62%即388.43 kw/H被用于生产热水隧道外供暖。
        热能回收总功率38%即238.07 kw/H被用于生产热风隧道内供暖。
        （5）洞内环境升温计算
        通过空压机房热能利用对隧道通风升温，达到隧道内环境温度的提升，具体环境温度升温要根据隧道通风形式，通风机功率，隧道有效截面等进行计算。
        例如：雀儿山隧道正洞有效净空面积100m2，洞外极限温度-20℃，洞内极限温度-10℃，隧道内掌子面至衬砌施工区后方200m，温度保证区域长度300m，计算洞内温度保证区域温度达到+20℃时所需要的热量。
        按体积耗热指标法计算隧道内温度保证区域耗热量：
        Q=q1×V×K×（tn-tw）
        温度保证区域升温空间体积（m3）：V=100×300=30000m3
        隧道内温度保证区域体积耗热量指标（W/m3×K）：q1=0.4W/m3×K
                      建筑物采暖体积耗热指标q1值

        注：如车间保温较好或有其他热源时，q1值可相应减小
        （温差为1℃时，每1m3空间体积的耗热量，见下表q1值，参表取用建筑物体积50000--100000，q1值取0.4，考虑到隧道为封闭空间保温极好，计算q1值取0.2）
        隧道内需要升温与升温前温度差（℃）：t=（tn-tw）=（+20℃--10℃）=30℃
        隧道内空气密度（gm-3）：K=0.629gm-3
        （空气的密度大小与气温，海拔等因素有关，海拔越高密度越低，我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1.293kg/m3，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3。雀儿山隧道海拔4230—4330m，取平均4300m内插计算，得相对空气密度0.629gm-3，见下表）
                      空气密度与海拔高度的关系

        隧道内耗热量（W）：
        Q=q1×V×K×（tn-tw）=0.2×30000×0.629×（+20℃--10℃）=113220W
        （计算求得：每立方空气升高1℃需要0.1258W耗热量）
        隧道内温度保证区域300m从-10℃升温到+20℃，需要的每小时耗热量为：113220W/H≈113.22KW/H。
        通过上述计算结果可知隧道内温度保证区域300m段，洞内升温113.22KW/H功率可以保证区域温度环境达到+20℃，但由于升温设施占用空间影响洞内施工，加之隧道通风供入洞外冷风造成环境温度下降，升温效果不均匀，所以洞内升温设施方案不能满足施工环境要求。
        （6）洞内通风利用空压机房热能升温计算
        雀儿山隧道主洞通风机使用SDZ-12.5型，平导采用SDZ-NO10型双速高效风机：

        根据上表可以得到：正洞通风机每分钟通风量2400m3，效率81%可知每分钟通风量1944m3，每小时供风量为1944×60=116640m3，空压机房进风温度为-10℃，计算洞内利用空压机房热能通风，洞内环境温度变化。
        根据以上计算所知空压机房热能回收总功率：
        238.07 kw/H（每小时可利用热能）
        每小时供风量为：116640m3
        每立方通风利用热能：238070/116640=2.041w
        每立方空气升高1℃需要耗热量：0.2×1×0.629×1=0.1258W/ m3
        经利用空压机房热能通风提高温度：2.041/0.1258=16.23℃
        每小时通风洞内暖风区域：116640/100=1166.4m
        结论：经利用空压机房热能提高通风温度，每小时通风116640 m3，在空压机房进风温度基础上升温16.23℃。
        通过上述计算结果可知隧道内环境温度，通过空压机房热能利用，可大幅度提高洞内环境温度，具有供暖速度快，升温效果均匀，利用能源节能减排，不占用施工空间影响洞内施工，供暖控制机动灵便的特点，所以利用空压机房热能通风升温方案可以满足施工环境要求。
        （7）通风升温施工操作控制
        通过以上三节计算，可知隧道空压机房每小时可利用热能238.07 kw，每小时通风116640m3，在空压机房进风温度基础上升温16.23℃，可提高掌子面后退1166m范围内环境温度。根据隧道内温度保证区域300m计算，每分钟通风升温供暖空间19.5m，每次升温通风16～20min就可满足隧道内温度保证区域环境升温16.23℃。具体施工时，合理调整通风时间，可在爆破通风排烟后期，喷射混凝土施工时，进行升温通风，施工过程中根据洞内温度情况，通过通风升温调整洞内环境温度。
        （8）检查维修保养
        空压机房热能利用，结合通风提高洞内环境温度，在施工使用过程中应定期检查、维修、保养，检查供电电路系统是否正常，绝缘保护装置是否完好，是否正常工作，确保安全正常使用。由于部分时间只是需要供风，而不需要通风，所以要做好空压机房的通风降温工作，以便空压机房温度保持在40℃以内，确保空压机正常运转。
        4质量控制及安全措施
        贯彻落实保证质量，加工安装运行通过层层落实，达到设计质量控制目标。重点加强加工安装运行期间管理及作业人员质量教育，通过技术交底、质量会议提高管理及作业人员质量责任意识，加强现场质量控制。
        认真研究供风及通风设计及相关资料，正确分析工程所在地洞口环境温度和洞内环境温度，充分考虑洞内施工环境温度效果，有的放矢的组织施工。细致认真的分析理论及施工不同点，要坚持严格、正确、安全的进行通风升温，确保隧道内环境温度，提高工程质量。
        必须对全员职工定期进行技术安全教育，特殊工种须经有关部门专业培训，考核发证后方可上岗，结合工程任务做好安全技术交底，配备安全防护用品。操作人员，必须经过专业培训。加强空压机房设备保养和维修，交班时要检查运行记录。电气安全管理，应对设备供电线路进行日常检查，防止断线造成触电事故。
        5 效益分析
        随着我国目前铁路及公路等基础建设，逐步向边远地区，特别是向高原高寒地区迈进，未来高寒地区建设中圬工在低温环境下防寒保温、提高圬工耐久性是施工技术发展的重要方向：通过不断的采用“新工艺、新材料、新技术、新设备”综合完善隧道施工升温及保温技术，提高在建及已建工程防寒能力、提高圬工耐久性、延长工程寿命，优化施工环境。合理利用资源减少能源浪费，算笔小账，雀儿山隧道施工中通常每循环打钻3小时，喷射混凝土5小时，每天两个循环供风16小时，期间通风时间12小时，每小时节约利用热能238.07 kw，每天利用2857 kw，以用电每千瓦时0.8元计算，每天利用节约2286元，每年中半年的利用升温可节约41.72万，投入配套风机及导风槽费用15万元，雀儿山项目4年5个冬季可节约194万元。
        本工艺具有提高施工速度、污染小、升温及保温效果好的特点，通过计算分析比选合理确定施工方案，确保了该方案在技术上先进、经济上合理、施工上可行，对隧道喷射混凝土施工循环、衬砌台车周转循环时间、工人施工环境均有大幅提高的同时，保证了隧道工程质量。该方案的广泛实施将取得较大的社会效益。