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摘要：目前盾构施工在地铁施工中得到广泛应用，地铁隧道施工环境、设施散热、风险防范等问题亟待解决。本文就地铁隧道盾构施工通风系统优化及应用进行了分析和探讨。
关键词：地铁隧道；盾构施工；通风系统；优化及应用
1盾构施工环境及优化目标
根据文献，在中国南方大部分城市，地铁隧道盾构施工过程中，工作面附近工作区温度往往达到40℃以上。在广州的一些小断面盾构施工区域，夏季环境温度甚至高达50℃，而环境的相对湿度可高达90%以上。通过通风管道压入工作区域的新风往往在35℃以上，远远达不到有效降低环境温度的目的。
根据《铁路隧道施工安全技术规程》（TB10304-2020）规定，盾构施工时，隧道内氧气含量按体积比不小于20%，温度不超过28℃，噪声不大于90dB。显然，目前的情况远远不能满足上述规定的要求，这对施工人员的健康和盾构掘进设备的性能有着不可忽视的影响。盾构掘进设备产生的热量是不可避免的，通风、冷却水和土丘带走的热量是有限的。因此，要降低施工区域的温度和湿度，必须考虑新的途径和方法。
由于前期项目综合考虑成本控制和实际效果，压入式通风方式是最合适的。进压通风是指风机安装在隧道外，风机直接将隧道外的新鲜空气通过通风管道压入工作面，使隧道内被污染的空气沿隧道流出。考虑到风管长度需要实时判断，而不是连续过程，故在盾构隧道上安装二次通风系统。送风量为10.5m3/s，可随时将新风压入工作面。为了保证盾构机的正常运行，无论主机是启动还是停止，供水系统都要从头到尾操作。要求盾构施工供水不小于50m3/h，水压为4~8bar，额定进口温度为28℃。
2通风方案设计与参数指标计算
2.1机理分析
为了改善工作区域的高湿高热环境，使盾构掘进机的工作环境满足要求，有必要在盾构机的二次通风系统中增加空调。空调的运行机制主要是逆卡诺循环，包括蒸发过程和冷凝过程。冷凝过程是通过外冷源降低制冷系统内制冷剂温度，从而提高制冷系统效率的过程。在盾构施工相对封闭的空间内，空调产生的热量会直接排到工作区，并不能真正提高工作区的温度和湿度。而且，高湿度、高热风会流经整个隧道，进一步恶化了隧道中部的工作环境。结合盾构机的现有条件，为了将空调系统与盾构机有机结合，需要将通风系统与供水系统结合起来，将蒸发器与盾构机的二次通风系统连接起来，先让进风通过热交换降低其温度，再让其进入施工区域。连接空调系统的冷凝器到供水系统的另一个功能是将冷凝器和空调系统产生的热量带出隧道。
2.2方案设计与优化
考虑到水路、线路、通风管道的具体情况，盾构机的所有位置都在主要工作区，整个环境温度应是空调的影响范围。因此，参考中央空调的机型，采用工业水冷主机和冷水箱，首先，通过冷凝翅片进行换热，将水温降低到5℃。然后水由冷水循环泵送至二次风机出口处的蒸发器，在低温水与高温空气之间进行热交换。最后将冷却后的空气通过送风管送至出风口，达到冷却的目的。要对冷凝器进行冷却，有必要将水冷主机的冷凝器连接到盾构机水系统的回水管上进行热交换。根据文献，在盾构机工业水循环系统的设计中，带冷凝器的热交换水的温度为35℃左右。根据有关规定，冷凝器的进出口水温为32℃（进水）和37℃（出水），这是最合适的，显然进水温度略高于规定值。为了解决这个问题，通过安装回水增压泵来提高冷凝器的换热效率。通风方案的设计原理如图1所示。
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图1通风方案设计原理
2.3工作区域冷负荷计算
盾构机布局图如图2所示。从图2可以看出，屏蔽区存在热源。为了使工作区基本达到舒适的条件，避免高温高湿，有必要对冷负荷进行计算，并进行空调的选型和管道布置。屏蔽区热源主要来自四个模块：电气、液压、传动、润滑，具体表现为机电设备正常运行时盾构、刀盘所产生的热量在开挖工程中的约束作用以及泥浆泵搅拌所产生的摩擦和热量，施工人员在正常操作过程中，外界空气所产生的热量延迟了隧道、隧道进入施工区域所产生的热量等。以上大部分热量可以通过冷却水系统和盾构渣滓带走，但部分渣滓在输送过程中会在隧道中流失。在空调系统布局设计中，主要考虑的是工作平台、设备桥架和拖车上的机电设备所产生的热量。以目前在城市地铁施工中的主流盾构——6.3m直径土压平衡盾构为样本，对所需的冷负荷进行计算。
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图2盾构机布置简图
化零为整，制冷量需不少于106kW，才能使隧道工作面温度与送风温度持平，考虑《铁路隧道工程施工安全技术规程（TB10304-2020）》中气温不应超过28℃的规定，以及渣土在输送过程中表面散失的热量和极端空气条件下的降温能力，选用空调机的制冷能力应大于计算制冷功率并采用变频调节功率。
2.4冷冻水箱参数指标计算
在工业水冷系统中，冷冻水箱的作用主要是装载冷却水，其目的是排气散热、保持恒温、快速补水等。冷却水箱内的蓄冷量必须要满足冷水机在卸载状态下启动，到待机状态，再到加载到满载这段时间内，供冷水机组（即整个空调管路）的循环水量。冷冻水的水温不能超过允许的最高温度。
3通风系统布置
根据盾构机的布局和空间结构，在距盾构机二次通风系统主机较近且具备安装条件的4号台车加装工业水冷主机及冷水箱，通风系统在盾构上的布置如图3所示。
利用水冷空调主机对冷水箱中的冷水进行降温，通过水泵将冷却后的冷水泵送至在二次通风管道内设计加装的蒸发器，使风机输送的新鲜空气经蒸发器完成热交换，并将降温后的冷空气送至掌子面附近工作区域，同时连接盾构机外循环水系统将水冷空调主机工作产生的热量带出隧道。
为保证蒸发器表面效率和空气洁净度，在二次风机进风口加入可以反复使用的尼龙材质0.2mm网格风管过滤器。制冷机组根据盾构空间位置量身定制，安装方便，采用环保冷媒，压缩机具有高压缩比，能够实现变频控制，可根据季节或特殊要求对通风温度进行自动调节，确保出风口温度恒定。为水冷空调冷却水提供足够的背压，保证盾构机土仓等对水流水压的需求。在隧道外的回水管路上安装回水增压泵。
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图3通风系统在盾构上的布置
结束语
（1）本文针对盾构施工环境对地铁隧道通风系统进行了优化设计。通过工程实际测试，结果表明，该方法可以很好地实现盾构工区的冷却，改善施工环境。这是一个值得学习的模式和方法。
（2）目前，在盾构机选型方面，只配置了一种型号的盾构机，并进行了测试和取样。后续的设计需要适应更多类型的盾构机，使通风系统能够得到更广泛的应用。
（3）目前空调主机需要安装在配套拖车的后方。但是，由于各个建设项目的拖车安装设备并不完全一致，未来需要对主机的尺寸进行优化，使其更具适应性。
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