CN112253214A - 一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法 - Google Patents

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CN112253214A CN202011164908.8A CN202011164908A CN112253214A CN 112253214 A CN112253214 A CN 112253214A CN 202011164908 A CN202011164908 A CN 202011164908A CN 112253214 A CN112253214 A CN 112253214A
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Abstract

本发明提供一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法，包括：送风系统，向盾构隧道内部输送外部空气；二级送风系统，对送风系统输送至盾构隧道内部的空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道施工最前端；控制系统，用于控制二次送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度及操作端风速的调节，以保证盾构施工环境的舒适；抽风系统，对盾构隧道内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至盾构隧道的外部。本发明结合了压入式和抽出式通风，同时考虑了降温和除尘效果，有效解决盾构隧道内部的通风和降温难题，避免隧道内因排气不畅、温度过高造成盾构掘进缓慢，从而改进了现有的通风方式，改善施工环境。

Description

一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道工程施工领域，具体地，涉及一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法。
背景技术
随着国民经济的发展，隧道建设进程的加快，盾构法因其经济高效得到了广泛使用。在盾构隧道施工过程中，施工作业会产生大量的热量，加之隧道空间狭小且流通性差，形成了恶劣的湿热施工环境，对施工人员的身体健康和工作效率产生了严重不良影响。所以，需采取相应的措施来解决隧道通风和降温问题，保证盾构的经济、安全和高效施工。
通风效果是否良好是保证盾构隧道施工进度和提高施工效率的重要因素。张晓平等人在2018年全国工程地质学术年会上发表的《苏通GIL综合管廊工程大直径、长距离盾构施工隧道通风方案研究》一文中通过对苏通GIL综合管廊过江隧道通风情况进行研究和分析，指出我国在单线、长大隧道施工的通风方面经验较为不足，有效通风仍面临着严峻的挑战；早在2003年，王梦恕院士就于《铁道标准设计》发表的《中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家》一文中强调今后隧道修建过程中应重视减少在隧道通风工作投入的问题。因此，有必要为了保证盾构隧道施工的经济性、实用性、安全性、环保和方便管理，提出一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统及其施工方法。
目前，在对盾构隧道进行通风降温的相关技术中，广泛采用压入式通风法，即采用风机通过风管将隧道外新鲜空气压入，然而该方法并未将盾构施工作业产生的热量降低，且隧道内污浊空气在流出过程中会加剧污染中部工作环境。同时，为改善作业区的湿度和温度，部分施工现场采用空调系统进行降温，但空调产生的热量也会直接排放到隧道内部，压入式通风也无法有效地将湿热空气排出。此外，部分施工现场采用冰块降温法，即在作业面附近放置冰块，然而该方法需人工不断添加冰块，且冰块融化所产生的水雾可能会影响隧道内用电设备的安全使用，严重影响盾构的正常施工。
经对现有技术文献检索发现，公开号为CN111075495A的中国专利公开了一种盾构机二次通风冷却的空气冷却装置及其工作方法，采用二次通风冷却器和压缩冷凝机组进行降温，然而压缩冷凝机组为多台配置有单独制冷循环系统的压缩机并联，使得该套设备体积较大，结构复杂，性价比较低，且无法实现较高的通风率。再有公开号为CN209724398U的中国专利公开了一种半导体制冷的隧道通风系统，该系统将风机和制冷器置于隧道洞口，风管贯通整条隧道，然而该系统对风机功率要求高，且能耗较高，隧道内部通风效率较低。
因此，急需提出一种结构简单且节能高效的盾构隧道施工操作段循环通风降温实用型系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法。
本发明第一个方面提供一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，包括：
送风系统，向盾构隧道内部输送外部空气，为盾构隧道实现一次送风；
二级送风系统，对所述送风系统输送至盾构隧道内部的空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道施工最前端；
控制系统，用于控制所述二级送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度及操作端风速的调节，以保证盾构施工环境的舒适；
抽风系统，对盾构隧道内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至盾构隧道的外部。
优选地，所述送风系统包括：
主风机，所述主风机设置于盾构隧道洞口，向所述盾构隧道内部提供外部空气；
主风管，所述主风管设置于隧道管片顶端，所述主风管的一端与所述主风机的出风口连接，所述主风管的另一端延伸至靠近隧道洞口的台车尾部处热源区域的附近，能将外部空气引流到所述盾构隧道内部。
优选地，所述二级送风系统包括：
二级风机，所述二级风机设置于靠近隧道洞口的台车尾部，所述二级风机为加压风机，所述加压风机能对空气进行加压并加快空气的流速；
二级风管，所述二级风管设置于隧道管片顶端，所述二级风管的一端与所述二级风机的出风口采用柔性连接，所述二级风管的另一端延伸至靠近盾尾的台车与盾尾交界处，能将空气引流到隧道施工最前端掌子面处；
制冷器，所述制冷器设置于所述二级风机和所述二级风管的连接部位，用于对所述二级送风系统输出的空气进行降温；所述制冷器采用半导体制冷器，所述半导体制冷器包括多个半导体制冷片，且多个半导体制冷片均匀布置于所述二级风机的风叶前方。
优选地，所述控制系统包括：
温度传感器，所述温度传感器设置于所述二级风管的出风口端外侧，用于采集所述二级风管输出的空气温度；
风速传感器，所述风速传感器设置于靠近盾尾的台车上，用于测量所述二级送风系统向盾构隧道施工最前端输入空气后的操作段的风速；
控制箱，所述控制箱的输入端与所述温度传感器、所述风速传感器的输出端连接，所述控制箱的输出端与所述二级风机、所述制冷器连接，能实时接收并处理接收的信号，并反馈结果，从而控制所述二级风机和所述制冷器的运行。
优选地，所述抽风系统包括：
台车风机，所述台车风机设置于靠近隧道洞口的台车头部，用于抽取所述盾构隧道内部空气并排出至隧道外部，加强盾构隧道内部空气对流；
出风管，所述出风管设置于隧道侧下方，所述出风管的一端与所述台车风机的出风口连接，所述出风管的另一端延伸至隧道洞口位置；
除尘器，所述除尘器设置于靠近隧道洞口的台车上，并位于所述台车风机和所述出风管的连接部位，用于去除和收集由所述台车风机抽取的盾构隧道内部空气的粉尘。
本发明第二个方面提供一种盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，采用上述盾构隧道施工操作段循环通风降温系统进行，施工方法包括：
将送风系统安装在位于盾构隧道洞口位置，将外部空气输送到盾构隧道内部，为盾构隧道实现一次送风；
将二级送风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道前端台车区域，所述二级送风系统对所述送风系统输送至盾构隧道内部的空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道施工最前端掌子面处；
将抽风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道中部，所述抽风系统的出风口延伸至隧道洞口位置，将抽风系统对盾构隧道内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至盾构隧道的外部；
将控制系统安装于盾构隧道内部，用于采集二级送风系统输出的空气温度及盾构隧道施工操作段风速，并将所采集的温度、风速数据分别与温度设定阈值、风速设定阈值进行比较并判断，根据判断结果控制所述二级送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度、操作段风速的调节，以保证盾构施工环境的舒适度。
优选地，盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法：
-所述将送风系统安装在位于盾构隧道洞口位置，包括：将送风系统的主风机安装于盾构隧道洞口，将主风管固定于隧道管片顶端并沿隧道的纵向铺设，并将所述主风管的一端与所述主风机的出风口连接，另一端延伸至靠近隧道洞口台车尾部处热源区域附近；
-所述将二级送风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道前端台车区域，包括：将所述二级送风系统的二级风机安装于靠近隧道洞口的台车上，将二级风管固定于隧道管片顶端并沿隧道的纵向铺设，并将所述二级风管的一端与所述二级风机出风口连接，另一端延伸至盾尾处，即盾构隧道施工最前端；将制冷器安装在二级风机和二级风管的连接部位，且将所述制冷器内部的多个半导体制冷片均匀设置于二级风机的风叶前；
-所述将抽风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道中部，包括：将抽风系统的台车风机安装于靠近隧道洞口的台车上，将出风管固定于盾构隧道内部侧下方并沿隧道纵向铺设，并将出风管的一端与出风口连接，另一端延伸至隧道洞口位置；将除尘器安装于所述台车风机和所述出风管的连接部位。
优选地，所述将控制系统安装于盾构隧道内部，包括：
将温度传感器固定于所述二级风管出风口端外侧；
将风速传感器固定于靠近盾尾的台车上；
将控制箱安装于靠近盾尾的台车的控制室内，将控制箱的信号接收端与温度传感器、风速传感器相连接，并控制箱的信号输出端与所述二级风机、所述制冷器相连接。
优选地，设定所述控制系统的参数值，其中，
设定温度传感器数据的上阈值[T1]：
[T1]＝(1-10％)TGB
其中，TGB为执行标准所设定的施工环境温度上限值；
设定温度传感器数据的下阈值[T2]：
[T2]＝(1+15％)TSF
其中，TSF为夏季的人体感觉舒适的温度为19℃-24℃的下限值，TSF＝19℃；
设定风速传感器数据的上阈值[V1]：
[V1]＝(1-5％)Vmax
其中，Vmax为执行标准所设定的施工环境风速上限值；
设定风速传感器数据的下阈值[V2]：
[V2]＝max(VT,VGB)
其中，VGB为执行标准所规定的隧道内允许最小风速；VT为隧道通风满足降温的要求，即操作段温度为允许的最大值Tmax时的风速，VT可根据温度传感器所反馈的二级风管送入气体的实时温度T建立能量守恒方程求得：
c·ρgA(t1+t2)VT·(Tmax-T)＝κJW(1-η)t1
其中，c为隧道内空气的比热容；ρ为隧道内空气的密度；g为重力加速度；A为隧道过风断面面积；t1为盾构每环掘进的时间；t2为盾构每环管片拼装的时间；Tmax为隧道操作段温度上限值；T为温度传感器所反馈的实时温度；κ为考虑隧道因素实际情况的修正系数；J为热功当量，J＝3600kJ/kWh；W为盾构机总功率；η为系统总效率。
优选地，所述将所采集的温度、风速数据与温度、风速设定阈值进行比较并判断，根据判断结果控制二级送风系统的运行，包括以下三种运行情况：
情况一：所述控制系统控制所述二级送风系统正常通风；
当压入盾构隧道施工最前端的气体温度符合要求时，即[T2]≤T≤[T1]，盾构隧道施工操作段的风速也在规定范围内即[V2]≤V≤[V1]，控制所述二级送风系统正常运行；
情况二：当输入气体温度不满足要求时，所述控制系统调节制冷器的工作状态；
当输入气体温度不在规定范围内时，即T＞[T1]或T＜[T2]：当输入气体温度偏高时即T＞[T1]，根据检测结果增加制冷器半导体制冷片的工作运行数量；当输入气体温度偏低小时即T＜[T2]，根据检测结果减少制冷器半导体制冷片的工作运行数量；
情况三：当操作段风速不满足要求时，所述控制系统调节二级风机的工作状态；
当操作段风速不在规定范围内时，即V＞[V1]或V＜[V2]：当操作段风速过大时即V＞[V1]，根据检测结果减小所述二级风机的工作频率；当操作段风速过小时即V＜[V2]，根据检测结果增加所述二级风机的工作频率。
上述盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法的工作原理如下：
在盾构隧道施工操作段安装送风系统、二级送风系统、控制系统以及抽风系统，设定控制系统的控制箱的参数值，接通电源启动设备。在送风系统工作时，将外部新鲜空气经由主风管压入隧道内部，其中部分空气进入隧道对流，大部分由二级送风系统的二级风机提供动力继续输送至隧道盾构施工区域，先经由制冷器降温冷却，冷气再通过二级风管输送至盾尾，实现盾构施工区域的通风和降温；当冷气经过热源区域后，带走了热量、粉尘和湿气，形成了湿热的污染气体，该气体流至靠近隧道洞口的台车时，大部分先经由台车风机吸入，再经过除尘器除尘，除尘后的湿热气体通过出风管输送至靠近隧道入口端(隧道洞口位置)，排出到隧道外部，避免了污染隧道中部工作环境。控制系统的温度传感器和风速传感器会实时采集环境参数并反馈至控制箱，若在运行过程中传感器反馈的温度传感器数据T和风速传感器数据V在阈值范围内(即[T2]≤T≤[T1]且[V2]≤V≤[V1])，系统保持运行，表明隧道正常通风；若在运行过程中传感器反馈的温度传感器数据T超过阈值(即T＞[T1]或T＜[T2])，则控制箱将根据检测结果增减制冷器半导体制冷片的工作运行数量；若在运行过程中传感器反馈的风速传感器V超过阈值(即V＞[V1]或V＜[V2])，则控制箱将根据检测结果调整二级风机的工作频率。整个系统实现了多次气体循环通风：由送风系统，二级送风系统和抽风系统联合形成了第一路大循环；外部空气经送风系统和二级送风系统到达盾构前部，带着热量返回洞口，形成了第二路小循环；外部空气途经送风系统，便随着盾构前部出来的风带出隧道，从而形成了第三路小循环。多次循环通风实现了较低能耗下隧道的正常通风，确保盾构施工环境的舒适，保证盾构隧道的高效施工。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述系统，通过设置送风系统、二级送风系统以及抽风系统，结合了压入式和抽出式通风，同时考虑了降温和除尘效果，可有效解决盾构隧道内部的通风和降温难题，避免隧道内因排气不畅、温度过高造成盾构掘进缓慢，从而改进了现有的通风方式，改善施工环境；上述系统结构简单、安全环保，工作效率高，具有较好的社会和经济效益。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统的整体结构示意图；
图2为图1中A-A向的剖视图；
图3为图1中B-B向的剖视图；
图4为本发明的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统的控制系统的控制原理图。
图中标记分别表示为：1为主风机、2为主风管、3为盾构隧道、4为隧道管片、5二级风机、6为制冷器、7为二级风管、8为盾构最后一节台车、9为控制箱、10为盾构第一节台车、11为盾尾、12为温度传感器、13为风速传感器、14为台车风机、15为除尘器、16为出风管、111为送风系统、222为二级送风系统、333为控制系统、444为抽风系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，为本发明一优选实施例的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统的整体结构示意图，图中包括送风系统111、二级送风系统222、控制系统333和抽风系统444。
其中，送风系统111设置靠近盾构隧道3的洞口附近，用以向盾构隧道3内部输送外部空气，为盾构隧道3实现一次送风。
二级送风系统222设置于盾构隧道3内部，并位于隧道前端台车区域，用以对送风系统输送至盾构隧道3内部的大部分空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道3施工最前端。
控制系统333设置于盾构隧道3内部，用于控制二级送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度的调节，以保证盾构施工环境的舒适。
抽风系统444设置于盾构隧道3内部，并靠近于盾构隧道3中部，用以对盾构隧道3内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至隧道外部。
上述系统的工作原理如下：设置于隧道洞口的送风系统111，将外部新鲜空气压入盾构隧道3内部；进入盾构隧道3内部的空气在到达二级送风系统222前部分空气进入隧道对流，大部分空气由二级送风系统222提供动力继续输送至隧道盾构施工区域，然后经过二级送风系统222对该部分空气进行降温冷却，经冷却后的空气输送至盾构第一节台车10和盾尾11连接区域，实现盾构施工区域的通风和降温。冷却后的空气经过热源区域后，带走了热量、粉尘和湿气，形成了湿热的有污染气体，该气体流至盾构最后一节台车8时，大部分气体先经由抽风系统444吸入，并对其进行过滤除尘，除尘后的湿热气体通过出风管16输送至靠近隧道入口端(隧道洞口)，排出至隧道外部，避免了污染隧道中部工作环境。上述控制系统333能实时采集环境温度及风速等参数，检测环境温度，并能根据检测结果自动调节二级送风系统222的运行状态。上述系统实现了多次气体循环通风：由送风系统111，二级送风系统222和抽风系统444联合形成了第一路大循环；外部空气经送风系统111和二级送风系统222到达盾构前部，带着热量返回洞口，形成了第二路小循环；外部空气途经送风系统111，便随着盾构前部出来的风带出隧道，从而形成了第三路小循环。多路循环通风实现了较低能耗下隧道的正常通风，确保盾构施工环境的舒适，保证盾构隧道3的高效施工。
在其他部分优选实施例中，结合图1、图2所示，送风系统111包括主风机1和主风管2；其中，主风机1安装于盾构隧道3洞口，向盾构隧道3内部提供外部新鲜空气。主风管2固定于隧道管片4顶端并沿隧道的纵向铺设，主风管2的一端与主风机1的出风口连接，主风管2的另一端延伸至靠近隧道洞口台车的尾部处热源区域附近，能将外部空气引流到盾构隧道3内部。作为一优选方式，主风机1采用一台轴流风机，采用该类型的风机具有噪声低、效率高、可靠性高等特点。
在其他部分优选实施例中，主风管2采用柔性通风管道，柔性通风管道为圆形的帆布通风管道。采用帆布通风管道具有结构简单、成本低和方便安装等特点。当然在具体施工时可根据施工工况选择其他类型的柔性通风管道。
在其他部分优选实施例中，帆布通风管道由多节段帆布通风筒沿轴向拼接为一体，且相邻两个节段帆布通风筒通过拉链密封连接。采用可拼接的多节段帆布通风筒组成，其优点是可随着盾构的掘进相应地延伸管道长度，施工方法更加便利，提高施工效率，缩短工期。
在其他部分优选实施例中，二级送风系统222包括二级风机5、二级风管7以及制冷器6；其中，将二级风机5固定于盾构最后一节台车8尾部(靠近洞口处的台车，靠近隧道洞口的台车，只是相对位置，所有的台车都是位于隧道施工前端的，距离隧道洞口都较远)，能节省工作空间。二级风机5为加压风机，加压风机能对空气进行加压并加快风的流速；为送风系统111输入的大部分新鲜空气压至盾构隧道3施工最前端提供动力。作为一优选方式，二级风机5靠近主风管2的出风口端布置。
二级风管7固定于隧道管片4顶端并沿隧道的纵向铺设，二级风管7的一端与二级风机5的出风口采用柔性连接，可减轻二级风机5与二级风管7产生的共振，减小通风噪音，二级风管7的另一端延伸至盾构第一节台车10与盾尾11交界处，能将空气引流到隧道施工最前端掌子面处。作为一优选方式，二级风管7与主风管2位于同一轴线上。
制冷器6设置于二级风机5和二级风管7的连接部位，用于对二级风机5输出的空气进行降温。
在其他部分优选实施例中，制冷器6采用半导体制冷器，半导体制冷器包括多个半导体制冷片，且多个半导体制冷片均匀布置于二级风机5的风叶前方。在具体实施时，半导体制冷片的数量满足盾构隧道3最大负载要求，且单个半导体制冷片由控制箱9独立控制，控制箱9可根据检测情况，控制半导体制冷器的制冷片的工作数量。
在其他部分优选实施例中，二级风管7采用刚性通风管道，刚性通风管道为焊接钢管，钢管的外表面可通过热浸镀或电镀锌层，可实现良好的通风降温；镀锌钢管为螺旋缝圆形风管，采用法兰连接，可根据所需风压和风管直径调整风管壁厚和法兰连接的间距。
在其他部分优选实施例中，控制系统333包括温度传感器12、风速传感器13和控制箱9，其中，温度传感器12设置于靠近二级风管7的出风口端外侧，用于采集二级风管7输出的空气的温度。作为一优选方式，温度传感器12可以采用市售产品型号为H7080型风管温度传感器12。
将风速传感器13固定于盾构第一节台车10上，用于测量二级送风系统向盾构隧道3施工最前端输入空气后施工环境的风速。
将控制箱9固定于盾构第一节台车10上，控制箱9的输入端与温度传感器12、风速传感器13的输出端连接，控制箱9的输出端与二级风机5、制冷器6连接，能实时接收并处理接收的信号，并反馈结果，从而控制二级风机5和制冷器6的运行。风速传感器13可以采用市售产品型号为NHFS45型风速传感器。
参照图4所示，上述控制系统333的温度传感器12和风速传感器13会实时采集环境参数并反馈至控制箱9，控制箱9将所得输入参数与操作人员提前设置的参数上阈值、下阈值进行智能对比并判断，再根据判断结果控制二级送风系统的运行情况，包括以下三种运行情况：
情况一：控制系统333控制二级送风系统正常通风；
当压入盾构隧道3施工最前端的气体温度符合要求时，即[T2]≤T≤[T1]，盾构隧道3施工操作段的风速也在规定范围内即[V2]≤V≤[V1]，控制二级送风系统正常运行。
情况二：当输入气体温度不满足要求时，控制系统333调节制冷器6的工作状态；
当输入气体温度不在规定范围内时，即T＞[T1]或T＜[T2]：当输入气体温度偏高时即T＞[T1]，根据检测结果增加制冷器半导体制冷片的工作运行数量；当输入气体温度偏低小时即T＜[T2]，根据检测结果减少制冷器半导体制冷片的工作运行数量。
情况三：当操作段风速不满足要求时，控制系统333调节二级风机的工作状态；
当操作段风速不在规定范围内即V＞[V1]或V＜[V2]：当操作段风速过大时即V＞[V1]，根据检测结果减小二级风机5的工作频率；当操作段风速过小时即V＜[V2]，根据检测结果增加二级风机5的工作频率。
在其他部分优选实施例中，抽风系统444包括台车风机14、除尘器15及出风管16，其中，台车风机14安装于盾构最后一节台车8的头部，台车风机14为一台抽风机，用于抽取盾构隧道3内部空气排出至隧道外部，加强盾构隧道3内部空气对流。所抽取的空气是由盾构前部施工排出气体，该气体中所含的大量粉尘。作为一优选方式，台车风机14与二级风机5的水平距离约为一节盾构台车的长度。
除尘器15设置于盾构最后一节台车8上，并位于台车风机14和出风管16的连接部位，用于去除和收集所抽取的盾构隧道3内部空气的粉尘，避免粉尘的再次扩散和污染。
将出风管16固定于隧道侧下方并沿隧道的纵向铺设，可防止污染隧道中部工作环境。出风管16的一端与台车风机14的出风口连接，出风管16的另一端延伸至靠近隧道入口端(隧道洞口)。作为一优选方式，出风管16采用柔性通风管道，柔性通风管道为适应台车风机14出风口的圆形帆布通风管道，其包括多节采用拉链密封连接的帆布通风筒，具有结构简单、成本低和方便安装等特点。
在一具体应用例中，以位于某省的某城际铁路隧道为例，在隧道掘进过程中采用上述盾构隧道施工操作段循环通风降温系统对隧道内部进行通风和降温，保证施工环境的舒适度和隧道的高效施工，从而进一步阐述盾构隧道施工操作段循环通风降温系统的结构特征。
该隧道为双洞单行线，盾构隧道3单线长2144.379m，施工里程为DK35+550～DK37+700。隧道内径为8000mm，外径8800mm，采用9.1m直径复合式土压平衡盾构机施工。盾构隧道3施工操作段循环通风降温系统由4个子系统构成，包括送风系统111，二级送风系统222，控制系统333和抽风系统444，系统整体结构参照图1所示。
送风系统111由主风机1和主风管2组成，可将外部新鲜空气压入隧道内部，为盾构隧道3实现一次送风。
主风机1是一台SDF系列NO12.5型节能型轴流风机，转速1480r/min，风压1300Pa-5500Pa，风量1600m3/min-2950m3/min，高效风量2400m3/min。将主风机1置于盾构隧道3洞口，具有噪声低、效率高、可靠性高等特点，可为盾构隧道3输入大量外部新鲜空气。
主风管2是直径1.2m的柔性圆形帆布通风管道，其由多节直径1.2m长度20m帆布通风筒组成，各节通风筒之间采用强度要达到2800N以上的树脂三星拉链密封连接，可随着盾构的掘进相应地延伸通风管道长度，具有结构简单、成本低和方便安装等特点。将主风管2固定于隧道管片4顶端，主风管2的一端与主风机1出风口连接，主风管2的另一端延伸至台车8尾部处热源区域，可将风引流到隧道内部。
盾构隧道3是采用ZTE9100型复合式土压平衡盾构机施工、单线总长2144.379m的隧道，其内径为8000mm，外径8800mm。盾构共有六节台车，第一节台车10长9300mm，第二节台车长12300mm，第三、四、五节台车长均为11200mm，第六节台车即最后一节台车8长13125mm，各台车连接处长480mm，总长70725mm。
二级送风系统222由三个部分组成，包括二级风机5、制冷器6和二级风管7，可对送风系统输入的大部分空气进行降温处理，再将冷却气体压至盾构隧道3施工最前端。
二级风机5是一台SDF-I-8II型隧道施工管道式加压风机，全压可达539Pa，叶轮直径800mm，转速1480r/min，风量30000m3/h，可对风进行加压，加快风的流速，将送风系统输入的大部分新鲜空气压至盾构隧道3施工最前端。将二级风机5固定于盾构最后一节台车8尾部，节省工作空间。
制冷器6是由多个半导体制冷片组成的半导体制冷器，半导体制冷片数量满足盾构隧道3最大负载要求，半导体制冷片的制冷功率是由半导体材料P型元件和N型元件的数量来决定。将半导体制冷片置于二级风机5的风叶前，其单个半导体制冷片由控制箱9独立控制。
二级风管7采用壁厚为0.75mm、直径为800mm的焊接钢管，并在焊接钢管的表面设有热浸镀锌层。该钢管为螺旋缝圆形风管，采用30*3规格角钢材料的法兰连接，法兰的M8规格螺栓及铆钉的间距为100mm。二级风管7固定于隧道管片4顶端，二级风管7的一端与二级风机5出风口柔性连接，可减轻二级风机5与二级风管7产生的共振，减小通风噪音；二级风管7的另一端延伸至盾构第一节台车10与盾尾11交界处，二级风管7出风口设置在位于距掌子面15m左右处的位置，可将风引流到隧道施工最前端，实现良好的通风降温。
控制系统333由三个部分组成，包括温度传感器12、风速传感器13和控制箱9，控制系统333用于控制二级送风系统的运行，以保证盾构施工环境的舒适，其控制原理如图4所示。
温度传感器12是一个H7080型风管温度传感器，用于检测二级送风系统送入气体的温度，固定于二级风管7的出风口端外侧，输出信号由控制箱9接收。
风速传感器13是一个NHFS45型风速传感器，用于测量二级送风系统输入气流后隧道施工环境的风速，固定于盾构第一节台车10上，输出信号由控制箱9接收。
控制箱9是指一台小型可编程智能逻辑控制器，可实时接收和分析传感器的信号，并反馈结果，从而智能控制二级送风系统的二级风机5和制冷器6的运行。控制箱9设置于盾构第一节台车10上的控制室内。
抽风系统444是由台车风机14、除尘器15和出风管16三个部分组成，可对隧道内湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的气压至隧道入口端排出至隧道外部。
台车风机14是一台SDF-NO-11.2型隧道式轴流风机，转速960r/min，全压636Pa，风量1000m3/min。SDF-NO-11.2型隧道式轴流风机可抽取隧道内部空气排至外界，加强隧道内部空气对流。将SDF-NO-11.2型隧道式轴流风机安装于盾构最后一节台车8的头部，与二级风机5的水平距离约为最后一节台车8的长度13125mm。
除尘器15是指一个可以对气体中粉尘进行过滤和收集的小型除尘设备，可去除和收集盾构前部施工排出气体中所含的粉尘，避免粉尘的再次扩散和污染。除尘设备安装于盾构最后一节台车8上，并固定于台车风机14和出风管16的连接部位。
出风管16是直径为1.0m的圆形帆布通风管道，其包括多节采用强度要达到2800N以上的树脂三星拉链密封连接的10m帆布通风筒，具有结构简单、成本低和方便安装等特点。将圆形帆布通风管道固定于隧道侧下方，一端与台车风机14出风口连接，另一端延伸至靠近隧道入口端，可防止污染隧道中部工作环境。各出风管16、主风管2具体的位置可参见图2、图3所示。
上述送风系统111、二级送风系统222、控制系统333和抽风系统444的各组成部分之间采用以下连接关系：
送风系统111的主风机1安装于盾构隧道3洞口，其出风口与主风管2连接，主风管2固定于隧道管片4顶端；二级送风系统222的二级风机5固定于盾构最后一节台车8上，二级风机5的出风口与二级风管7柔性连接，二级风管7固定于隧道管片4顶端。二级送风系统222的制冷器6安装在二级风机5和二级风管7的连接部位，制冷器6内部的多个半导体制冷片均匀设置于二级风机5的风叶前。控制系统333的温度传感器12安装固定于二级风管7出风口端外侧，风速传感器13与控制箱9固定于盾构第一节台车10上。控制箱9接收温度传感器12和风速传感器13的输出信号，控制箱9的信号输出端与二级送风系统的二级风机5和制冷器6相连接；抽风系统444的台车风机14置于盾构最后一节台车8上，台车风机14的出风口与出风管16相连接，出风管16固定于盾构隧道3内部侧下方。除尘器15安装在台车风机14和出风管16的连接部位。
上述应用例中采用该盾构隧道施工操作段循环通风降温系统可实现盾构隧道内部的多次气体循环通风，实现了较低能耗下隧道的正常通风，显著提高了施工环境的舒适度和盾构隧道的施工效率，确保盾构的顺利推进。
基于上述盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，另一应用例提供盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，可以按照以下步骤执行：
S1：进行风机选型。
S10：根据盾构隧道施工的实际情况和多次循环通风降温系统所确定的联合通风方式选定参数。
S11：采用行业标准中的传统方法进行风量和风压计算，从而选定通风设备。
通过使用传统方法进行计算选定一台SDF系列NO12.5型节能型轴流风机为主风机1，一台SDF-I-8II型隧道施工管道式加压风机为二级风机5，一台SDF-NO-11.2型隧道式轴流风机为台车风机14。
S2：施工安装送风系统111、二级送风系统222、控制系统333及抽风系统444，参照图1所示，系统整体示意图，参照图2所示，各风管的相对位置，具体的包括以下步骤：
S20：将送风系统的主风机1安装于盾构隧道3洞口，将主风管2固定于隧道管片4顶端，其一端与主风机1的出风口连接，另一端延伸至最后一节台车8尾部处热源区域。
S21：将二级送风系统的二级风机5安装于盾构最后一节台车8上，将二级风管7固定于隧道管片4顶端，并将二级风管7的一端与二级风机5出风口连接，另一端延伸至盾构第一节台车10与盾尾11交界处。
S22：将制冷器6安装在二级风机5和二级风管7的连接部位，且将其内部的多个半导体制冷片均匀置于二级风机5的风叶前。
S23：将抽风系统444的台车风机14安装于盾构最后一节台车8的头部，将出风管16固定于盾构隧道3内部侧下方，其一端与出风口连接，另一端延伸至靠近隧道入口端。
S24：将除尘器15安装在台车风机14和出风管16的连接部位。
S3：安装控制系统333的相关设备，具体的包括以下步骤：
S31：将温度传感器12固定于二级风管7出风口端外侧。
S32：将风速传感器13固定于盾构第一节台车10上。
S33：将控制箱9安装于盾构第一节台车10的控制室内，利用导线(或无线方式)将其信号接收端与温度传感器12和风速传感器13相连接，利用导线将其信号输出端与二级风机5和制冷器6相连接。
S4：接通电源，给控制系统333通入220V交流电，启动控制箱9，设定控制系统333参数值，具体的包括以下步骤：
S41：确定控制系统333的温度传感器12数据的上阈值[T1]：
[T1]＝(1-10％)TGB
其中，TGB为执行标准所设定的施工环境温度上限值。本实施例中，采用《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2017)所建议的温度上限值TGB＝32℃，计算得[T1]＝28.8℃。
S42：确定控制系统333的温度传感器12数据的下阈值[T2]：
[T2]＝(1-15％)TSF
其中，TSF为夏季的人体感觉舒适的温度为19-24℃的下限值，TSF＝19℃。本实施例中，[T2]＝16.15℃。
S43：确定控制系统333的风速传感器13数据的上阈值[V1]：
[V1]＝(1-5％)Vmax
其中，Vmax为执行标准所设定的施工环境风速上限值。本实施例中，采用《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)所建议的隧道内最大风速Vmax＝6m/s，计算得[V1]＝5.7m/s。
S44：确定控制系统333处理风速传感器13数据的下阈值[V2]：
[V2]＝max(VT,VGB)
其中，VGB为为执行标准所规定的隧道内允许最小风速；VT为隧道通风满足降温要求(即操作段温度为允许的最大值Tmax)时的风速，其可根据温度传感器12所反馈的二级风管送入气体的实时温度T建立能量守恒方程求得：
c·ρgA(t1+t2)VT·(Tmax-T)＝κJW(1-η)t1
其中，c为隧道内空气的比热容；ρ为隧道内空气的密度；g为重力加速度；A为隧道过风断面面积；t1为盾构每环掘进的时间；t2为盾构每环管片拼装的时间；Tmax为隧道操作段温度上限值；T为温度传感器12所反馈的实时温度；κ为考虑隧道长度、断面大小、坡度等因素实际情况的修正系数；J为热功当量，J＝3600kJ/kWh；W为盾构机总功率；η为系统总效率。
本实施例中，采用《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2017)所规定的隧道内允许最小风速，VGB＝0.25m/s；空气的比热容随温度变化，近似取300K即26.85℃时的比热容，c＝1.005kJ/(kg·℃)；空气的密度取近似，ρ＝1.29kg/m3；g＝9.8m/s2；A＝πR2＝50.265m2；t1＝30min＝0.5h；t2＝40min＝2/3h；Tmax＝TGB＝32℃；κ＝1.32；ZTE9100型复合式土压平衡盾构机功率W＝4638kW；η＝0.8；最后计算得VT＝0.8217/(32-T)，控制系统333风速传感器13数据的下阈值
Figure BDA0002745464490000151
S5：启动设备，给风机通入380V交流电，执行隧道通风操作，通风过程控制原理如图4所示。主要存在以下三种情况：
情况一：系统正常通风。
系统正常运转，压入盾构隧道3操作段的气体温度符合要求(即[T2]≤T≤[T1])，操作段的风速也在规定范围内(即[V2]≤V≤[V1])，施工人员在通风良好的环境下有序、高效的进行相关操作。
情况二：输入气体温度不满足要求。
系统在联合运转过程中，输入气体温度不在规定范围内(即T＞[T1]或T＜[T2])，控制箱9接收到温度传感器12所反馈的超出设定阈值的环境参数值，并将其与操作人员设置的处理传感器数据的上阈值、下阈值参数进行检测对比：当输入气体温度偏高时(即T＞[T1])，根据检测结果智能增加制冷器6半导体制冷片的工作数量；当输入气体温度偏低小时(即T＜[T2])，根据检测结果智能减少制冷器6半导体制冷片的工作数量。
情况三：操作段风速不满足要求。
系统在联合运转过程中，操作段风速不在规定范围内时(即V＞[V1]或V＜[V2])，控制箱9接收到风速传感器13所反馈的超出设定阈值环境参数值，将其与处理传感器数据的上阈值、下阈值参数进行检测对比：当操作段风速过大时(即V＞[V1])，根据检测结果智能减小二级风机5的工作频率；当操作段风速过小时(即V＜[V2])，根据检测结果智能增加二级风机5的工作频率。
本实施例利用盾构隧道施工操作段循环通风降温系统及其工作方法，可实现盾构隧道内部的多次气体循环通风，且将盾构施工区域环境温度从原有38℃度降至29℃左右，实现了较低能耗下隧道的正常通风和降温，显著提高了施工环境的舒适度和盾构隧道的施工效率，确保盾构的顺利推进。上述施工方法是基于对现有通风方法进行改进，综合采用压入式和抽出式通风，同时考虑了降温和除尘效果，可有效解决盾构隧道内部的通风和降温难题，避免隧道内因排气不畅、温度过高造成盾构掘进缓慢。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，其特征在于，包括：
送风系统，向盾构隧道内部输送外部空气，为盾构隧道实现一次送风；
二级送风系统，对所述送风系统输送至盾构隧道内部的空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道施工最前端；
控制系统，用于控制所述二级送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度及操作端风速的调节，以保证盾构施工环境的舒适；
抽风系统，对盾构隧道内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至盾构隧道的外部。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，其特征在于，所述送风系统包括：
主风机，所述主风机设置于盾构隧道洞口，向所述盾构隧道内部提供外部空气；
主风管，所述主风管设置于隧道管片顶端，所述主风管的一端与所述主风机的出风口连接，所述主风管的另一端延伸至靠近隧道洞口的台车尾部处热源区域的附近，能将外部空气引流到所述盾构隧道内部。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，其特征在于，所述二级送风系统包括：
二级风机，所述二级风机设置于靠近隧道洞口的台车尾部，所述二级风机为加压风机，所述加压风机能对空气进行加压并加快空气的流速；
二级风管，所述二级风管设置于隧道管片顶端，所述二级风管的一端与所述二级风机的出风口采用柔性连接，所述二级风管的另一端延伸至靠近盾尾的台车与盾尾交界处，能将空气引流到隧道施工最前端掌子面处；
制冷器，所述制冷器设置于所述二级风机和所述二级风管的连接部位，用于对所述二级送风系统输出的空气进行降温；所述制冷器采用半导体制冷器，所述半导体制冷器包括多个半导体制冷片，且多个半导体制冷片均匀布置于所述二级风机的风叶前方。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，其特征在于，所述控制系统包括：
温度传感器，所述温度传感器设置于所述二级风管的另一端的外侧，用于采集所述二级风管输出的空气温度；
风速传感器，所述风速传感器设置于靠近盾尾的台车上，用于测量所述二级送风系统向盾构隧道施工最前端输入空气后的操作段的风速；
控制箱，所述控制箱的输入端与所述温度传感器、所述风速传感器的输出端连接，所述控制箱的输出端与所述二级风机、所述制冷器连接，能实时接收并处理接收的信号，并反馈结果，从而控制所述二级风机和所述制冷器的运行。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统，其特征在于，所述抽风系统包括：
台车风机，所述台车风机设置于靠近隧道洞口的台车头部，用于抽取所述盾构隧道内部空气并排出至隧道外部，加强盾构隧道内部空气对流；
出风管，所述出风管设置于隧道侧下方，所述出风管的一端与所述台车风机的出风口连接，所述出风管的另一端延伸至隧道洞口位置；
除尘器，所述除尘器设置于靠近隧道洞口的台车上，并位于所述台车风机和所述出风管的连接部位，用于去除和收集由所述台车风机抽取的盾构隧道内部空气的粉尘。
6.一种盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，其特征在于，采用上述权利要求1-5中任一项所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温系统进行，施工方法包括：
将送风系统安装在位于盾构隧道洞口位置，将外部空气输送到盾构隧道内部，为盾构隧道实现一次送风；
将二级送风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道前端台车区域，所述二级送风系统对所述送风系统输送至盾构隧道内部的空气进行降温处理，再将降温后空气压至盾构隧道施工最前端掌子面处；
将抽风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道中部，所述抽风系统的出风口延伸至隧道洞口位置，将抽风系统对盾构隧道内部湿热的污染气体进行除尘处理，并将除尘后的污染气体排出至盾构隧道的外部；
将控制系统安装于盾构隧道内部，用于采集所述二级送风系统输出的空气温度及盾构隧道施工操作段风速，并将所采集的温度、风速数据分别与温度设定阈值、风速设定阈值进行比较并判断，根据判断结果控制所述二级送风系统的运行，实现对盾构施工环境温度、操作段风速的调节，以保证盾构施工环境的舒适度。
7.根据权利要求6所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
-所述将送风系统安装在位于盾构隧道洞口位置，包括：将送风系统的主风机安装于盾构隧道洞口，将主风管固定于隧道管片顶端并沿隧道的纵向铺设，并将所述主风管的一端与所述主风机的出风口连接，另一端延伸至靠近隧道洞口台车尾部处热源区域附近；
-所述将二级送风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道前端台车区域，包括：将所述二级送风系统的二级风机安装于靠近隧道洞口的台车上，将二级风管固定于隧道管片顶端并沿隧道的纵向铺设，并将所述二级风管的一端与所述二级风机出风口连接，另一端延伸至盾尾处，即盾构隧道施工最前端；将制冷器安装在二级风机和二级风管的连接部位，且将所述制冷器内部的多个半导体制冷片均匀设置于二级风机的风叶前；
-所述将抽风系统安装于盾构隧道内部，并位于隧道中部，包括：将抽风系统的台车风机安装于靠近隧道洞口的台车上，将出风管固定于盾构隧道内部侧下方并沿隧道纵向铺设，并将出风管的一端与出风口连接，另一端延伸至隧道洞口位置；将除尘器安装于所述台车风机和所述出风管的连接部位。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，其特征在于，所述将控制系统安装于盾构隧道内部，包括：
将温度传感器固定于所述二级风管出风口端外侧；
将风速传感器固定于靠近盾尾的台车上；
将控制箱安装于靠近盾尾的台车的控制室内，将控制箱的信号接收端与温度传感器、风速传感器相连接，其信号输出端与所述二级风机、所述制冷器相连接。
9.根据权利要求8所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，其特征在于，设定所述控制系统的参数值，其中，
设定温度传感器数据的上阈值[T1]：
[T1]＝(1-10％)TGB
其中，TGB为执行标准所设定的施工环境温度上限值；
设定温度传感器数据的下阈值[T2]：
[T2]＝(1+15％)TSF
其中，TSF为夏季的人体感觉舒适的温度为19℃-24℃的下限值，TSF＝19℃；
设定风速传感器数据的上阈值[V1]：
[V1]＝(1-5％)Vmax
其中，Vmax为执行标准所设定的施工环境风速上限值；
设定风速传感器数据的下阈值[V2]：
[V2]＝max(VT,VGB)
其中，VGB为执行标准所规定的隧道内允许最小风速；VT为隧道通风满足降温的要求，即操作段温度为允许的最大值Tmax时的风速，VT可根据温度传感器所反馈的二级风管送入气体的实时温度T建立能量守恒方程求得：
c·ρgA(t1+t2)VT·(Tmax-T)＝κJW(1-η)t1
其中，c为隧道内空气的比热容；ρ为隧道内空气的密度；g为重力加速度；A为隧道过风断面面积；t1为盾构每环掘进的时间；t2为盾构每环管片拼装的时间；Tmax为隧道操作段温度上限值；T为温度传感器所反馈的实时温度；κ为考虑隧道因素实际情况的修正系数；J为热功当量，J＝3600kJ/kWh；W为盾构机总功率；η为系统总效率。
10.根据权利要求9所述的盾构隧道施工操作段循环通风降温的施工方法，其特征在于，所述将所采集的温度、风速数据分别与温度设定阈值、风速设定阈值进行比较并判断，根据判断结果控制二级送风系统的运行，包括以下三种运行情况：
情况一：所述控制系统控制所述二级送风系统正常通风；
当压入盾构隧道施工最前端的气体温度符合要求时，即[T2]≤T≤[T1]：盾构隧道施工操作段的风速也在规定范围内即[V2]≤V≤[V1]，控制所述二级送风系统正常运行；
情况二：当输入气体温度不满足要求时，所述控制系统调节制冷器的工作状态；
当输入气体温度不在规定范围内时，即T＞[T1]或T＜[T2]：当输入气体温度偏高时即T＞[T1]，根据检测结果增加制冷器半导体制冷片的工作运行数量；当输入气体温度偏低小时即T＜[T2]，根据检测结果减少制冷器半导体制冷片的工作运行数量；
情况三：当操作段风速不满足要求时，所述控制系统调节二级风机的工作状态；
当操作段风速不在规定范围内时，即V＞[V1]或V＜[V2]：当操作段风速过大时即V＞[V1]，根据检测结果减小所述二级风机的工作频率；当操作段风速过小时即V＜[V2]，根据检测结果增加所述二级风机的工作频率。
CN202011164908.8A 2020-10-27 2020-10-27 一种盾构隧道施工操作段循环通风降温系统、施工方法 Pending CN112253214A (zh)

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