永嘉TBM通风及散热施工技术研究.pdf

施工技术建 筑 技 术 开 发50 Construction TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月永嘉TBM通风及散热施工技术研究周显刚，邱思翰，张雄伟，刘 飞，何 冰（中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066）摘要 抽蓄工程TBM隧洞施工机械作业密集、高地温及高散热等特点。TBM及后配套装备的通风散热系统研究创新、小断面通风降温抑尘等关键技术难度非常高，通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段，对不同工况进行通风、散热、抑尘等参数和效果进行研究分析，形成一套抽蓄工程超小断面长距离超小转弯半径隧洞TBM通风散热抑尘成套技术，并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目，形成了一套抽蓄项目TBM施工的通风、散热、抑尘的工艺标准和施工方法。关键词 抽水蓄能；小直径TBM；通风；散热；抑尘 中图分类号U 453.5 文献标志码A 文章编号1001-523X（2023）08-0050-03RESEARCH ON CONSTRUCTION TECHNOLOGY OF TBM VENTILATION AND HEAT DISSIPATION IN PUMPING AND STORAGE ENGINEERINGZhou Xian-gang，Qiu Si-han，Zhang Xiong-wei，Liu Fei，He Bing AbstractThe TBM tunnel construction of pumped storage project is characterized by intensive machinery operation,high ground temperature and high heat dissipation.It is very difficult to study and innovate the ventilation and heat dissipation system of TBM and its supporting equipment,and the key technologies such as ventilation,cooling and dust suppression in small section are very difficult.Through theoretical research,numerical analysis,field test and monitoring feedback,the parameters and effects of ventilation,heat dissipation and dust suppression under different working conditions are studied and analyzed,and a set of ventilation,heat dissipation and dust suppression technology for TBM in ultra-small section long-distance and ultra-small turning radius tunnel of pumping and storage project is formed.It has been successfully applied to Zhejiang Qujiang Pumped Storage Project and Zhejiang Yongjia Pumped Storage Project,forming a set of ventilation,heat dissipation and dust suppression technology standards and construction methods for TBM construction of pumping and storage project.Keywordspumped storage;small diameter TBM;ventilation;heat dissipation;dust suppression全断面硬岩隧道掘进机（以下简称TBM）技术目前已被广泛应用于水利水电等行业领域隧洞的施工，取得一定成绩。目前，抽水蓄能项目中集成化的TBM法隧洞施工的通风、散热、抑尘关键技术空缺较多。胡洪菊等1分析隧道施工需风量、工作面回风速度需风量、风机出口风量、风机总风压等计算通风设备的供风量及设备功率。张恒2结合隧洞拟定的施工支洞布置，分段规划了隧洞通风方案。薛永庆3利用数值计算软件Fluent对不同送风风速、不同送风管位置下的洞内除尘效果进行了计算研究。洪松4、徐海等5采用理论分析和数学计算的方法，提出了TBM施工通风效果计算模型，对不同岩温、不同风量和不同风温条件下的掘进段通风效果进行计算分析。如何针对抽水蓄能电站地下洞室群的工程特点，通过科学合理的施工方案规划，在复杂地质条件下满足TBM施工的通风散热抑尘所需、成为亟需研究解决的关键技术难题。1 工程概况浙 江 衢 江 抽 水 蓄 能 项 目，T B M 区 间 全 长4 156 m，采用3.53 mTBM隧道掘进机施工，其中包含580 m下平洞排水廊道，1 868 m螺旋形厂房排水廊道，1 708 m厂房自流排水洞，最小转弯半径R=30 m（共计15处），坡度为5.1%。永嘉抽水蓄能交通洞、厂房排水廊道及通风安全洞，全长3 600 m，交通洞坡度为5.1%下坡，长度1 840 m，厂房排水廊道和通风安全洞长度1 020 m坡度5%上坡。2 小断面TBM通风、散热、抑尘技术研究2.1 小断面TBM装备通风设计及计算模拟2.1.1 抽蓄项目TBM通风设计为解决抽水蓄能电站超小断面TBM施工通风区间长、作业面积狭窄、供风量低、回风风速不足、盾收稿日期：20230307作者简介：周显刚（1987），男，四川成都人，工程师，主要研究方向为盾构工程。51体及台车局部供风不均衡、整体隧道通风散热能力差等问题，优化设计了新型的通风系统，确保隧道通风达到要求。表1列出了采用洞口压入式通风与台车二次通风结合的参数，对永嘉项目设备进行优化设计。表1 通风系统参数通风形式参数名称数值一次通风功率/kW2132风管直径/mm1 200风量/(m/min)398二次通风功率/kW15风管直径/mm800风量/(m/min)294主机区域回风速度(m/s)0.3通风系统的主要组成部分为风管储存筒、二次风机以及风管。风管位于后配套系统上层尾部，硬风管沿后配套系统上层平台一侧从储风筒一直通到TBM 主机处，随着TBM向前掘进，储风筒的风管不断释放，释放完毕后现场往储风筒中装软风管。2.1.2 抽蓄项目TBM通风模拟计算（1）模型数据分析。通过TBM施工模型建立，主要考虑TBM挤压掌子面摩擦生热、变压器及设备散热、作业人员散热等因素，对隧道通风进行模拟。1）效率引起的发热功率：Pi=(1i)Pci（1）式中：Pi为发热功率，kW；i为设备效率；Pci为额定功率。发热总功率：Pz=Pi（2）机电设备中，冷却水带走了大部分热量，带走的热量：qh=CWQW(t2t1)（3）式中：CW为水热容量，取4.186 kJ/（kg）；QW为冷却水流量，取43 m3/h；t2为进水口温度，取30；t1为出水口温度，取39。2）隧道的施工作业人员产生热量：P6=mPp（4）式中：P6为作业人员发热功率；m为作业人员数；Pp为每个作业人员发热功率。3）由出渣摩擦所产生的热量。刀盘与掌子面间滑动摩擦所产生的热量：P5=FNSW（5）式中：为刀盘与岩土的摩擦系数；FN为刀盘作用在开挖面上的正压力；SW为刀盘与掌子面相对运动距离。刀盘作用在开挖面上的正压力FN：FN=Tfr2Ph（6）从计算得，TBM施工进程中，刀盘与掌子面间挤压滑动摩擦产生发热量最大，其次是各类设备工作的热量，施工人员产生热量最小。故本研究主要以刀盘摩擦、驱动、各类设备和作业人员产生的热量 为主。（2）通风选型计算。1）按隧道内最低风速计算风量：Q1=VS（7）式中：V取9 m/min，即0.15 m/s；S取9.78 m2。2）按隧道内呼吸以及电焊计算风量：Q2=（qN+qdNd）（8）式中：q为洞内每人需要的新鲜空气量；N为隧道内同时工作的最多人数；qd为洞内每台电焊机所需的新鲜空气量；Nd为需氧设备；为安全系数。结合上述计算，上述最大值取为隧道通风出口最小风量，为Q进=304m3/min=5.06m3/s。（3）通风模拟结果分析。1）压入式通风仿真结果分析：如图1图3所示。图1 压入式通风空气流线图2 压入式通风速度矢量（二维）图3 掌子面涡流线图及风管处空气流线图1为隧道内空气在隧道内的流线图，新鲜空气直接经通风管进入隧道，将隧道内热空气压出隧道外。结合图2可以看出，气流经通风管流出后在距风施工技术建 筑 技 术 开 发52 Construction TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月管口7 m左右的位置产生涡旋，空气由掌子面流向旋涡区域，随后空气沿隧道中下部流出。在距掌子面5 m左右的距离，气流流动较弱。图3为掌子面附近流线图，可看出新鲜空气由隧道外风机压入风管，再经由风管送入掌子面附近，将掌子面附近热湿空气，以及污染物等压出隧道。通过隧道内通风数值进行模拟，压入式通风相比抽出式通风更能改善掌子面环境温湿度，但进出口至中部这一段，抽出式通风对隧道环境温度效果比使用压入式通风更好。2.2 超小曲线长距离小断面TBM散热系统研究通过多边形离散裂隙网络模型的围岩等效导热系数分形分析方法，进而建立综合考虑围岩内部热传导和隧洞壁面与风流的对流热交换的深埋引水隧洞TBM施工通风EulerLagrange两相流数学模型，研究TBM施工热量传递分布规律以及扩散效应，探究散热措施的效果分析。通过外循环水散热系统将隧道内设备机械、液压、电力等热量循环带出，在井口进行冷却，再补充部分水量，再次循环进入设备不断冷却，确保设备工作温度正常。由设备自带内循环封闭的水散热系统将TBM的机械、液压、电力电驱、变压器等热量通过热交换器与外循环水交换，将热量传递给外循环系统，带出隧道散热。2.3 长距离超小转弯曲线小直径TBM法隧洞施工抑 尘技术研究2.3.1 超小转弯曲线小直径TBM除尘系统设计除尘系统的主要组成部分为除尘器、金属风管、除尘风机。除尘风管从前边盾体出渣处引出，直到后配套尾部。通过除尘风机吸风，将刀盘内含粉尘的空气吸出，除尘后的过滤风，经管道和除尘风机，进入后配套尾部，以一定速度排出隧道外。施工时，刀盘一般需要喷水降尘；同时设置除尘系统从盾体皮带机接渣口吸风除尘。2.3.2 超小转弯曲线小直径TBM除尘抑尘研究隧道风机布置供风流速模拟气流线图和云图如图4所示。通过通风模型建立，一次通风和二次通风模拟分析，合理布置了一次、二次风机，气流速度在大部分区域均大于1 m/s，通风要求满足。在进气口 1处，空气向前流动，回流发生距离掌子面50 m 处，进风口2持续送风，前30 m的隧道，空气仍持续流动，流速较低。20151050速度/(ms-1)3.300102030405060708090(m)-3.3长度/m长度/mX3X2X1X5X6X4图4 隧道风机布置供风流速模拟气流线图和云图通过选取TBM掌子面及台车50 m范围内6个监测点进行通风监测，速度上，实测与模拟具有良好相关性，掌子面及台车通风实测值和模拟值对比如图5 所示。22201816141210864201234测点序号试验模拟19.3218.246.897.532.231.980.940.88.288.568.326.69速度/(ms-1)56图5 掌子面及台车通风实测值和模拟值对比平均相对误差仅15.6%，6号点处为误差最大处，误差为14.3%，4、5 处粉尘质量浓度较大，误差分别为12.1%、13.4%，均在可接受范围内，具有研 究性。3 结束语通过对永嘉项目抽蓄工程，特殊地质下超小半径、长距离、小断面隧洞的通风、散热、抑尘重难点分析，开展不同工况下的长距离掘进的通风、抑尘、散热、有害气体监测检测以及智能化掘进施工大数据监测感知等难题，创造了可观的经济效益和技术效果，获得的施工经验也为后续项目提供参考，为该类型TBM施工技术实践与推广提供案例，有效支撑水利及相关行业工程的运用与发展。参考文献1 胡洪菊,廖有林.特长隧道TBM法施工通风设计与设备安装J.四川水泥,2022(10):182185.2 张恒.白龙江引水工程六盘山深埋长隧洞通风散烟设计研究J.水利技术监督,2022(8):252256.3 薛永庆.敞开式TBM隧洞通风系统布置及除尘效果研究J.水利水电技术,2020(2):98104.4 洪松,孙宝升.深埋长隧洞TBM施工超长距离独头通风解决方案研究J.海河水利,2019(5):3437,50.5 徐海,薛永庆,罗飞宇,等.高岩温TBM施工隧道的通风效果研究J.筑路机械与施工机械化,2019(11):108112.6 施云龙,徐艳群,陶仁太,等.超小曲线TBM施工通风选型技术J.建筑机械,2021(S1):100-102.