大断面、多作业面隧道机械开挖降温技术研究

大断面、多作业面隧道机械开挖降温技术研究

王培可  刘 明

（中国水利水电第七工程局）

摘要：在城市地铁隧道施工中，开挖断面大，开挖作业面多等现象愈发常见。隧道开挖过程中，由于工程量大、作业环境恶劣、机械设备产热、洞内环境密闭等影响，导致洞内温度升高，严重影响了施工作业效率。因此，采取有效的降温措施，优化隧道施工环境，是当前城市隧道工程建设面对的重要问题。探讨机械通风降温、冰块、风机多作业面降温、综合降温等策略，对提高施工工效和安全性是非常重要的。

关键词：多作业面；机械开挖；施工环境；降温措施

1 工程概况

重庆轨道交通4号线西延伸段某站工程位于红石路正下方，全长232 m。工程主要施工内容包括施工通道开挖、主体开挖支护、附属结构开挖等。施工组织需多作业面同时开挖，开挖进程中会产生大量的热量，导致作业区域温度上升，施工效率在一定程度上受其影响[1]。

2 机械开挖过程中温度升高的原因

机械开挖是指利用液压破碎锤、挖掘机、装载机、等机械设备进行挖掘作业的一种施工方法[2]，依托工程处于闹市区，周围城市管线分布较多，采用机械开挖对周围岩体振动较小，不会影响到居民生活，但同时也存在一定的局限性。机械开挖过程中温度升高的直接原因，主要包括开挖机械尾气的排出、发动机产热、摩擦热、混凝土水化热、作业人员产热等因素。

2.1 机械尾气的排出放热

机械设备作业时产生的尾气释放出的热量是机械开挖温度升高的主要原因。由于尾气中含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、氧化硫和固体颗粒物等化学物质，其化学反应会释放大量的热量，当释放的热量进入空气中时，使得洞内环境的温度迅速升高。

2.2 摩擦热

在机械开挖过程中，摩擦热是导致温度升高的另一个重要原因。隧道掘进机械设备与地层之间的接触面积较大，摩擦热的产生也会更加显著。摩擦力的产生会使机械设备表面温度升高，从而导致温度在机械开挖过程中不断升高[3]。

2.3 发动机产热

在大断面、多作业面隧道机械开挖过程中，发动机产热也是温度升高一个重要因素。发动机产生热量是由于其内部的燃烧过程所引起的。当燃油和空气在发动机的燃烧室中混合并点燃时，化学能被转化为热能。这个燃烧过程产生的高温气体通过排气系统排出，发动机内部的燃烧过程是一个高温高压的过程，因此发动机本身会产生相当数量的热量。

3 机械通风与隧道降温

3.1机械通风的原理和方法

根据隧道实际情况及设计要求，综合考虑隧道布置形式、掘进长度、断面大小、开挖方法、出碴运输方式、设备条件等因素[4]。机械通风按风筒送排风方式可分为压入式通风、抽出式通风和混合式通风。压入式通风风筒出口风速和有效射程较大，排烟能力较强，可以将新鲜空气直接输至工作面；排除式通风降粉尘和有害气体直接吸入风机，通过风筒排除隧道，不会对隧道其他部位造成影响，隧道内部的工作环境和空气状况可以得到保证。

3.2机械通风方案

（1）此站点工程施工前期阶段（附属与主体未贯通），为通风第一阶段，机械通风采用压入式通风方案，该阶段主要施工车站主体开挖支护。在施工通道洞口设置2台低噪音、大功率轴流风机，通过风筒向掌子面输送新风。对洞内降温提供了有效措施。

（2）此站点工程施工后期阶段（附属与主体贯通后），为通风第二阶段，机械通风采用巷道式与局部压入式结合的通风方案，该阶段主要通过射流风机向车站主体隧道增加风压和加速风循环，轴流风机作为车站局部施工辅助通风。

3.3保证机械通风降温措施

机械通风技术的降温效果受到多种因素的影响，包括风速、通风设备的位置和数量、通风系统的布局等。为了防止降温受到影响，本工程采用以下标准：

对于风速，通风的风速全断面开挖不应小于0.15 m/s，分部开挖的坑道内不小于0.25 m/s，且不大于6 m/s。为保证施工人员的身体舒适度，每人每分钟供给3 m3新鲜空气，在洞口设置两台功率为110 KW轴流风机。通过风筒向主体内输送新风。

4冰块与风机降温

在隧道施工中，冰块作为一种临时降温措施得到了广泛应用。冰块在融化过程中会吸收大量热量，从而降低隧道内的温度。风机通过旋转叶片或螺旋状构造，利用动力源提供的动力，将气体压力提高，并将冷气输送到目标位置。

与机械通风相比，冰块降温具有成本低、操作简单、见效快等优点。但是，冰块降温也存在一定的局限性，如融水对隧道围岩的影响、冰块供应的及时性等问题。在应用冰块降温时，需要合理安排冰块的运输、存储和使用，避免造成浪费和安全问题。

4.1降温方式

由于冰块较大不好存储和运输，在现场使用机械设备切割、破碎冰块。然后将冰块放置在冰块放置在地面，将风机放在冰块前方，由于开挖工作面的温度过高，使得冰块加速融化。然后通过风机的风轮将冰融化的冷气吹向施工作业面，达到降温处理的效果。这种方式简单便捷、容易操作。

4.2两者的降温优点

使用冰块进行降温，可能会对隧道内的空气流通产生影响。因为冰块会释放出冷气，这可能会对隧道内的气流产生影响，可能会影响隧道内的温度和湿度不均匀，导致施工材料的质量下降，从而影响隧道施工的进度和质量。

在大断面、多作业面隧道机械开挖过程中，由于施工活动和设备运转，空气流通不畅会导致温度升高和空气污浊。风机的使用可以增加空气流通量，减少热量积聚和有害气体浓度，提高工作环境的质量。

将冰块和风机的结合使用，迅速改善了作业面的高温环境，提高了作业效率，加快了工程进度。

5 空调室的设置

由于隧道开挖面积广，施工作业面多，机械通风也无法同时满足所有的降温需求。所以在通道休息区设置了空调室，空调室是一种设置在施工通道内提供施工人员休息场地。其作用降低人体的体表温度，避免施工人员身体不适、身体中暑等现象的出现。

空调室的设置需要考虑到隧道的宽度，隧道宽度为6.48 m,设置空调室的长度为2.1 m、高度2.2 m、宽度1.8 m。此项目车站施工通道断面内净空最小为6.0 m，空调室的长度、宽度和高度应满足施工通道车辆通行的要求，同时满足施工人员的需要。为施工人员提供一个凉爽的工作环境，减少因高温而引起的身体不适、体力消耗和疲劳度，提高工作质量和效率。

6 多工作面综合降温

综合降温技术是一种利用多种降温手段来降低隧道内温度的方法。在隧道施工中，单纯依靠一种降温方法往往难以达到理想的降温效果[5]。因此，可以综合考虑机械通风、冰块、风机、空调休息室等多种降温手段的优缺点，合理搭配使用，以达到最佳的降温效果。

在此站点隧道施工中，由于工作面多、作业环境封闭，容易导致温度过高，从而导致温度在机械开挖过程中不断升高。单一的降温手段往往难以满足多个作业面的降温需求。因此，需要制定合理的多工作面综合降温策略。具体而言，可以根据各个作业面的施工特点和温度状况，采用不同的降温方法。

结语

本文对大断面多作业面隧道机械开挖降温技术进行了研究，综合本工程实际探讨了机械通风、冰块、风机、多作业面综合降温策略等方面的应用和关键技术。通过分析可以看出，各种降温方法都有其优缺点和适用范围，需要根据实际情况进行选择。只有通过不断完善和提高降温技术水平，才可以有效地提高隧道施工效率和工程质量，提供良好的作业环境，具有重要的工程实际意义。

参考文献

[1]雷刚. 岩石地层矿山法地铁隧道施工围岩力学响应及支护设计方法研究[D]. 浙江大学, 2022 . DOI: 10. 27461/d.cnki.gzjdx. 2022.002607.

[2]陈昊祥, 孙健, 李明博. 液压破碎锤的工作原理与研究现状[J]. 河南科技, 2023 ,42(10): 36-39. DOI: 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.007.