泥水盾构施工作业环境温度影响因素及解决措施
张 杰
【摘 要】本文根据台山核电站取水隧洞φ9 010 mm泥水平衡式盾构机的温度测试数据，以及盾构机的有关技术参数进行了热平衡计算，浅析了泥水平衡盾构施工对施工作业环境温度的影响因素及各因素的影响程度，并对盾构施工作业环境的改善提出了有效建议，供今后盾构施工和盾构设计制造参考。 【期刊名称】四川建材 【年(卷),期】2018(044)001 【总页数】4
【关键词】关键词:环境温度；影响因素；盾构机；热平衡
0 前 言
盾构设备装机功率较大，在隧道运转时会产生大量的热量，如果不采取优化措施，大量的热量会大大提高盾构施工环境温度，直接影响设备的正常运转及作业人员的工作效率。吴晓铃等[1]对土压平衡盾构机行星减速器进行了热平衡分析，通过建模和计算表明齿轮的啮合次数对齿轮温升具有重要影响；汪茂祥[2]列举了土压平衡盾构机液压油温度过高的种种因素并提出了各种解决办法，能够有效地控制液压系统的温升；朱平和王君[3]介绍了盾构机液压系统的组成以及各部分的重要职能，并对某盾构机的热平衡进行了计算，表明了采用先进的液压传动及控制技术将是盾构机动力传递及控制系统的发展方向；牟映洁等[4]在盾构机工业水循环系统设计中对换热问题也进行了大篇幅的计算介绍；本文借鉴了刘殿勇和张宁川[5]对盾构机掘进热平衡问题的分析与计算方法，定量地分析了台山核电站取水隧洞泥水盾构机在掘进过程中对施工环境温度影响的各
个因素，并针对这些因素提出了设备的优化设计和改造建议。
1 模型与边界
由于隧洞所配置的管道(泥浆管和水管)较长，热传递较为迅速(管道里面流体的热量传递给隧道内空气)，而且隧道内径与地层的接触面积较大，彼此间的热量传递也较明显，加上所有施工人员主要集中在盾构机区域作业，若对隧道整体进行热平衡计算，则计算结果不够准确。本文以盾构机尾部(3#拖车尾端)为分界线，只计算分析盾构机所占空间内的热平衡问题。
热平衡计算依据：盾构机装机功率掘进时在隧道内源源不断产生的热量并使盾构机环境升温成为高温热源(相对的大气为低温热源)。通风机的风流、冷却水的水流、泥浆管里的泥浆在热源获得热量并源源不断地带出洞外。本文在以下假设条件下进行探讨：①系统在盾构掘进→安装管片→盾构掘进的连续循环中，近似地认为长期稳定在热平衡状态下,即这一热力系统内各区段储存的能量不随时间而变化；②由于隧道安装好的管片传热系数较小，即在盾构区域内不考虑隧道向地层传热。
2 工程温度实测
台山核电站取水隧洞1#隧洞长约4 300 m。盾构机型为海瑞克 S-551，φ9 010泥水平衡式盾构机。地质情况为粗砾砂、黏土。盾构机掘进参数：推力T=2200 t；开挖舱压力=1.7bar；刀盘转速R=1 r/min；泥浆管排量Q=800 m3/h，排浆比重ρ=1.2×103 kg/m3。切屑刀具形式：撕裂刀(齿刀)+刮刀。测温仪器:机装水温表、激光测温仪、温湿度计、风速仪，水银温度计、电热法测液体比热容装备1套(机装水温表测水温;激光测温仪测机件温度;温湿度计测气温、泥浆温度)。
在连续掘进时，从管片安装完毕至下一环管片安装完毕这段时间(掘进一环的时间为 30 min左右,安装一环管片30 min左右)平均测量6次数据，取平均值得到如下测试结果，见表1～2。
3 热力过程分析
1)掘进过程热力分析。掘进过程中隧道作业区间产生的热量为：①q1：电气系统产生的热量；②q2：液压系统产生的热量；③q3：传动及密封产生的热量；④q4：泥水在开挖舱及泥浆泵内因搅动和摩檫产生的热量；⑤q5：作业人员产生的热量；⑥q6：通风风流、冷却水流带进隧道的能量因最后仍由它们带出,因此可设为零；⑦q7：盾壳推进中与地层摩檫而产生的热量,因推进功率小也忽略不计。
2)掘进过程中工质从隧道区间带走的热量：①通风风流将带出的热量:电气热量q1的全部、液压热量 q2的一部分、传动系统热量的q3的一部分、q4的一部分以及人员的热量q5的全部；②冷却水流带出的热量:液压热量q2的大部分,传动系统热量q3的大部分；③泥水带出的热量:泥水在开挖舱及泥浆泵内因搅动和摩檫产生的热量q4的大部分。
在盾构机内部,各工质的流量是某范围内的可变数值,准确值在实际使用过程中由调整而确定，由于难以准确地直接计算各工质在机器内获得的热量的比例或数值,因此，根据实测数据来计算各工质所携带的热量值。
4 热力过程简算
上述热力过程中,盾构机装机功率产生的热量,可由海瑞克公司提供的各系统的总效率以及根据各元件的结构形式由设计手册提供的部件工作效率计算。泥水产生的热量,可根据摩擦生热计算。在盾构机内部,各工质的流量是某范围内的可变
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