一种高温隧道施工局部智能降温系统及方法

本发明涉及隧道降温领域，尤其涉及一种高温隧道施工局部智能降温系统及方法。

背景技术：

1、高原地区地形陡峻、板块活动明显、地质灾害频发、生态环境脆弱以及气候条件恶劣等多重现实生产问题，均给高海拔隧道建设带来严重影响。且川藏铁路“两隧”建设沿线海拔高，温度低，超长隧道内地温分布范围广，使得洞内外温差大，建设过程具有施工难度大、施工成本高、安全风险高、施工降效严重以及施工防治有效措施少等众多工程问题与现实挑战。高海拔隧道的高地温不良地质对隧道的施工和运营带来了极不利的影响。高温高湿低氧的作业环境导致人员无法正常进行施工作业，容易出现呼吸频率突增、脱水、呕吐眩晕、缺氧休克等情况。突然喷出的热水和热气会导致施工机具和人员受伤甚至死亡，同时机械设备在这种环境下的工作效率和使用寿命也会严重受损。高地温还会影响围岩的稳定性，给隧道掘进工作带来严重影响。同时，在高温和热水浸泡环境下，炸药会膨胀和融化，产生刺激性硝铵气味，对人体造成巨大伤害。此外，导爆管、雷管等起爆器材只能在一定的温度范围内正常使用，在高地温环境下可能失效，从而导致炸药发生拒爆并留下安全隐患。目前常规高地温隧道施工的降温方法简单落后，只是单纯加大风机功率和采用多人轮换施工。这种施工方式导致施工工期长、成本高、安全风险极大且降温效率不高。

技术实现思路

1、为解决上述存在的问题，本发明提供了一种高温隧道施工局部智能降温系统及方法，具体包括：

2、一种高温隧道施工局部智能降温系统，包括：绝热风筒、喷头、上位机和变频风机；

3、所述绝热风筒安装在隧道内的侧壁上，所述绝热风筒的一端连接所述变频风机，所述绝热风筒的另一端连接有流量计，所述流量计用来测量所述隧道内的通风量；所述隧道的顶面内壁上设有多个喷头，每个所述喷头上安装有温度传感器，所述喷头通过可编程逻辑控制器与所述上位机连接。

4、可选地，所述温度传感器、所述变频风机和所述流量计与所述上位机电性连接。

5、可选地，所述隧道的顶面内壁上设有m排喷头组件，每排所述喷头组件中的所喷头的数量为n个。

6、可选地，所述喷头组件的排数m的计算公式为公式(1)：

7、

8、m为所述喷头组件的排数；

9、a为所述隧道的长度；

10、s为一个所述喷头的有效喷射面积。

11、可选地，每排所述喷头组件中的所述喷头的数量n的计算公式为公式(2)：

12、

13、n为每排所述喷头组件中的所述喷头的数量；

14、b为一个所述喷头所在的所述隧道的横截面的最长宽度；

15、s为一个所述喷头的有效喷射面积。

16、可选地，所述变频风机包括第一频率、第二频率、第三频率和第四频率，当所述变频风机处于所述第一频率时、当所述变频风机处于所述第二频率时、当所述变频风机处于所述第三频率时和当所述变频风机处于所述第四频率时，所述变频风机所需的功率依次增大。

17、一种高温隧道施工局部智能降温方法，应用于所述的高温隧道施工局部智能降温系统，所述方法包括以下工况：

18、第一工况：变频风机处于第一频率运行；

19、第二工况：变频风机处于第二频率运行；

20、第三工况：变频风机处于第三频率运行；

21、第四工况：变频风机处于第四频率运行；

22、所述方法包括以下步骤：

23、s1、所有温度传感器监测隧道内的温度，并将监测到的温度信号传送至上位机；

24、s2、所述上位机接收所述温度信号，并对所有温度信号传达的温度值进行汇总取平均温度；

25、当所述平均温度小于或等于28℃时，所述上位机控制所述变频风机持续执行第一工况，对隧道内进行通风；

26、当所述平均温度超过28℃但在30℃以下时，所述上位机控制所述变频风机执行第二工况30分钟，对隧道内进行通风；

27、当所述平均温度超过30℃但在32℃以下时，所述上位机控制所述变频风机执行第三工况20分钟，对隧道内进行通风；

28、当所述平均温度超过32℃时，所述上位机控制所述变频风机执行第四工况15分钟，对隧道内进行通风；

29、s3、按照规定时间通风后，所有所述温度传感器监测所述隧道内的温度并将监测到的温度信号上传至所述上位机；

30、s4、所述上位机接收所述温度信号，并对所有温度信号传达的温度值进行汇总取平均温度；

31、当所述平均温度小于或等于28℃时，所述上位机控制所述变频风机持续执行第一工况，对隧道内进行通风；

32、当所述平均温度超过28℃但在30℃以下时，所述上位机控制所述变频风机执行第二工况，对隧道内进行通风；同时，所述上位机根据所述温度传感器传送来的所有温度信号判断传送超过28℃的温度信号的温度传感器的具体位置，所述上位机控制可编程逻辑控制器将温度超过28℃位置处的喷头打开，进行喷雾降温；

33、当所述平均温度超过30℃但在32℃以下时，所述上位机控制所述变频风机执行第三工况，对隧道内进行通风；同时，所述上位机根据所述温度传感器传送来的所有温度信号判断传送超过28℃的温度信号的温度传感器的具体位置，所述上位机控制可编程逻辑控制器将温度超过28℃位置处的喷头打开，进行喷雾降温；

34、当所述平均温度超过32℃时，所述上位机控制所述变频风机执行第四工况，对隧道内进行通风；同时，所述上位机根据所述温度传感器传送来的所有温度信号判断传送超过28℃的温度信号的温度传感器的具体位置，所述上位机控制可编程逻辑控制器将温度超过28℃位置处的喷头打开，进行喷雾降温；

35、s5、在通风降温和喷雾降温的过程中，所有温度传感器监测隧道内的温度，并将监测到的温度信号传送至上位机；所述上位机接收所述温度信号，并对所有温度信号传达的温度值进行汇总取平均温度；

36、当所述平均温度小于或等于28℃时，所述上位机控制所述变频风机持续执行第一工况，对隧道内进行通风；同时，所述上位机控制可编程逻辑控制器将所有所述喷头关闭；

37、当所述平均温度超过28℃时，所述上位机控制所述变频风机根据s4中每个温度区间分别执行对应的工况，同时上位机控制可编程逻辑控制器使所述喷头持续喷雾，直至平均温度降至28℃以下，当平均温度降至28℃以下时，所述上位机控制可编程逻辑控制器将所有所述喷头关闭，同时所述上位机控制所述变频风机执行第一工况，对隧道内进行持续通风。

38、可选地，所述上位机内嵌自适应pid控制法控制所述变频风机切换执行的工况。

39、可选地，所述方法包括通风验证，所述通风验证包括以下步骤：

40、s101、流量计将所述变频风机执行第一工况时的通风量、所述变频风机执行第二工况时的通风量、所述变频风机执行第三工况时的通风量和所述变频风机执行第四工况时的通风量上传至所述上位机；

41、s102、所述上位机内置带有强加初始条件和边界条件的cfd控制方程计算系统，将所述流量计检测到的通风量代入至带有强加初始条件和边界条件的cfd控制方程求解，得到隧道中的模拟温度分布情况；

42、s103、将得到的隧道中的模拟温度分布情况与s3中按照规定时间通风后，所有温度传感器监测到的隧道内的实际温度进行对比，当模拟温度分布情况小于实际温度时，隧道内通风效果不良，当模拟温度分布情况大于或等于实际温度时，隧道内通风效果良好。

43、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

44、本方案通过采用耦合通风降温方案，通风降温配合喷雾降温能够降低施工过程中的局部高温，改善工人的作业环境，且本方案包括上位机控制系统智能根据隧道内温度选择降温方法，节约了能源，降低了成本，提高了降温效率，喷雾降温还可以实现降尘。