某高速鐵路隧道斜井工區(qū)施工通風(fēng)方案研究

方 偉

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程背景

某高速鐵路隧道全長14.012 km。其中3號斜井設(shè)計(jì)長1 793 m，坡度為9%下坡，斜井寬7.7 m，高6.2 m，斜井與正洞以60°夾角相交。原計(jì)劃承擔(dān)正洞施工任務(wù)DK376+250～DK374+368共計(jì)1 882 m，現(xiàn)預(yù)計(jì)承擔(dān)正洞施工任務(wù)1 978 m。該工程的特點(diǎn)是斜井長，通風(fēng)距離長，埋深大，洞內(nèi)地溫高，洞外氣壓較大，造成隧道內(nèi)通風(fēng)排煙困難，致使施工作業(yè)環(huán)境差，通風(fēng)排煙效果的好壞對施工影響很大。

2 施工通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)確定

依據(jù)我國礦山安全規(guī)程及《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，隧道內(nèi)施工作業(yè)段的空氣必須符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，初步確定該隧道施工通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)如下:1)有害氣體最高允許濃度值。一氧化碳:不大于30 mg/m3。當(dāng)施工人員進(jìn)入開挖面檢查時(shí)，濃度可為100 mg/m3，但必須在30 min內(nèi)降至30 mg/m3(37.5 ppm)。二氧化碳按體積計(jì)不得大于0.5%。氮氧化物(換算成NO2)低于5 mg/m3。2)粉塵容許濃度:每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2 mg。3)溫度:洞內(nèi)氣溫不宜超過28℃。4)氧氣含量:按體積計(jì)，不得低于20%。5)隧道施工時(shí)，供給每人的新鮮空氣量，不應(yīng)低于3 m3/min。6)隧道開挖時(shí)全斷面風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，分部開挖時(shí)不應(yīng)小于0.25 m/s。

3 需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)規(guī)范，對掌子面需風(fēng)量計(jì)算方式由按照施工人員所需風(fēng)量、按照同時(shí)起爆炸藥量需風(fēng)量、稀釋機(jī)動車尾氣需風(fēng)量、按照掌子面最低風(fēng)速要求需風(fēng)量和按照降溫除塵要求的需風(fēng)量五種。最終的需風(fēng)量取以上計(jì)算算得的最大值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，施工中的最大需風(fēng)量為降溫排塵需風(fēng)量，即:

其中，Qc為降溫排塵風(fēng)量，m3/min;vc為降溫排塵風(fēng)速，取0.3 m/s。風(fēng)筒直徑1.5 m，最長3 795 m，漏風(fēng)系數(shù)β=1.0%，風(fēng)機(jī)風(fēng)量按消除有害氣體積聚所需風(fēng)量計(jì)算:

4 通風(fēng)方案比選

1)方案一。采用一送一排的混合式通風(fēng)，送風(fēng)管在掌子面附近加設(shè)接力風(fēng)機(jī)，如圖1所示。

圖1 方案一通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置示意圖

a.施工需風(fēng)量計(jì)算。

由之前計(jì)算得需風(fēng)量為2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.送風(fēng)風(fēng)筒阻力計(jì)算。

其中，λ為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，取0.018;L為隧道的最大長度，取3 771 m;D為風(fēng)筒直徑，取1.5 m;ρ為空氣密度，取1 kg/m3;V為風(fēng)筒平均風(fēng)速。

風(fēng)筒面積 A=3.14 ×1.5 ×1.5/4=1.8 m2。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得h1=13 471 Pa。

風(fēng)管進(jìn)出口局部阻力為(1+0.3) ×1/2 ×24.4 ×24.4=387 Pa。

風(fēng)管總阻力h=13 471+387=13 858 Pa。

c.風(fēng)機(jī)選型。

原有軸流風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 方案一軸流風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

通過計(jì)算可知，原有軸流風(fēng)機(jī)基本上可以滿足新風(fēng)量要求。

d.排風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算。

一般而言，在混合式施工通風(fēng)中，排風(fēng)風(fēng)量一般為送風(fēng)量的1.2倍 ～1.3倍，本次計(jì)算取1.2 倍。故排風(fēng)風(fēng)量為2 638.46m3/min ×1.2=3 166 m3/min=44 ×1.2=52.8 m3/s。而現(xiàn)有風(fēng)機(jī)選擇的最大風(fēng)量為2 385 m3/min＜3 166 m3/min，不滿足要求。

e.排風(fēng)風(fēng)筒阻力計(jì)算。

假定現(xiàn)有排風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量滿足要求，計(jì)算排風(fēng)風(fēng)筒阻力:

排風(fēng)風(fēng)筒直徑為1 m，根據(jù)式(1)計(jì)算得:

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得h1=106 432 Pa。

風(fēng)管進(jìn)出口局部阻力為(1+0.3)×1/2×56×56=2 038 Pa。

風(fēng)管總阻力h=106 432+2 038=108 470 Pa＞5 355 Pa(風(fēng)機(jī)最大壓力)。

f.方案一小結(jié)。

通過上面計(jì)算可知，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的布置下，方案一是不可行的。

2)方案二計(jì)算。

a.施工需風(fēng)量計(jì)算。

由之前計(jì)算得需風(fēng)量為2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.風(fēng)筒阻力計(jì)算。

風(fēng)管直徑1.5 m。

根據(jù)式(1)計(jì)算得:

V=Q/A=44 ×0.8/1.8=19.5 m/s(風(fēng)管直徑 1.5，提供 80%的新鮮風(fēng))。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得h1=8 603 Pa。

風(fēng)管進(jìn)出口局部阻力為(1+0.3) ×1/2×19.5 ×19.5=247 Pa。

風(fēng)管總阻力h=8 603+247=8 850 Pa。

c.風(fēng)管直徑 1.0 m。

根據(jù)式(1)計(jì)算得:

V=Q/A=44 ×0.2/0.785=11 m/s(風(fēng)管直徑 1 m，提供 20%的新鮮風(fēng))。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得h1=4 107 Pa。

風(fēng)管進(jìn)出口局部阻力為(1+0.3)×1/2×11×11=79 Pa。

風(fēng)管總阻力h=4 107+79=4 186 Pa。

d.軸流風(fēng)機(jī)選型。

根據(jù)計(jì)算，軸流風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 方案二軸流風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

e.射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)計(jì)算。

污染風(fēng)摩擦阻力計(jì)算:

根據(jù)式(1)計(jì)算得:

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得H1=1.69 Pa。

同理可得污染風(fēng)流經(jīng)斜井時(shí)的摩擦阻力為16 Pa。

污染風(fēng)局部阻力為(1+0.7) ×1/2 ×1.2 ×1.2=1.2 Pa。

自然風(fēng)阻力計(jì)算:

其中，λ為主洞摩擦阻力系數(shù)，取0.1;L為隧道的最大長度，取3 771 m(斜井阻力大于主洞，自然風(fēng)阻力均按斜井計(jì)算);D為斜井直徑，取6.8 m;ρ為空氣密度，取1 kg/m3;V為平均風(fēng)速。

斜井面積 A=3.14 ×6.8 ×6.8/4=36 m2。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得H2=114 Pa。

活塞風(fēng)動力計(jì)算:洞內(nèi)雙向行車，且行車速度慢，故不考慮活塞風(fēng)動力作用。

單臺射流風(fēng)機(jī)升壓力計(jì)算:單臺射流風(fēng)機(jī)升壓力=空氣密度×射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的平方×射流風(fēng)機(jī)的出口面積/隧道斷面積×(1－隧道斷面風(fēng)速/射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速)×射流風(fēng)機(jī)位置摩擦阻力損失折減系數(shù)(0.5)。

代入計(jì)算得單臺射流風(fēng)機(jī)升壓力為25.6 Pa(射流風(fēng)機(jī)安置在主洞內(nèi))。

單臺射流風(fēng)機(jī)升壓力為61.3 Pa(射流風(fēng)機(jī)安置在斜井內(nèi))。

射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)的確定:61.3 ×2+25.6=148.2 ＞16+1.2+114=131.2，只需在斜井內(nèi)布置2臺射流風(fēng)機(jī)，主洞內(nèi)布置1臺射流風(fēng)機(jī)，就可以滿足排風(fēng)要求，由于洞外自然風(fēng)壓力偏大，故在計(jì)算的風(fēng)機(jī)臺數(shù)上多安裝一臺，作為備用。最終射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)為斜井3臺，主洞1臺。

f.方案二小結(jié)。

通過上面計(jì)算，方案二技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 方案二技術(shù)參數(shù)表

通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 方案三通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置示意圖

5 隧道內(nèi)風(fēng)流場、溫度、粉塵擴(kuò)散數(shù)值模擬

1)模型建立。該部分?jǐn)?shù)值模擬，將方案一～方案三的三種方案的模型建在同一個(gè)計(jì)算文件下，通過設(shè)置不同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算。為了節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，建立300 m長的計(jì)算模型，旨在對比三種方案的優(yōu)劣點(diǎn)，推薦出比較合理的施工通風(fēng)方案。模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2)方案一模擬結(jié)果分析。方案一采用一送一排的混合式通風(fēng)，送風(fēng)管在掌子面附近加設(shè)接力風(fēng)機(jī)。

由圖4可以看出，由于方案一送風(fēng)口距離掌子面的距離為50 m，掌子面已經(jīng)位于風(fēng)流射流區(qū)以外，在掌子面附近形成了污風(fēng)的渦流現(xiàn)象，這對于污風(fēng)的排出是不利的。根據(jù)規(guī)范的要求，在施工通風(fēng)中，風(fēng)管出風(fēng)口距離掌子面的距離應(yīng)該在10 m～15 m。

圖4 掌子面附近風(fēng)速矢量圖（方案一）

由圖5可以看出，在接力風(fēng)機(jī)的位置，有一部分的污風(fēng)進(jìn)入送風(fēng)管，形成了污風(fēng)的回流，也就是說，風(fēng)流通過接力風(fēng)機(jī)以后，送入掌子面的新鮮風(fēng)量降低了。同時(shí)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)的位置，有一部分新鮮風(fēng)也通過排風(fēng)管道排出了隧道外。這樣在隧道內(nèi)形成了污染空氣的循環(huán)和新鮮風(fēng)的流失，對于整個(gè)隧道施工環(huán)境的保障是很不利的。

圖5 接力風(fēng)機(jī)附近風(fēng)速矢量圖（方案一）

在本方案中，作業(yè)面的供電功率為405.5 kW，而作業(yè)面附近的兩臺風(fēng)機(jī)的功率就為220 kW，因此，在該方案中，相同條件下，作業(yè)面附近的放熱本來就高于其他情況。由圖6可以看出，隨著新鮮風(fēng)的供入，隧道內(nèi)的溫度能理論上維持在30℃左右。

圖6 掌子面附近溫度場云圖（方案一）

由圖7可以看出，粉塵在隧道內(nèi)游離運(yùn)動的時(shí)間比較長，是因?yàn)樗淼纼?nèi)沒有形成穩(wěn)定的風(fēng)流場所致。

圖7 隧道內(nèi)粉塵軌跡圖（方案一）

3)方案二模擬結(jié)果分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，天平山隧道3號斜井的施工已經(jīng)完成，正洞施工中使用的通風(fēng)方案為1.5 m風(fēng)管和1 m風(fēng)管的混合式通風(fēng)，然而通過計(jì)算和數(shù)值模擬分析，該方案不能滿足施工環(huán)境保障的要求，為了簡化施工困難和節(jié)約工程造價(jià)，經(jīng)過分析，確定了方案二的通風(fēng)方案，方案二采用壓入式通風(fēng)，分別用兩根風(fēng)管向隧道內(nèi)送入新風(fēng)，風(fēng)管直徑分別為1.5 m和1 m，隧道內(nèi)污風(fēng)從斜井口排出。

由圖8可以看出，在掌子面附近沒有形成污風(fēng)的渦流，即掌子面位于風(fēng)管出口射流區(qū)以內(nèi)。這種設(shè)置，非常有助于掌子面附近的污風(fēng)的排出，有利于保障掌子面附近的作業(yè)環(huán)境。

如圖9所示為隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)附近風(fēng)流場情況，隧道內(nèi)加設(shè)射流風(fēng)機(jī)的作用就是為污風(fēng)從隧道內(nèi)排出提供動力，由圖9可以看出，這種效果還是非常明顯的。

圖8 掌子面附近風(fēng)速矢量圖（方案二）

圖9 隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)附近風(fēng)速矢量圖（方案二）

圖10 掌子面附近溫度場云圖（方案二）

在該方案中，由于取消了隧道作業(yè)面附近的接力風(fēng)機(jī)和隧道內(nèi)的排風(fēng)風(fēng)機(jī)，因此，隧道內(nèi)的放熱功率大大減小，且通風(fēng)方案得到了優(yōu)化。溫度比起方案一來略有降低(見圖10)。

6 結(jié)論及推薦方案

通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到以下結(jié)論:

1)隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)中，通風(fēng)管選擇的合適與否直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)功率和通風(fēng)效果，在可能的條件下，盡量選擇直徑大的風(fēng)管以降低風(fēng)阻;2)盡量減少在隧道內(nèi)布設(shè)風(fēng)機(jī)，以減少放熱功率;3)風(fēng)管的日常維護(hù)和保養(yǎng)非常重要，以降低風(fēng)管的漏風(fēng)，確保工作面的新風(fēng)量;4)在隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)中，送風(fēng)管出風(fēng)口離掌子面的距離不能太大，否則在掌子面附近要產(chǎn)生污風(fēng)的回流，該距離應(yīng)控制在10 m～15 m之間;5)隧道內(nèi)布置接力風(fēng)機(jī)應(yīng)慎重布置，否則很容易造成經(jīng)濟(jì)損失，并且通風(fēng)效果不好;6)施工通風(fēng)主要是控制新風(fēng)量，新風(fēng)是否能送到工作面是施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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