平行導(dǎo)坑超前多作業(yè)面平行施工通風(fēng)節(jié)能技術(shù)研究

趙軍喜

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隧道施工通風(fēng)是指在隧道施工過程中利用流體機(jī)械或自然風(fēng)壓為動力，使地面空氣進(jìn)入施工隧道內(nèi)，并在施工隧道內(nèi)做定向和定量流動，為隧道施工作業(yè)場所送入新鮮風(fēng)、排出有害氣體和粉塵、調(diào)節(jié)隧道內(nèi)熱濕環(huán)境的全過程。在隧道施工過程中，施工通風(fēng)是制約施工進(jìn)度、影響經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，良好的通風(fēng)布置和管理不僅能有效改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率，同時還能降低通風(fēng)能耗，節(jié)約成本。

在相關(guān)的研究中:文獻(xiàn)［1］應(yīng)用氣體流動的能量方程建立了公路長隧道平行導(dǎo)坑通風(fēng)的計(jì)算模式，對其基本作用力和阻力調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［2］介紹了隧道施工射流通風(fēng)中進(jìn)入隧洞風(fēng)量的計(jì)算方法，并結(jié)合具體算例分析研究了射流風(fēng)機(jī)位置及局扇對進(jìn)洞風(fēng)量的影響等問題;文獻(xiàn)［3］為解決斜井進(jìn)入正洞以后通風(fēng)難度大，通風(fēng)效果較差的難題，引入了單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù);文獻(xiàn)［4］對關(guān)角隧道施工通風(fēng)斜井分隔技術(shù)進(jìn)行了介紹;文獻(xiàn)［5］從隧道氣候3要素(溫度、濕度和風(fēng)速)入手，對比分析了國內(nèi)外與隧道施工環(huán)境舒適性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，重點(diǎn)分析了隧道氣候3要素對隧道施工環(huán)境舒適性的影響，總結(jié)提出了隧道施工環(huán)境舒適性建議標(biāo)準(zhǔn)，并對隧道施工環(huán)境舒適性檢測與評價方法進(jìn)行了比較，確定了合理的檢測與評價方法，同時提出了隧道施工環(huán)境舒適性的主要調(diào)控方法。

雖然以上文獻(xiàn)對平行導(dǎo)坑通風(fēng)計(jì)算、射流風(fēng)機(jī)的安裝位置以及隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境舒適性等進(jìn)行了研究，但是隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，有必要進(jìn)一步對平行導(dǎo)坑超前多作業(yè)面平行施工通風(fēng)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究，以提高隧道施工通風(fēng)水平。

本文依托貴廣客運(yùn)專線三都隧道，對進(jìn)口工區(qū)施工通風(fēng)方案及通風(fēng)設(shè)備選型的合理性和節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)方案的優(yōu)化和通風(fēng)設(shè)備的節(jié)能。

1 工程概況

三都隧道位于貴州省黔南州都勻市境內(nèi)，全長14 598 m，最大埋深約600 m。隧道進(jìn)口沿前進(jìn)方向左側(cè)設(shè)有平行導(dǎo)坑，距離正洞30 m，長2 270 m，設(shè)4個橫通道與隧道相連。其運(yùn)輸為無軌運(yùn)輸。

2 通風(fēng)方案的合理性及節(jié)能研究

三都隧道進(jìn)口施工開挖采用平導(dǎo)超前、通過橫通道增開正洞工作面的施工方法。風(fēng)管壓入式通風(fēng)不適用的原因是:正洞和平導(dǎo)作業(yè)面需風(fēng)量大，風(fēng)管的直徑大，平導(dǎo)斷面不能滿足多趟風(fēng)管的布置，且壓入式通風(fēng)耗電量大。混合式不適用于無軌運(yùn)輸。因此，必須采用主扇通風(fēng)或射流通風(fēng)來解決通風(fēng)問題。三都隧道進(jìn)口工區(qū)的施工通風(fēng)共分為4個階段，難度最大的是第2階段。以第2階段的通風(fēng)方案進(jìn)行分析比較。

2.1 射流巷道通風(fēng)方案

在第2階段，隧道的二通和三通與正洞和平導(dǎo)貫通，此時平導(dǎo)超前開挖，在正洞形成2個開挖工作面，平導(dǎo)有1個開挖工作面，需要3個管路分別向3個掌子面送風(fēng)，形成射流巷道式的通風(fēng)。其通風(fēng)系統(tǒng)布置見圖1。

經(jīng)計(jì)算，第2階段通風(fēng)設(shè)備配置見表1。

圖1 第2階段施工通風(fēng)系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

表1 射流巷道式第2階段通風(fēng)設(shè)備配置表Table 1 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

2.2 采用主扇通風(fēng)方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)的通風(fēng)方案，采用主扇通風(fēng)時，第2階段需要的新風(fēng)量最大。其通風(fēng)布置見圖2。

經(jīng)計(jì)算比選，第2階段通風(fēng)設(shè)備配置見表2。

2.3 射流巷道式和主扇式通風(fēng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2.3.1 技術(shù)方面

從技術(shù)上講，射流通風(fēng)和主扇通風(fēng)2種方法都是可行的。射流巷道通風(fēng)是在華鎣山公路隧道創(chuàng)造的新方法，是通過射流風(fēng)機(jī)把新風(fēng)從平導(dǎo)引入，污濁空氣從正洞排出，各開挖作業(yè)面送風(fēng)的局扇放置在新鮮風(fēng)流中，通過局扇和軟風(fēng)管為其送風(fēng)，射流風(fēng)機(jī)安裝方便、靈活，阻力小。主扇通風(fēng)是在平導(dǎo)旁邊修建送風(fēng)道，建主扇房，安裝大功率通風(fēng)機(jī)，同時在平導(dǎo)口安裝自動風(fēng)門，以防止漏風(fēng)，但影響平導(dǎo)交通。通過主扇經(jīng)平導(dǎo)壓入新風(fēng)，污風(fēng)從正洞排出，各開挖作業(yè)面需要的新風(fēng)由放在平導(dǎo)新風(fēng)內(nèi)的局扇通過軟風(fēng)管送入。射流巷道式通風(fēng)的先進(jìn)性很明顯。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)方面

采用射流通風(fēng)和主扇通風(fēng)時，其局扇的功率和軟風(fēng)管數(shù)量及直徑都是一樣的。采用射流通風(fēng)時，其射流風(fēng)機(jī)的總功率僅僅為110 kW，如采用主扇通風(fēng)，其功率為330 kW，采用射流通風(fēng)比采用主扇通風(fēng)電機(jī)功率節(jié)省220 kW，僅此一項(xiàng)1年節(jié)省電費(fèi)154.18萬元，射流巷道通風(fēng)更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。

圖2 主扇通風(fēng)第2階段通風(fēng)布置示意圖Fig.2 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

表2 主扇通風(fēng)式第2階段通風(fēng)設(shè)備配置表Table 2 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

射流通風(fēng)與主扇通風(fēng)所用風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)管數(shù)量對比見表3。

表3 射流通風(fēng)與主扇通風(fēng)對比Table 3 Comparison and contrast between jet flow gallery ventilation mode and main fan ventilation mode

3 通風(fēng)設(shè)備節(jié)能研究

在隧道施工過程中，不同的施工工序所需要的風(fēng)量是不同的，如出渣、噴漿作業(yè)需要的風(fēng)量大，打鉆、支護(hù)作業(yè)需要的風(fēng)量相對要小，而風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量往往是按隧道內(nèi)最大需風(fēng)量來設(shè)計(jì)的。各工況需風(fēng)量統(tǒng)計(jì)見圖3。

圖3 各工況需風(fēng)量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Quantities of air needed under different construction conditions

在隧道施工過程中，風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，造成電能大量浪費(fèi)。采用隧道施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)，運(yùn)用模糊PID控制與變頻調(diào)速技術(shù)控制交流異步電動機(jī)的輸入頻率，以隧道掘進(jìn)工作面有害物質(zhì)濃度與作業(yè)環(huán)境溫度等為控制對象來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面風(fēng)量的閉環(huán)控制，在保證隧道施工作業(yè)需風(fēng)要求的情況下可有效節(jié)約能源。掘進(jìn)工作面風(fēng)量自動控制系統(tǒng)見圖4。

圖4 掘進(jìn)工作面風(fēng)量自動控制系統(tǒng)Fig.4 Air quantity automatic control system

3.1 節(jié)能原理

根據(jù)流體力學(xué)理論［6］，對于同一臺風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有n1改變?yōu)閚2時，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系為:

式中:n1，n2為通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min;H1，H2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa;N1，N2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，kW。

由以上的比例關(guān)系，可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這說明通過改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風(fēng)機(jī)的輸入功率，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

3.2 施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及風(fēng)量控制模式

各作業(yè)工序需要的風(fēng)量大致為打眼裝藥120 m3/min，放炮排煙 250 m3/min，初噴 350 m3/min，出渣654 m3/min，初期支護(hù)350 m3/min。出渣運(yùn)輸作業(yè)所需風(fēng)量最大。隧道施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)由隧道通風(fēng)機(jī)、自動控制柜、信號傳輸系統(tǒng)、傳感器組成。傳感器是用來實(shí)現(xiàn)對作業(yè)面相關(guān)參數(shù)的不間斷監(jiān)測，信號傳輸線是用來把傳感器所監(jiān)測到的信息傳輸給自動控制柜，自動控制柜根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動控制通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)量的大小，以此來達(dá)到根據(jù)作業(yè)面監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。系統(tǒng)配置時，自動控制柜布置在風(fēng)機(jī)附近，PLC及擴(kuò)展模塊、變頻器、光端機(jī)以及電度表均設(shè)置在自動控制柜內(nèi);CO傳感器、粉塵傳感器、O2傳感器及NO2傳感器布置在掌子面附近，風(fēng)速傳感器設(shè)置在風(fēng)管內(nèi)距離出風(fēng)口10 m處，傳感器通過光纖與自動控制柜連接;上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)布置在洞外監(jiān)控室，并通過過程現(xiàn)場總線與自動控制柜連接。

圖5 三都隧道自動控制通風(fēng)系統(tǒng)布置示意圖Fig.5 Layout of automatic-controlled ventilation system of Sandu tunnel

4 通風(fēng)效果分析

三都隧道進(jìn)口工區(qū)平導(dǎo)采用射流巷道通風(fēng)方式和自動控制通風(fēng)系統(tǒng)，不僅取得了很好的通風(fēng)環(huán)境效果，而且也取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。圖6為自動控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。在試驗(yàn)過程中，選擇一個施工循環(huán)進(jìn)行分析。其施工工序?yàn)?8:10放炮—8:25開始出渣—10:55出渣結(jié)束、開始初期支護(hù)—12:55開始噴漿—13:25開始打鉆—15:25循環(huán)結(jié)束。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集的風(fēng)速、粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度和O2濃度的變化繪制成曲線，如圖7—11所示。

圖6 自動控制系統(tǒng)設(shè)備圖Fig.6 Equipment of automatic control system

由圖7—11可以看出，除了放炮后存在短時間的CO濃度超標(biāo)外，其他時間段未出現(xiàn)任何有害物質(zhì)濃度的超限、O2濃度不足的情況，在炮后15 min內(nèi)將CO濃度降到了規(guī)范允許值以內(nèi)。出渣階段，由于內(nèi)燃機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)，氮氧化物濃度起控制作用，變頻器頻率一直保持在50 Hz的運(yùn)行狀態(tài)。出渣結(jié)束進(jìn)入初期支護(hù)階段時，各有害物質(zhì)濃度明顯降低，變頻系統(tǒng)輸出頻率也相應(yīng)降低，直到噴漿階段，系統(tǒng)檢測到粉塵濃度呈快速上升趨勢后，變頻系統(tǒng)輸出頻率又上升到50 Hz的運(yùn)行狀態(tài)。噴漿結(jié)束后到打鉆階段，粉塵濃度逐漸下降，各有害物質(zhì)及O2濃度均為達(dá)標(biāo)狀態(tài)，輸出頻率逐漸降到44 Hz，并一直以該頻率運(yùn)轉(zhuǎn)直至該班結(jié)束。在整個開挖循環(huán)時間內(nèi)，有近40%的時間段系統(tǒng)以較低頻率運(yùn)行。

期間對平導(dǎo)耗電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，未采用自動控制通風(fēng)系統(tǒng)時48 h內(nèi)耗電量為3 232 kWh，采用自動控制通風(fēng)系統(tǒng)48 h內(nèi)耗電量為2 706 kWh。可見，采用自動控制通風(fēng)系統(tǒng)時節(jié)省耗電量526 kWh，節(jié)能效率達(dá) 16.3%。

圖11 O2濃度隨時間變化的曲線Fig.11 Oxygen concentration VS time

5 結(jié)論與建議

在輔助導(dǎo)坑條件下多作業(yè)面平行施工時，通風(fēng)問題往往是影響正常施工的一個主要問題，采用射流巷道式通風(fēng)方法能有效地解決其通風(fēng)問題;采用施工通風(fēng)自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道施工作業(yè)面新鮮風(fēng)量的自動調(diào)節(jié)，可有效地節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸受隧道檢底，對襯砌段的影響較大，建議對數(shù)據(jù)無線傳輸作進(jìn)一步研究，以消除有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

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