隧道施工通風分風三通位置選擇研究

茍紅松， 吳元金， 李永生， 張文新

(中鐵隧道勘測設計研究院有限公司， 河南 洛陽　471009)

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隧道施工通風分風三通位置選擇研究

茍紅松， 吳元金， 李永生， 張文新

(中鐵隧道勘測設計研究院有限公司， 河南 洛陽471009)

摘要：采用并聯(lián)風管對2個開挖面同時進行送風時，隧道施工通風系統(tǒng)中風管三通設置的位置對風管出口風量的影響較大，利用理論計算得出主風管與分風管直徑的比值是分風三通設置位置對開挖面風管出口風量影響的關鍵因數(shù)，圍繞著理論計算結果例舉3個工程算例及1個工程實例進行了驗證，得出合理選擇分風三通的位置來提高風管出風口風量的方法，為采用分風三通的施工通風工程提供技術參考。

關鍵詞：隧道； 施工通風； 分風三通

0引言

隧道施工通風狀況一直是制約隧道開挖獨頭長度的影響要素，特別是在輔助坑道的數(shù)量和斷面積受限情況下的長大隧道多作業(yè)面施工通風尤為困難，隨著工程技術人員的不斷努力，取得了較多的研究成果。文獻[1]對隧道施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生控制標準進行了研究；文獻[2]對高原地區(qū)施工通風計算進行了分析；文獻[3-4]對施工通風方案比選和優(yōu)化進行了研究；文獻[5]對施工通風現(xiàn)場管控進行了總結和介紹；文獻[6]對瓦斯隧道施工通風進行應用分析和歸納總結，以期能為隧道施工提供優(yōu)質的施工環(huán)境，提高隧道施工效率。文獻[7-11]對新型通風方式進行了開發(fā)和研究，如： 肖元平等[7]研究了在單斜井雙正洞隧道中采用射流通風技術；豆小天等[8]在長斜井隧道內設計大風室，采用接力通風技術；文獻[9-10]采用了斜井分割的隔板通風技術；趙軍喜[11]利用環(huán)境監(jiān)測設備對施工隧道內環(huán)境監(jiān)測并精準調節(jié)風機功率的技術等來研究解決長大隧道施工通風的難題，但以上的幾種通風技術均需要采用輔助風道，通風系統(tǒng)也較為復雜，管理難度大。隨著通風設備制造水平的不斷提高，風管并聯(lián)壓入式通風采用大功率變頻風機，大直徑低漏風率風管能滿足大部分輔助坑道受限情況下的多作業(yè)面施工通風需求，如南呂梁山隧道、平安隧道均采用風管并聯(lián)壓入式通風，通風效果良好，通風系統(tǒng)簡單易管理；但此類通風方式三通位置的選擇對開挖面風管出口風量影響很大，所以有必要對此類通風方式的三通位置選擇進行研究，以便達到更好的通風效果。

1理論計算與分析

1.1風管風量計算

設采用軟風管送到作業(yè)面的風量為Q0，通風管路的長度為L，直徑為d，斷面積為A，百米漏風率平均值β，摩擦阻力系數(shù)λ，空氣密度ρ，風流由管路末端自由排出。通風管路如圖1所示。

圖1　通風管路示意圖

根據(jù)日本青函隧道公式，風管入口風量Qin與風管出口風量Qout的關系為

(1)

距入風口x處的通風管內風量

(2)

則距入風口x處的通風管內風速為

(3)

通風管路的摩擦阻力[12]

(4)

若不考慮風管進口及出口局部損失，上式即為風管通風阻力。

1.2三通位置關系理論計算

風管出風口的風量與三通位置的關系主要體現(xiàn)在風管的阻力特性上[12]，通過對比2根分風管與長度相同的1根主風管的阻力特性，可得出主風管和分風管的直徑比值與分風三通位置的關系。

假設管路系統(tǒng)中某一段風管分為2種方式通風: 一種是1根風管(主風管)通風；一種是2根直徑相同的風管(分風管)通風。2種方式的送風長度必然相等，送到開挖面的風量也需相等，消耗的功率也相等，則這2種方式的通風阻力必然相等，即：

h主=h分。

(5)

將式(5)展開：

合并可得

(6)

式中： h為管路的摩擦阻力，Pa； λ為摩擦阻力系數(shù)； ρ為空氣密度，kg/m3； d為風管直徑，m； β為平均風管百米漏風率； L為風管長度，m； Q為風管進風口風量，m3/s； ρ主=ρ分； L主=L分； Q主=2Q分。

代入式(6)中，得：

(7)

當主風管與分風管采用相同材質的風管布時，式(7)中： λ主=λ分； β主=β分。

則式(7)簡化可得主風管直徑和分風管直徑的比值

(8)

1.3三通局部阻力的影響

分風三通位置的局部阻力

(9)

式中： hl為管路的局部阻力，Pa； ξ為局部阻力系數(shù),取1.0； v1為管路小斷面處的風速，m/s； ρ為空氣密度，kg/m3。

采用并聯(lián)風管對2個開挖面同時送風時，分風三通是必然存在的，三通越靠近井底的位置，風管內風速越高，三通所產(chǎn)生的局部阻力也越大。主風管及分風管通風時均考慮三通的局部阻力，但采用主風管時，三通位于主風管出口位置，而采用分風管時三通位于分風管入口位置，三通局部阻力以三通入口風量進行計算，則式(6)變形為

(10)

即

(11)

(12)

將送風距離L，百米漏風率平均值β，摩擦阻力系數(shù)λ=0.02代入式(12)，即可求出δ值，如圖2和圖3所示。

圖2　考慮三通局部阻力時δ值與分風管直徑的關系(β=0.015)

Fig. 2RelationshipsbetweenδvaluesandventilationpipediameterconsideringlocalresistanceofventilationT-junction(whenβ=0.015)

圖3　考慮三通局部阻力時δ值與分風管直徑的關系(L=2 000 m)

Fig. 3Relationships betweenδvalues and ventilation pipe diameter considering local resistance of ventilation T-junction (whenL=2 000 m)

由圖2和圖3可以看出，考慮三通局部阻力后，δ值總體變化較小，其原因是由于無論主風管還是分風管通風都考慮了三通局部阻力，而三通局部阻力與摩擦阻力相比是比較小的?？梢?，即使是考慮三通局部阻力受其位置的影響，式(8)的計算結果仍然是可以應用于施工通風設計的。

1.4計算結果分析

計算模型的邊界條件如下：

1)按照1路風管分風2路相同直徑、相同送風長度的風管考慮；

2)主風管和分風管的摩擦阻力系數(shù)、平均風管百米漏風率和長度等計算參數(shù)相等；

3)空氣密度不變，主風管風量平均分配給2路分風管。

在上述邊界條件下δ=1.319 5，如果主風管和分風管長度不等時，那么分風三通的設置位置就會發(fā)生變化；主風管和分風管的直徑變化又會導致δ值的變化。舉例計算可知分風三通設置位置和δ值對開挖面風管出口風量有很大影響，從中可以總結出一定的規(guī)律，合理利用此規(guī)律能夠改善隧道施工通風質量，提高經(jīng)濟效益。

2典型算例計算與規(guī)律總結

2.1典型算例1

某單斜井雙正洞隧道斜井長2 500 m，正洞4個開挖面距離三岔口均為3 000 m，洞口選用250 kW×2軸流風機，風機出口至分風三通位置布設2路直徑2.2 m的風管，分風三通至開挖面布設直徑1.6 m的風管，δ=1.375>1.319 5，風管平均百米漏風率均為1.5%，風管摩擦阻力系數(shù)為0.02。

2.1.1分風三通設置在斜井井底

風管布置如圖4所示，分風三通設置在斜井井底三岔口位置，通過計算得出： 4個開挖面的風管出口風量均為760.30 m3/min。

圖4　算例1分風三通設置在井底示意圖(單位： m)

Fig. 4Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 1 (m)

2.1.2分風三通設置在正洞內

風管布置如圖5所示，進口方向分風三通設置在距離三岔口1 000 m處，出口方向分風三通設置在距離三岔口2 000 m處，通過計算得出： 進口方向開挖面風管出風口風量均為773.81 m3/min；出口方向開挖面風管出口風量均為805.54 m3/min。

2.2典型算例2

某單斜井雙正洞隧道斜井長800 m，正洞4個開挖面距離斜井三岔口均為2 600 m，洞口選用200 kW×2軸流風機，風機出口至分風三通布設2路直徑2 m的風管，分風三通至開挖面布設直徑1.5 m的風管，δ=1.333≈1.319 5，由于風管直徑一般只能精確到 0.1 m，所以δ值稍大于1.319 5，風管平均百米漏風率均為1.5%，風管摩擦阻力系數(shù)為0.02。

圖5　算例1分風三通設置在正洞內示意圖(單位： m)

Fig. 5Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 1 (m)

2.2.1分風三通設置在斜井井底

風管布置如圖6所示，風管三通布設在三岔口位置，通過計算得出： 4個開挖面的通風管出口風量均為1 015.72 m3/min。

圖6　算例2分風三通設置在井底示意圖(單位： m)

Fig. 6Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 2 (m)

2.2.2分風三通布置在正洞內

風管布置如圖7所示，進口方向分風三通設置在距離三岔口1 800 m處，出口方向分風三通設置在距離三岔口1 000 m處，通過計算得出：進口方向通風管出風口風量均為1 007.30 m3/min；出口方向通風管出口風量均為1 022.62 m3/min。

圖7　算例2分風三通設置在正洞內示意圖(單位： m)

Fig. 7Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 2 (m)

2.3典型算例3

某單斜井雙正洞隧道斜井長700 m，正洞4個開挖面距離斜井三岔口均為3 000 m，洞口選用200 kW×2的風機。風機出口至分風三通布設2路直徑1.8 m的風管，分風三通至開挖面布設直徑1.6 m的風管，δ=1.125<1.319 5，風管平均百米漏風率均為1.5%，風管摩擦阻力系數(shù)為0.02。

2.3.1分風三通設置在斜井井底

風管布置如圖8所示，分風三通設置在斜井三岔口位置，通過計算得出： 4個開挖面的通風管出口風量均為974.65 m3/min。

圖8　算例3分風三通設置在井底示意圖(單位： m)

Fig. 8Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 3 (m)

2.3.2分風三通布置在正洞內

風管布置如圖9所示，進口方向分風三通設置在距離三岔口1 000 m處，出口方向分風三通設置在距離三岔口2 000 m處，通過計算得出： 進口方向通風管出風口風量為902.32 m3/min；出口方向通風管出口風量為872.75 m3/min。

圖9　算例3分風三通設置在正洞內示意圖(單位： m)

Fig. 9Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 3 (m)

2.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與規(guī)律總結

2.4.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3種算例的數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比情況見表1。

2.4.2規(guī)律總結

針對上述3種典型算例，通過對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計對比分析，可總結出如下規(guī)律。

1)當δ>1.319 5時，分風三通位置越靠近開挖面，開挖面風管出口風量越大，反之則越小。

2)當δ≈1.319 5時，分風三通設置位置對開挖面風管出口風量影響很小，分風三通位置可依據(jù)施工方便設置。

3)當δ<1.319 5時，分風三通位置越靠近開挖面，開挖面風管出口風量越小，反之則越大。

表1　3種算例數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比表

3工程實例驗證

平安隧道6#橫洞工區(qū)是目前正在施工且契合本文δ>1.319 5的工程實例。平安隧道6#橫洞洞身長2 852 m，為單橫洞雙正洞施工。正洞施工任務為出口方向1 673 m，進口方向2 205 m，正洞出口方向目前施工長度為1 198 m，進口方向目前施工長度為1 258 m，洞口布設2臺250 kW×2風機，主風管直徑為2.2 m，分風管直徑為1.6 m，主風管與分風管采用同一廠家同樣材質的風管布。以本文總結的規(guī)律為依據(jù)，將原進口方向布設在三岔口的三通移動到距離三岔口1 000 m的橫通道處，同時將此段的2根分風管更換成1根主風管，在風機開啟功率不變的情況下，對三通移動前后風管出口風量進行檢測。圖10—13為通風檢測儀器。

圖10　KIMO MP-200多功能差壓儀

三通移動前后風機開啟頻率均為40 Hz，測點位置為風管出口往回10 m處，畢托管在風管底部伸入風管內，按設定好的檢測點依次檢測測點處的動壓，根據(jù)測點處的干球溫度及相對濕度計算出空氣密度，由式Δp=ρυ2/2可計算出測點內的風速，再根據(jù)Q=υA可計算出風管出口風量。檢測數(shù)據(jù)及計算結果如表2所示。

通過對目前正在施工的平安隧道6#橫洞進口方向三通位置移動前后的風管出口風量檢測可看出，三通往開挖面方向移動1 000 m，風管出口風量增加了62.6 m3/min，符合本文總結的規(guī)律。

圖11　φ4×1 500 mm L型畢托管

圖12　TES-1360A溫濕度檢測儀

圖13　DYM3空盒式氣壓表

檢測時間風機頻率/Hz動壓/Pa干球溫度/℃相對濕度/%大氣壓/kPa空氣密度/(kg/m3)風速/(m/s)風管出口風量/(m3/min)2016-01-284025.02-2.857.681.51.0516.90832.12016-02-054029.10-3.452.381.81.0577.42894.7

注： 2016年1月28日檢測的為三通在三岔口處的風管出口數(shù)據(jù); 2016年2月5日檢測的為三通移動到距離三岔口1 000 m處的風管出口數(shù)據(jù)。

4結論與建議

隧道施工過程中，遇到應用分風三通的情況可利用本文總結出的規(guī)律進行方案優(yōu)化，不但可以改善通風效果，而且還會提高經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在以下2方面。

1)優(yōu)化分風三通位置，可提高隧道開挖面風管出風口的風量，在開挖面需風量一定的前提下，可降低通風機開啟功率，節(jié)約電能。

2)當δ大于平衡點數(shù)值時，可以將三通布設在靠近開挖面附近的橫通道處，三岔口至分風三通位置由原來2路分風管改成1路主風管，可減少風管數(shù)量，降低材料消耗。

好的方案及設計落實到施工現(xiàn)場均需優(yōu)質的管理來實現(xiàn)其應用效果，該點對于隧道施工通風尤為重要。建議長大隧道施工時成立專業(yè)的通風施工隊伍，并定期檢測隧道內施工現(xiàn)場的空氣質量，根據(jù)施工現(xiàn)場的需求及規(guī)范要求調整通風系統(tǒng)，確保施工人員的身心健康。

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Selection of Location of Ventilation T-junction in Tunnel Construction

GOU Hongsong, WU Yuanjin, LI Yongsheng， ZHANG Wenxin

(Survey,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:The influence of location of ventilation T-junction for tunnel construction on the air volume of ventilation pipe is serious; It is illustrated that the ratio of main ventilation pipe diameter to sub-ventilation pipe diameter is the main factor for determining the location of ventilation T-junction. Three calculation cases are given, of which the calculation results are compared with an actual project. Finally, rational locations of ventilation T-junction are obtained.

Keywords:tunnel; construction ventilation; ventilation T-junction

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0384-06

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.003

第一作者簡介：茍紅松(1984—)，男，四川劍閣人，2010年畢業(yè)于河南理工大學，礦業(yè)工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事隧道科研及設計工作。E-mail: kysghs@163.com。

基金項目：中鐵隧道集團有限公司2013年重大課題(隧研合2013-01)

收稿日期：2015-12-18； 修回日期： 2016-03-11