高海拔大坂山隧道通風技術參數的分析和修正研究

曹傳文

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

高海拔大坂山隧道通風技術參數的分析和修正研究

曹傳文

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

蘭新鐵路大坂山隧道平均海拔3000m左右，隧道進口通風技術參數配置參照規(guī)范及有關資料計算設計，掘進230m后發(fā)現掌子面供風量不足、排煙效果差。分析后發(fā)現高海拔地區(qū)由于空氣稀薄，密度下降，造成了隧道施工過程中產生的有害氣體體積膨脹，按照原設計確定的技術參數不能滿足施工通風要求。因此，高海拔隧道通風技術參數設計必須考慮海拔變化因素，進行系數修正，通風風量按重率高程校正系數修正，通風阻力（工作風壓）按高海拔和非高海拔空氣密度比值系數修正。結果表明，在海拔3000m施工，所需風量增加了16.1%，風管通風阻力降低了27.6%，同時風機風壓也受空氣密度影響降低了27.6%。

高海拔 隧道通風 技術參數 分析 修正

1 引言

新建蘭新鐵路大坂山隧道位于青海省西寧市大通縣和海北州門源縣境內，全長15.897km，平均海拔3000m左右，年平均氣溫1.8～5.1℃，限制坡度2%，采用鉆爆法施工，所處地區(qū)具有高寒、缺氧、溫差大等特點。對于隧道施工中，由于爆破、出碴和內燃機械運行等，產生的大量煙塵，若不能提供足夠風量，供給足夠的新鮮空氣，不但影響到機械設備生產效率發(fā)揮，而且直接危及到隧道施工人員的健康和生命安全[1]。大坂山隧道施工通風原設計未考慮高海拔因素，實施過程中出現了洞內溫度過高，有害氣體濃度超標等諸多問題。通過分析、對比發(fā)現，高海拔與非高海拔地區(qū)空氣密度、氣壓、空氣含量差異較大，嚴重影響到了通風效果，須對通風技術參數進行修正，方可得出滿足施工的通風效果，確保施工的正常進行。

2 未考慮海拔變化因素的通風技術參數設計

作業(yè)過程需供給的施工通風風量應考慮隧道內同時工作的最多人數、一次起爆炸藥量產生的有害氣體濃度及隧道內同時作業(yè)的內燃機械產生的有害氣體濃度等方面，分別計算并取其中最大值確定施工通風系統(tǒng)所需風量[2]。而風壓值得確定，要能保證將所需風量壓到工作面，將洞內產生的各種有害氣體排出，滿足施工要求。

2.1 通風風量計算

在長大隧道鉆爆法施工且采用無軌運輸的情況下，內燃機械排放的廢氣污染嚴重，所占比重大，與其他方面所需通風風量相比，此情況下所需風量通常是最大的。因此，將稀釋和排出內燃機械產生的有害氣體所需通風風量作為選取通風設備主要指標[3]。

計算稀釋和排出內燃機械產生的有害氣體通風風量方法，尚無公認的統(tǒng)一公式和標準[4]，其主要方法為有害氣體成分濃度稀釋法和單位功率需風量指標法等。目前最常用且較合理的無軌運輸施工需風量均采用單位功率需風量指標法，其實質上是在濃度稀釋法經驗總結的基礎上所得到的擴大指標數據計算[1]。

式中： Q——內燃機械作業(yè)所需風量，m3/min

k——單位功率內燃機械作業(yè)需風量，m3/min.kw

Ni——第i臺內燃機械功率，kw

稀釋和排出隧道內燃機械產生的有害氣體指的是在同一洞段或系統(tǒng)中同時工作的所有內燃機械產生的，而不是指某一工作面上[2]。根據隧道斷面大小、施工組織及通風系統(tǒng)長度等因素，一般情況下，較其他工序，出碴作業(yè)所需內燃機械最多，因此選擇隧道進口（擔負2100m任務）出碴作業(yè)時各類內燃機械總功率計算稀釋和排出所產生的有害氣體通風風量，總功率統(tǒng)計見表1。

表1 出碴作業(yè)內燃機械總額定功率

根據《鐵路隧道工程施工技術指南》（TZ204-2008）規(guī)定：采用內燃機械作業(yè)時，每1kw供風量不宜小于3（m3/min）。根據公式1得：

作業(yè)過程中，對于內燃機械的負荷率和利用率很難準確計算，且變化幅度較大，同時洞內還有其他小型柴油設備和機械，因此在計算中不再考慮，按照同時作業(yè)的內燃機械總額定功率計算所需風量。

2.2 通風阻力計算

在隧道通風過程中，由于風管系統(tǒng)的通風阻力引起了壓力損失，導致供風風壓不足，風速降低，不能滿足施工要求。因此需計算得出阻力值，作為選取通風設備參數之一，保證將所需新鮮空氣送到工作面。

風管系統(tǒng)通風阻力包括風管摩擦阻力和局部阻力。壓力損失可用下式表示[5]：

式中：Δh——壓力損失，Pa

Q——通過風管的風量（即通風風量），m3/min

R——風管的風阻，kμ

一般通風風管都是圓截面的，因此得：

式中：a——風管摩擦阻力系數，取0.000275kg/m3L——通風管道長度，取2100m d——風管直徑，取1.8m

根據公式2和3，可計算求出風管摩擦阻力值：

式中： g——重力加速度，取9.8m/s2

局部性壓力損失，發(fā)生在風管斷面變化處，例如風道縮小、擴大、交叉和轉彎等情況，一般情況下，為簡化計算，局部阻力按風管摩擦阻力的10%計算[4]。

通過計算，取得風管系統(tǒng)通風阻力：

通過計算，得出完成隧道進口2100m掘進任務，需要最大工作通風風量2685m3/min，工作風壓4289Pa。

2.3 實施情況

在隧道正洞進口處，安裝一臺SDF（B）-NO12.5型對旋式通風機（設計風量1550～2912m3/min，全壓5355pa，電動機功率2×110KW，三級調速）為隧道施工供風。通風風管采用直徑1.8m的PVC增強塑纖布（維綸布）拉鏈式風管，風管安設在隧道拱頂中心部位。

隨著隧道掘進，通風系統(tǒng)不斷延伸，至230米處發(fā)現，掌子面進行出碴作業(yè)時，風量不足，有害氣體滯留洞內，未及時排出，造成洞內溫度過高，機械效率低下，人員呼吸困難，嚴重影響到了生產效率及作業(yè)人員的身體健康。

3 通風技術參數修正及方案優(yōu)化

通過分析施工通風中存在的問題，發(fā)現風機提供的風量不能滿足要求，主要原因是隨著海拔的升高，相對空氣密度和相對大氣壓力隨之降低，造成內燃機械產生的有害氣體發(fā)生體積膨脹，稀釋和排出所需的風量也隨之增加。按照未考慮海拔因素設計的通風技術參數，用在高海拔隧道施工中，出現了不能滿足要求的情況。鑒于不同海拔高度，相對密度和氣壓也不同，引起了通風風量、風管通風阻力變化。因此在設計高海拔隧道施工通風技術參數時，需進行系數修正，得到高海拔地區(qū)通風技術參數。

3.1 通風風量修正

隨海拔的增加，大氣壓力降低，空氣重率和密度也隨之降低，施工中產生的有害氣體發(fā)生體積膨脹，需要的通風量相應增加，一般按照重率高程校正系數Kr修正來校正[2]。

式中：Kr——重率高程校正系數

Z——計算點處的海拔高度，取3000m

Q高——高海拔處所需通風風量，m3/min根據公式4、5得：

過程中，風管所漏風量也對內燃機械所產生的有害氣體起到稀釋作用，因此在計算中不考慮通風管漏風率。

3.2 通風阻力修正

在紊流條件下，風管摩擦阻力也可按公式6求得：

式中：ρ——空氣密度，kg/ m3

β——風管百米漏風率

由公式可知，在不同海拔，風管摩擦阻力受空氣密度影響較大。因此在通風風量不變的情況下，風管系統(tǒng)通風阻力（工作風壓）與空氣密度成正比[1]，即：

式中：ρ高——海拔3000m處空氣密度，kg/ m3

h高——海拔3000m處風管系統(tǒng)通風阻力，Pa在高海拔地區(qū)，風管系統(tǒng)通風阻力需要根據高海拔空氣密度與非高海拔下空氣密度的比值對其進行修正后確定。

在非高海拔按標準狀態(tài)下空氣密度取值1.22（kg/ m3），海拔3000m地區(qū)大氣壓力70998.5（Pa），大坂山隧道所屬區(qū)域年平均氣溫5(°)[7][8]。

式中：P高——海拔3000m處大氣壓力，Pa

t ——海拔3000m處年平均氣溫，°根據公式8得：

根據公式7得：

經系數修正后，得出在隧道進口完成2100m掘進任務，需要最大工作通風風量3117m3/min，工作風壓3106Pa。因此原選用的SDF（B）-NO12.5型通風機所提供的風量達不到設計值，需要更換選用SDF（B）-NO18型對旋式通風機，設計風量2649～4479m3/min，全壓5255pa，電動機功率2×185Kw，三級調速。

表2 修正前后通風風量、通風阻力對比表

同時，高海拔對風機工作性能的影響也較大，其值可根據動力相似比例定律求得[6][7][8]。即風機在角度不變，轉速、動能直徑相等的情況下，同一工況，不同海拔高度的風機風壓成比例，風量不變。即：

式中：h機——非高海拔處風機風壓，取最大值5255Pa

h機高——海拔3000m處風機風壓，Pa

根據公式9得：

由此得，在同一工況下，風機風壓隨海拔升高而降低。雖然降低了較多，但風機提供的風壓還是能克服通風系統(tǒng)阻力，將新鮮風送至作業(yè)面。

通過方案優(yōu)化，掌子面新鮮空氣充足，洞內有害氣體排出通暢，作業(yè)環(huán)境得到有效改善，經現場監(jiān)測儀器監(jiān)測，各項數據滿足通風要求，見表3。

表3 不同長度溫度、風速、CO含量實測平均值匯總表

圖1 不同海拔高度通風風量、通風阻力曲線

通過以上修正方法，可以得出不同海拔高度與通風風量、通風阻力關系值。標準值取海拔1000m，空氣密度取1.22（kg/ m3），大氣溫度取20（°），根據海拔劃分標準1500m以上屬于高海拔，由此可得圖1。

由圖可知，隨海拔升高，所需風量增大，通風阻力減小。因此在高海拔隧道施工，通風機的選取要綜合考慮，在滿足通風風量的要求下，風機風壓不要選取的太高，夠用即可，做到節(jié)約能源。

4 結語

高海拔隧道施工，空氣稀薄，密度降低，通過大坂山隧道通風方案實踐表明：1是按照非高海拔進行通風技術參數設計，選取的通風設備不能滿足施工通風要求，需要考慮海拔因素，對技術參數進行系數修正。2是與非高海拔地區(qū)相比，所需風量增加了16.1%；風管系統(tǒng)通風阻力降低了27.6%。3是高海拔對風機性能也有較大影響，同一風機，同一工況下，風機風量不變，但風壓降低了27.6%，因此風機選型后，要對風機風壓進行驗算，確保風機風壓在高海拔條件下滿足施工要求。4是計算公式中，通風風量按重率高程校正系數修正，通風阻力（工作風壓）按高海拔和非高海拔空氣密度比值系數修正。

[1]茍紅松,李永生,羅占夫.高海拔地區(qū)隧道施工通風風量計算及風機選型研究[J].隧道建設,2012年1期.

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[3]張仕杰.關于釋稀高海拔隧道施工機械尾氣通風量的計算[C],2014鐵路暖通年會. 2014.

[4]翁國勇.隧道施工中的壓入式管道通風技術[J].浙江建筑,2010年9期.

[5]鐵路工程施工技術手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1995

[6]翟方志,朱茂華.通風機極其系統(tǒng)在不同海拔高度的性能變化及運用分析.企業(yè)技術開發(fā)[J],2011年7期.

[7]趙軍喜.高海拔低氣壓地區(qū)隧道施工通風技術[J].隧道建設,2009年,29(4):206-207,231

[8]李永林,曾艷華,何川.高海拔隧道主風機的選型研究[J].地下空間與工程學報,2005年02月第1期

[9]唐浩,鄭宏雷,張連春.兩河口水電站某隧道通風方案暨造價分析[J].黑龍江水利科技,2009年 第2期(第37卷)

[10]蒲榮宇.高原特長隧道施工通風技術[J].鐵道建筑技術,2013.(08)

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[12]劉赟.淺談高原高海拔地區(qū)特長公路隧道施工通風技術[J].西南公路, 2014(2):31-33.

Analysis and Correction of High Altitude Daban Mountain Tunnel Ventilation Parameters

CAO Chuan-wen
(China Railway 18thBureau Group Co., Ltd Tianjin 300222 China)

Lan-Xin Railway Daban Mountain tunnel has an average altitude of about 3000m. Its ventilation technology parameters are calculated and designed with reference to the specifications and design information. However, after 230 meters of driving, it was found out that the working face has insufficient amount of wind and poor smoke extraction effect. Analysis found that due to the thin air at high altitudes, harmful gases generated during the tunnel construction may expand, which means the original technical parameters of the construction can not meet the ventilation requirements. Therefore, the ventilation technical parameters design of the tunnel at high altitude must consider the altitude changes. The ventilation volume was corrected according to the specific weight and height factor, the ventilation resistance (working pressure) was corrected according to the air density ratio of the high altitude and non-high altitude areas. The results show that, in a construction at an altitude of 3000m, the required air volume increased by 16.1%, the ventilation duct resistance decreased by 27.6%, while the fan pressure is also affected by a 27.6% decrease due to the influence of air density.

high altitude tunnel ventilation technical parameters analysis correction

A

1673-1816(2017)01-0033-06

2016-03-19

曹傳文（1978-），男，學士，高級工程，研究方向土木工程。