高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)率研究

李 琦, 于 麗, 嚴(yán) 濤, 劉 祥, 王明年

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；3. 中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610031)

隧道施工中，通常采用管道把新鮮的空氣送到掌子面，把粉塵、有害氣體等排出隧道，以創(chuàng)造必要的作業(yè)施工環(huán)境，控制漏風(fēng)量是保證長(zhǎng)隧道管道式通風(fēng)成敗的關(guān)鍵。評(píng)價(jià)和計(jì)算通風(fēng)管路漏風(fēng)的主要理論有平均百米漏風(fēng)率理論、高木英夫理論、青函隧道理論和沃洛寧理論等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)管漏風(fēng)率方面進(jìn)行了較多研究，其中：Dindorf等[1]研究得到了管道中的空氣泄漏流量要基于在兩個(gè)時(shí)間間隔中的壓力比測(cè)量計(jì)算，測(cè)量方法在于確定管道中的空氣泄漏流量與受控空氣流量間的關(guān)系；Ma等[2]采用實(shí)測(cè)的方法驗(yàn)證并得到一種簡(jiǎn)化的空氣泄漏測(cè)試方法，并證明該方法具有很強(qiáng)的可操作性；趙力等[3]采用試驗(yàn)的方法對(duì)風(fēng)管的漏率進(jìn)行研究，最終獲得了簡(jiǎn)單可行的風(fēng)管漏風(fēng)量及漏風(fēng)率的計(jì)算方法；楊立新[4]針對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)管路漏風(fēng)理論存在的問題，提出通風(fēng)管路漏風(fēng)量新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過分析研究推出末段百米漏風(fēng)率的測(cè)定方法，得出了由末段百米漏風(fēng)率計(jì)算漏風(fēng)量和風(fēng)機(jī)供風(fēng)量公式；倪文耀[5]基于理想氣體風(fēng)流連續(xù)性方程的近似方法計(jì)算礦井外部漏風(fēng)率所帶來的缺陷，以熱力學(xué)基本原理為依據(jù)，推導(dǎo)出了測(cè)算礦井外部漏風(fēng)率的正確方法。

高海拔地區(qū)主要集中于西部地區(qū)，其面積占到我國(guó)國(guó)土面積的60%以上。為了推動(dòng)西部經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，其鐵路交通網(wǎng)不斷在延伸，因而，高海拔隧道的數(shù)量和里程也隨之增多。由于隨著海拔高度的提升，大氣環(huán)境中出現(xiàn)氣壓降低、空氣密度減小等特點(diǎn)[6]。在高海拔環(huán)境中，隧道施工時(shí)風(fēng)管在通風(fēng)一段距離后便會(huì)出現(xiàn)風(fēng)筒干癟，漏風(fēng)嚴(yán)重的情況，在平原地區(qū)情況相對(duì)較好，見圖1。高海拔地區(qū)由于其特有的氣候特點(diǎn)，即使在風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)管長(zhǎng)度以及破損程度都相同的條件下，風(fēng)管漏風(fēng)率在高海拔地區(qū)與平原地區(qū)也是有差別的。對(duì)于高海拔地區(qū)隧道的研究目前主要集中在運(yùn)營(yíng)通風(fēng)、制氧供氧、排污衛(wèi)生等方面[7-12]，對(duì)于高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)率的研究還相對(duì)比較少。

雀兒山隧道全長(zhǎng)7 048 m，洞口海拔高度4 377 m，是目前世界上海拔高度最高的公路隧道。隧址區(qū)大氣壓力約為59 kPa，空氣中氧含量約為174 g/m3,兩者均僅為平原地區(qū)的60%左右。本文依托雀兒山隧道，對(duì)高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)的風(fēng)管漏風(fēng)率進(jìn)行研究。

1 風(fēng)管漏風(fēng)率計(jì)算原理

對(duì)于通風(fēng)風(fēng)管，由于材料和工藝原因，其密閉性存在欠缺，而且在施工過程中，由于一些不可避免的原因造成風(fēng)管管壁出現(xiàn)破損等情況，導(dǎo)致氣體在風(fēng)管內(nèi)輸送時(shí)從破損處漏出。原因是當(dāng)氣體在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)產(chǎn)生的靜壓將垂直作用于風(fēng)管管壁，并且氣體的流動(dòng)會(huì)造成風(fēng)管內(nèi)外存在靜壓差，因此，如果風(fēng)管側(cè)壁上有孔洞，氣體便會(huì)沿著垂直于風(fēng)管壁的方向從開孔處流出[13]。管道內(nèi)的風(fēng)速越大，管道內(nèi)外的靜壓差越大，則風(fēng)管的漏風(fēng)量越大。

靜壓差產(chǎn)生的流速為

( 1 )

風(fēng)管內(nèi)產(chǎn)生的流速為

( 2 )

式中：pj為風(fēng)管內(nèi)空氣的靜壓差，Pa；pd為風(fēng)管內(nèi)空氣的動(dòng)壓，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

由于風(fēng)管內(nèi)流速的影響，孔口出流方向要發(fā)生偏斜，實(shí)際流速為合成流速[13]，見圖2。

由圖2可知，孔口實(shí)際流速為

( 3 )

孔口流出風(fēng)量為

qv=3 600μfv

( 4 )

孔口出流風(fēng)量為

( 5 )

風(fēng)管的漏風(fēng)率為

( 6 )

式中：Q為風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量。

2 高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率計(jì)算

由于風(fēng)管存在沿程阻力，則風(fēng)管內(nèi)各個(gè)部位的靜壓有所變化。根據(jù)風(fēng)管漏風(fēng)率理論以及各個(gè)斷面能量守恒公式，可以計(jì)算出其各段的漏風(fēng)率大小，具體計(jì)算示意見圖3[13]。

各個(gè)斷面能量守恒式為

pj(n)+pd(n)=

pj(n+1)+pd(n+1)+(RL+Δpz)n-(n+1)

( 7 )

表1 空氣流過側(cè)孔直通部分的局部阻力系數(shù)

注：表中v1為1-1斷面流速，v2為2-2斷面流速。

由式( 7 )可知，當(dāng)海拔升高時(shí)，空氣密度會(huì)減小，則風(fēng)管中的沿程阻力和動(dòng)壓減少，由于全壓不變，所以靜壓會(huì)增大。由式( 5 )可知，漏風(fēng)量與靜壓成正比、與空氣密度成反比。因此，在相同條件下，隨著海拔高度的升高，隧道施工的風(fēng)管漏風(fēng)率將逐漸增大。

對(duì)于風(fēng)管漏風(fēng)率計(jì)算，可將風(fēng)管分為n段，每段10 m，分別計(jì)算各段的漏風(fēng)率，在各段風(fēng)管內(nèi)可認(rèn)為風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速不變，根據(jù)JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[15]，風(fēng)管的百米漏風(fēng)率不大于2%，則每段的漏風(fēng)口面積可近似取為0.008 m2，孔口流量系數(shù)μ取為0.63[13]，通風(fēng)風(fēng)管摩阻系數(shù)為0.014，風(fēng)管直徑d為1.8 m，所用通風(fēng)機(jī)械參數(shù)見表2。平原地區(qū)空氣密度為1.22 kg/m3，雀兒山隧道海拔4 300 m，空氣密度為0.8 kg/m3。計(jì)算得到平原地區(qū)和高海拔地區(qū)各段風(fēng)管漏風(fēng)率見表3、表4。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

表3 平原地區(qū)各段風(fēng)管漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)果

表4 高海拔地區(qū)各段風(fēng)管漏風(fēng)率計(jì)算結(jié)果

平原地區(qū)和高海拔隧道的風(fēng)管漏風(fēng)率曲線變化,見圖4。

由表3、表4和圖4可知：平原地區(qū)的風(fēng)管百米漏風(fēng)率約為2.0%，高海拔地區(qū)的風(fēng)管百米漏風(fēng)率約為3.1%，則高海拔地區(qū)的風(fēng)管百米漏風(fēng)率約為平原地區(qū)的1.5倍，且在高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率隨風(fēng)管長(zhǎng)度增加而增大較快。說明隨著海拔高度的升高，風(fēng)管的漏風(fēng)率相應(yīng)增加，故在高海拔地區(qū)更需要對(duì)風(fēng)管進(jìn)行維修保護(hù)，防止漏風(fēng)率進(jìn)一步增加。

3 高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率修正

為了得到高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率的修正系數(shù)，假設(shè)平原地區(qū)與高海拔地區(qū)風(fēng)管的破損程度f0和孔口的流量系數(shù)μ相同。

則高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率與平原地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率相比，可得

( 8 )

式中：c為風(fēng)管漏風(fēng)率的海拔高度修正系數(shù)。

不同海拔高度的空氣密度見表5，則由式( 7 )可以計(jì)算得到海拔高度與風(fēng)管漏風(fēng)率修正系數(shù)的關(guān)系，見圖5。

表5 不同海拔高度的空氣密度

根據(jù)高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率修正系數(shù)曲線，可以得出高海拔風(fēng)機(jī)漏風(fēng)率的修正系數(shù)理論公式模型為

c=e2×10-4H

( 9 )

式中：H為海拔高度，m。

4 高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

本次測(cè)試在海拔4 300 m的雀兒山隧道內(nèi)，測(cè)試段在距風(fēng)機(jī)入口4.5 km附近進(jìn)行測(cè)試，此段風(fēng)管平直、風(fēng)流較穩(wěn)定，每個(gè)斷面間距100 m，測(cè)試斷面見圖6。所測(cè)風(fēng)機(jī)的直徑為1.8 m，由于風(fēng)管的斷面形狀為圓形對(duì)稱，因此，可根據(jù)對(duì)數(shù)線性法確定每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為6個(gè)，風(fēng)管橫斷面測(cè)點(diǎn)位置見圖7。通過電子風(fēng)速儀測(cè)得每個(gè)斷面的6個(gè)點(diǎn)位風(fēng)速值，再取其平均值作為該斷面的斷面風(fēng)速值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直線段各個(gè)斷面的風(fēng)速結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到風(fēng)管斷面風(fēng)速的分布規(guī)律見圖8，直線段各個(gè)斷面的平均風(fēng)速見表6。根據(jù)理論方法可以計(jì)算出400 m直線段的理論漏風(fēng)率，實(shí)測(cè)結(jié)果和理論結(jié)果對(duì)比見表7。

由圖8可知，風(fēng)管橫斷面上的風(fēng)速變化規(guī)律為風(fēng)管中心處風(fēng)速最大，管壁處風(fēng)速最小，風(fēng)速整體呈現(xiàn)隨遠(yuǎn)離風(fēng)管中心逐漸減少的分布規(guī)律。

表6 雀兒山隧道風(fēng)管直線段各個(gè)斷面風(fēng)速測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表7計(jì)算所得理論上的漏風(fēng)率可以發(fā)現(xiàn)，理論上計(jì)算得到的風(fēng)管漏風(fēng)率與實(shí)際測(cè)試得到的漏風(fēng)率基本相符，約為3%。因此，高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)率的修正理論公式可靠性得以驗(yàn)證。

表7 雀兒山隧道風(fēng)管百米漏風(fēng)率對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)率的研究，得到如下結(jié)論：

(1) 基于風(fēng)管孔口流量理論，推導(dǎo)得到了風(fēng)管漏風(fēng)率的海拔修正系數(shù)計(jì)算公式。

(2) 通過平原地區(qū)和高海拔地區(qū)隧道施工風(fēng)管漏風(fēng)率的比較，得出高海拔地區(qū)隧道施工風(fēng)管漏風(fēng)率約為平原地區(qū)的1.5倍，且在高海拔地區(qū)風(fēng)管漏風(fēng)率隨風(fēng)管長(zhǎng)度增加而增大較快。

(3) 實(shí)測(cè)雀兒山隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)管百米漏風(fēng)率約為3%，與理論計(jì)算結(jié)果較吻合。