單線特長(zhǎng)鐵路隧道智能化施工通風(fēng)設(shè)備選型研究

摘 要：隨著隧道工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，隧道工程的質(zhì)量和技術(shù)水平的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。其中，長(zhǎng)距離隧道施工的通風(fēng)問(wèn)題直接影響工地作業(yè)人員的健康狀況，通風(fēng)如果出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)拖慢工程的施工進(jìn)度。基于此，結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)單線特長(zhǎng)鐵路隧道智能化施工通風(fēng)設(shè)備選型進(jìn)行探究，以瑞梅鐵路隧道施工中的通風(fēng)問(wèn)題為依托，提出創(chuàng)新的智能化通風(fēng)方案，旨在提高通風(fēng)效率并滿(mǎn)足施工各階段的個(gè)性化需求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉€特長(zhǎng)鐵路隧道；智能化；通風(fēng)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：U453 " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）12-0117-03

0 引言

隧道施工中，傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)方法可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能效低下。為解決瑞梅鐵路隧道施工中的通風(fēng)問(wèn)題，本文提出了創(chuàng)新的智能化通風(fēng)方案，旨在提高通風(fēng)效率并滿(mǎn)足施工各階段的個(gè)性化需求。

1 工程概況

贛州市瑞金市的贛龍鐵路瑞金站是瑞梅鐵路的起點(diǎn)，該線路橫跨江西省的南部地區(qū)及廣東省的東北部。途經(jīng)會(huì)昌縣、安遠(yuǎn)縣、尋烏縣，穿越江西與廣東的邊界，進(jìn)入廣東省梅州市，在梅縣區(qū)和梅江區(qū)接入現(xiàn)有的漳龍鐵路梅州站。江西省境內(nèi)的鐵路段長(zhǎng)度為165.231 km。

位于安遠(yuǎn)縣的三百山隧道，全長(zhǎng)10 189.5 m，是一條設(shè)計(jì)最高時(shí)速為160 km/h的單軌鐵路隧道，內(nèi)部鋪設(shè)了無(wú)砟軌道。隧道的一部分工程總長(zhǎng)5 875.5m。該隧道的入口不通公路，因此交通較為不便。為此，設(shè)計(jì)了一條平行導(dǎo)向道，位于線路的左側(cè)，全長(zhǎng)3 971m，平均坡度為0.585%，并采用了一種能夠錯(cuò)車(chē)的單車(chē)道無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)計(jì)。

2 通風(fēng)量計(jì)算

計(jì)算基于洞內(nèi)允許的最小風(fēng)速計(jì)算如式（1）所示。

Q1=vmin·Smax（m3/s） " " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（1）

式中，vmin是為了確保洞內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定所需的最低風(fēng)速，而Smax是指巷道的最大開(kāi)挖橫截面積。

在洞內(nèi)同一時(shí)刻可能存在的最大工作人員數(shù)計(jì)算如式（2）所示。

Q2=q×k×m/60（m3/s） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，m取決于是平導(dǎo)還是正洞，分別對(duì)應(yīng)30人和60人的工作人員數(shù)量。

對(duì)于爆破排煙所需的通風(fēng)量，其計(jì)算公式如式（3）所示。

（3）

式中，t為爆破排煙時(shí)間，單位是min；A為爆破耗藥量，單位是kg；b為1 kg炸藥有害氣體生成量，單位是L，通常取值40 L；S為巷道斷面積，單位是m2；L為巷道長(zhǎng)度或臨界長(zhǎng)度；K為考慮淋水使炮煙濃度降低的系數(shù)；P為巷道計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)漏風(fēng)系數(shù)，其計(jì)算公式如式（4）所示。

P=1/（1-1%）Lmax/100 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

所以，P1=1.49；P2=1.40；P3=1.29。

對(duì)于稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣需風(fēng)量，其計(jì)算公式如式（5）所示。

（5）

式中，k為功率通風(fēng)計(jì)算系數(shù)，取3.0 m3/min·kW；Ni為某類(lèi)內(nèi)燃設(shè)備總臺(tái)數(shù)；Mi為各臺(tái)柴油設(shè)備的額定功率，單位是kW。

在設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，采用高流量送風(fēng)方案和柔性風(fēng)管，通過(guò)精細(xì)控制，將每百米的漏風(fēng)比率平均值控制在0.5%以?xún)?nèi)。但考慮到實(shí)際操作中的管理和維護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)疏忽，將每百米的漏風(fēng)比率平均值設(shè)定為1%進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如式（6）所示。

Q機(jī)=Q/（（1-β）^（L/100）） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中，β為百米漏風(fēng)率平均值，取1%；L為通風(fēng)管長(zhǎng)度。

3 智能化通風(fēng)方案及設(shè)備選型確定

3.1 方案一：壓入式集中通風(fēng)方案

在導(dǎo)入洞口約100 m處安裝兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，以引入新鮮空氣并排出污氣，形成循環(huán)氣流系統(tǒng)。在9#橫通道及各施工面附近安裝射流風(fēng)機(jī)，增強(qiáng)通風(fēng)效率。隨著9#橫通道轉(zhuǎn)正洞和7#通道施工完成，AF-3軸流風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)正洞入口通風(fēng)，AF-2軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)移至7#橫通道，AF-1軸流風(fēng)機(jī)繼續(xù)為平導(dǎo)遠(yuǎn)端提供清新空氣。

各施工面安裝射流風(fēng)機(jī)以加速排放污氣。AF-1軸流風(fēng)機(jī)為平導(dǎo)及1#橫通道至正洞遠(yuǎn)端提供新鮮空氣，6#、5#、3#橫通道施工完成后拆除AF-2軸流風(fēng)機(jī)，AF-3軸流風(fēng)機(jī)繼續(xù)向正洞遠(yuǎn)端送風(fēng)，1#橫通道及施工面安裝射流風(fēng)機(jī)加速排污氣。平導(dǎo)和1#橫通道至正洞近端打通后，移除AF-1軸流風(fēng)機(jī)，AF-3軸流風(fēng)機(jī)繼續(xù)為正洞遠(yuǎn)端提供新鮮空氣，給施工面配置射流風(fēng)機(jī)提升排風(fēng)效率。施工區(qū)域配有環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控有害氣體含量并報(bào)警[1]。

3.2 方案二：壓入式分散供風(fēng)方案

約100 m進(jìn)入導(dǎo)洞后，安裝了兩臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)于導(dǎo)洞入口，其作用是引入清新空氣，同時(shí)排出導(dǎo)洞和9號(hào)橫通道主洞中的污氣，從而創(chuàng)建一個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)。

1號(hào)軸流風(fēng)機(jī)持續(xù)向平導(dǎo)大里程方向輸送新鮮空氣，繼續(xù)負(fù)責(zé)進(jìn)口平導(dǎo)的通風(fēng)。9#橫通道轉(zhuǎn)正洞小里程方向出洞、7#通道施工完成后，正洞進(jìn)口安裝3#軸流風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)口正洞的通風(fēng)；2#軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)移接長(zhǎng)至7#橫通道，負(fù)責(zé)大里程方向的通風(fēng)。

1#軸流風(fēng)機(jī)不斷地將清潔空氣輸送至導(dǎo)洞的遠(yuǎn)端，以此來(lái)保持導(dǎo)洞入口處的空氣流通。當(dāng)9#橫通道接通主洞的短距離部分，以及7#通道施工完畢時(shí)，主洞入口處將安裝3#軸流風(fēng)機(jī)，以確保主洞入口的空氣流通；此時(shí)，2#風(fēng)機(jī)將被移動(dòng)并延長(zhǎng)至7#橫通道，以維持遠(yuǎn)端的通風(fēng)。

1#風(fēng)機(jī)將繼續(xù)為導(dǎo)洞遠(yuǎn)端提供清新空氣，同時(shí)，隨著3#通道的完工，2#風(fēng)機(jī)將被轉(zhuǎn)移到3#橫通道，維護(hù)遠(yuǎn)端的空氣流通。3#風(fēng)機(jī)則不斷為主洞遠(yuǎn)端輸送新鮮空氣，保持主洞入口的空氣質(zhì)量。完成1#通道施工后，第二臺(tái)風(fēng)機(jī)將被轉(zhuǎn)移至1#橫通道，負(fù)責(zé)其遠(yuǎn)端區(qū)域的空氣流通。而3#風(fēng)機(jī)繼續(xù)不斷地向主洞遠(yuǎn)端輸送清新的空氣。

當(dāng)1#橫通道與主洞短距離部分打通時(shí)，1#和2#軸流風(fēng)機(jī)將被拆除。第三臺(tái)風(fēng)機(jī)會(huì)繼續(xù)為主洞遠(yuǎn)端輸送清新空氣，直到施工全部完成。在掌子面附近設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控洞內(nèi)有毒有害氣體的濃度，一旦超出預(yù)設(shè)的安全范圍即會(huì)觸發(fā)報(bào)警。風(fēng)機(jī)配備智能管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)掌子面的空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，有效減少了通風(fēng)的能源消耗[2]。

3.3 方案三：壓入式和巷道式通風(fēng)結(jié)合方案

導(dǎo)洞入口約100 m處安裝了兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，用于空氣循環(huán)，向內(nèi)輸送新鮮空氣并排出污氣。9#橫通道及其至正洞的掌子面位置還配置了射流風(fēng)機(jī)，以加速煙氣排放。1#軸流風(fēng)機(jī)持續(xù)供應(yīng)導(dǎo)洞深處新鮮空氣，待9#橫通道和7#通道施工完成后，3#軸流風(fēng)機(jī)將安裝在正洞入口，2#軸流風(fēng)機(jī)移至7#橫通道，進(jìn)一步加強(qiáng)通風(fēng)，并在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機(jī)。

隨著工程推進(jìn)，1#軸流風(fēng)機(jī)繼續(xù)供應(yīng)導(dǎo)洞新鮮空氣，2#軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)至3#橫通道，3#軸流風(fēng)機(jī)為正洞深處提供新鮮空氣，在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機(jī)。3#橫通道貫通后，3#軸流風(fēng)機(jī)拆除，1#和2#風(fēng)機(jī)遷至P1DK1+570位置，導(dǎo)洞作為新鮮空氣入口，正洞排污氣，射流風(fēng)機(jī)增強(qiáng)排煙[3]。1#橫通道貫通后，2#軸流風(fēng)機(jī)拆除，1#軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)至正洞DK127+750位置，正洞作為新鮮空氣進(jìn)口，導(dǎo)洞排污氣，并在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機(jī)以加強(qiáng)排煙[4]。

3.4 選定方案

在評(píng)估了幾種通風(fēng)方案后，最終選擇了方案三作為最佳方案。方案一和方案二都是單一的壓入式通風(fēng)，優(yōu)點(diǎn)是施工期間無(wú)需移動(dòng)風(fēng)機(jī)，只需延伸管道，操作簡(jiǎn)單；但缺點(diǎn)是通風(fēng)距離長(zhǎng)，需要高功率風(fēng)機(jī)，能耗高。而方案三結(jié)合了壓入式和巷道式通風(fēng)，能顯著減少通風(fēng)距離，使用低功率風(fēng)機(jī)，降低能耗。盡管移動(dòng)風(fēng)機(jī)有一定困難，但在風(fēng)管長(zhǎng)度和電能使用上，方案三是最經(jīng)濟(jì)的選擇，需9 842 m風(fēng)管和72.60萬(wàn)度電，遠(yuǎn)低于其他方案。

三百山隧道采用方案三，即結(jié)合壓入式和巷道式的智能化通風(fēng)系統(tǒng)，分五個(gè)階段進(jìn)行。前三個(gè)階段使用壓入式通風(fēng)，后兩個(gè)階段采用巷道式通風(fēng)[5]。將環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器安裝在掌子面附近，24 h監(jiān)控有害氣體，并在超出安全范圍時(shí)發(fā)出警告。風(fēng)機(jī)的智能管理系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)調(diào)整風(fēng)量，最大程度減少能源消耗[6]。

3.5 選定方案通風(fēng)量計(jì)算

第一，基于洞內(nèi)允許的最小風(fēng)速所需的風(fēng)量（Q1）。采用公式（1）計(jì)算可得Q1為15 m3/s。

第二，基于作業(yè)人員所需的風(fēng)量（Q2）。平導(dǎo)工作人員數(shù)量（m）為 30 人，正洞工作人員數(shù)量（m）為 60 人，每人每分鐘所需新鮮空氣量（q）為 3 m3/min。采用公式（2）計(jì)算可得Q2為1.5 m3/s。

第三，基于爆破排煙所需的通風(fēng)量（Q3）。采用公式（3）計(jì)算可得通風(fēng)量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

第四，基于稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣需風(fēng)量（Q4）。掌子面機(jī)械設(shè)備功率為315.3 kW，采用公式（4）計(jì)算可得Q4為15.765 m3/s。

第五，基于漏風(fēng)情況的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量（Q機(jī)）。風(fēng)量取最大值Q4計(jì)算風(fēng)機(jī)出口需風(fēng)量，百米漏風(fēng)率平均值 （β） 為 1%。計(jì)算結(jié)果如式（7）所示。

Q機(jī)1=Q4/（（1-β）^（L/100））=23.5 m3/s

Q機(jī)2=Q4/（（1-β）^（L/100））=22.0 "m3/s " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

Q機(jī)3=Q4/（（1-β）^（L/100））=20.3 m3/s

因此，1#風(fēng)機(jī)出口需風(fēng)量為 23.5 m3/s，2#風(fēng)機(jī)出口需風(fēng)量為 22.0 m3/s，3#風(fēng)機(jī)出口需風(fēng)量為 20.3 m3/s。

3.6 選型

對(duì)風(fēng)機(jī)的選擇決定采用“UVT萬(wàn)泰”品牌，具體型號(hào)為1號(hào)風(fēng)機(jī)TV-2*14#110 kW（最遠(yuǎn)通風(fēng)距離3 971 m）、2號(hào)風(fēng)機(jī)TV-14#110 kW（最遠(yuǎn)通風(fēng)距離3 331 m）和3號(hào)風(fēng)機(jī)TV-14#110 kW（最遠(yuǎn)通風(fēng)距離2 540 m）。UVT風(fēng)機(jī)與普通國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。這些風(fēng)機(jī)因其節(jié)能變頻特性和對(duì)人為因素的不依賴(lài)而被選中[7]。UVT風(fēng)機(jī)的電耗通常是國(guó)內(nèi)變頻風(fēng)機(jī)的60%，是國(guó)內(nèi)三速風(fēng)機(jī)的40%，具有顯著的節(jié)能效果。

以隧道斷面80 m2，回風(fēng)速度0.25 m/s，風(fēng)管直徑1.6 m為例，UVT風(fēng)機(jī)的功率為2×110 kW，而國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)需要2×160 kW，UVT風(fēng)機(jī)可以節(jié)省100 kW的裝機(jī)功率。使用UVT萬(wàn)泰智能化通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)計(jì)施工能耗為64萬(wàn)度電，相比國(guó)產(chǎn)變頻風(fēng)機(jī)可節(jié)省176萬(wàn)度電。

UVT萬(wàn)泰基于研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造等一系列優(yōu)勢(shì)，軸流風(fēng)機(jī)通常保證在全壓測(cè)試下工作效率不低于84%，而國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品實(shí)測(cè)效率約為60%～70%。通過(guò)變頻調(diào)速和高效率風(fēng)機(jī)，可以在施工通風(fēng)過(guò)程中能耗低，節(jié)約大量電費(fèi)。

在考察了各個(gè)作業(yè)面的空氣流量時(shí)發(fā)現(xiàn)：距離第1#風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)的最優(yōu)工作點(diǎn)的流量是18.6 m3/s，超出了15.765 m3/s的目標(biāo)。第二號(hào)風(fēng)機(jī)在相同條件下的流量是19.12 m3/s，亦超過(guò)了目標(biāo)值。第三號(hào)風(fēng)機(jī)則有17.21 m3/s的流量，依舊高于目標(biāo)。這些數(shù)據(jù)表明成功達(dá)到了既定的通風(fēng)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)分析并應(yīng)用科學(xué)方法，勇于創(chuàng)新，選擇了智能化通風(fēng)設(shè)備，并采納了壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)等多項(xiàng)技術(shù)措施，成功解決了超長(zhǎng)隧道通風(fēng)的難題，并提升了其效果。此次經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)類(lèi)似工程的施工不僅提供了參考，也積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

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