特长隧道施工通风关键控制参数研究

特长隧道施工通风关键控制参数研究

白祖应 1，侯丁语 2，韩孟微 2，张发亮 1，潘明朋 2，程军委 1，何强 2，高荣清 2，蒙荣 3

1.云南交投普澜高速公路有限公司 665000 2.云南云岭公路工程注册安全工程师事务所有限公司 650200 3.云南交投集团公路建设第三工程有限公司 650000

摘 要：隧道通风参数是保证隧道施工安全生产、提高工人劳动安全卫生水平、预防和抵御灾害的重要环节。随着隧道监控技术的发展，通风安全监控设备在隧道施工中得到广泛应用。本文研究了澜沧江特长隧道通风关键参数、风量计算及风机优化方法，以供参考。

关键词：特长隧道；通风参数；控制

1 工程概况

澜沧江隧道属越岭隧道，地形波状起伏，山体自然坡度较陡，坡度一般在25～40°。隧道穿越区最大标高1257m，最低标高663m，相对高差594m。隧道进口位于糯扎渡第一村西侧一南北向小型冲沟左侧坡近坡脚处，坡面朝向东，地形较陡，自然坡角约30～40°。

2 混合式通风关键参数确定

2.1 风机需风量计算

送风风机需风量按如下的公式进行计算：

Qs=Q0·（1-β）（-L/100）=1033×（1-0.015） ^{（-3650/100）}=1794m³/min

式中：Q0——隧道正洞掌子面需风量，根据计算为1033m³/min；

β——风管百米漏风率，1.5%；

L——隧道通风极限长度，3650m。

基于CFD理论和FVM计算方法，结合《澜沧江特长隧道混合式施工通风送排风量数值模拟研究》模拟结果计算，当排风风量与送风风量的比值介于1.1~1.3之间，通风效果最佳，此时新风风流以较大风速抵达掌子面，并且以较大面积冲击掌子面，因而排风风机需风量确定为2152m³/min。

2.2 送风风机需风压计算

为保证把足够的风量送到工作面，这就要求风机具有一定的风压，克服沿途的所有阻力。通风过程中主要存在动态风压、摩擦阻力与局部阻力三类，因而风机所需风压应大于其总和。

1）动态风压计算公式

（1）

式中：P1——动态风压；

ρ——隧址区域空气密度，1.122kg/m³。

2）风管摩擦阻力计算

风管摩擦力主要包括两个方面：克服风道沿程阻力和克服隧道壁沿程阻力。主隧道与风管沿程阻力相对沿程阻力较小，可以忽略不计。下面主要是计算风管的沿程阻力。

考虑风管漏风时，风管摩擦阻力：

（2）

式中：P2——风管摩擦阻力；

ρ——隧址区域空气密度，1.122kg/m³；

L——隧道通风极限长度，3650m。

3）风管局部阻力计算

隧道内存在一处90°弯折、两处绕二衬的30°弯折及风管末端损失，因此风管局部阻力：

（3）

式中：P3——局部阻力；

ξ为局部阻力系数，风管弯折处ξ的局部阻力系数为0.946sin2 (θ/2)+2.05sin4 (θ/2),90°弯折处局部阻力系数为2.996,30°弯折处局部阻力系数为0.365；风管出风口处局部阻力系数为1。

4）送风风机需风压

送风风机所需风压应控制以上三类损失，才能有效地保证掌子面所需风量，因此送风风机需风压为：

Ps≥P1+P2+P3=41+3426+194=3661kPa

2.3 混合式通风关键参数

通过理论研究及现场测试研究得到，特长隧道施工多区域控制混合式通风的关键参数有：排风风机需风量、送风风机需风量、送风风机需风压。

表1 混合式通风关键参数

3 风量调节优化

3.1 风量调节优化模型

为了建立这一模型，特殊隧道通风网络的规模和复杂性不断增加，使得特长隧道风量调节优化模型的求解更加困难。在保证求解通风网络合理性和准确性的前提下，提出以下假设：①特长隧道通风网络风量调节优化模型求解难度较大。对于前者，可以根据具体情况和调整方式直接决定。②由于需要根据风量的安全性、合理性和经济性来选择整个系统的风量优化方式，因此在降低阻力时要考虑施工难度和成本；③增加阻力时，应考虑设备的漏风，尽量在坡度平缓、墙体平整、无裂缝的隧道内安装调节设施，以免影响施工作业。

3.2 风量调节优化的关键路径法

根据风压平衡定律、能量方程和调节方式，对支路阻力进行了计算，并根据风压平衡定律、能量方程和调节方式（增阻、降阻或升压调节）计算。当优化控制方案不能安装通风设施时，需采用等效调整法，将调整点移动到其他支路，从而得到合理可行的控制方案。特长隧道风量调节优化模型受以下约束条件：隧道风速、矿井风流总阻力、风量需求、支管阻力上下限。依据监控系统获取的相关监测数据，结合支风量上下限、隧道需风量、可调支阻值的计算方法，自动生成相应的监测数据。

4 风机布置优化方法

特长隧道通风设计时，离隧道出口有一段距离的通风口，在离隧道出口有一定距离的地方设置风机，以防止被污染空气在隧道出口有一定距离的地方平稳排放。隧道通风质量直接影响隧道的运行环境。

增加风机孔间距有利于提高风机的通风效率。所以，当风机到隧道出口的距离大于100 m时，风机安装在离洞10 m以内的效果明显优于风机。增加风机与开口的距离后，风机由侧壁位置移至拱顶位置，可以进一步提高通风效率。

在隧道出口侧壁设置一组通风机，能抵抗从隧道出口处自然风产生的静压，使风机远离出口比靠近出口更为有利，当风机远离出口时，在拱顶设置风机比在侧壁设置更为有利。为此，可以对出口10米左右的风机进行优化设计。为避免自然风和静压对通风质量的影响，可以适当增加送风段（出口）风机数（或增大其功率），正常通风的射流风机可按顺序布置。当隧道出口风压较大或其他原因）时，可以开启增压器。

结束语

在隧道工程施工中，由于多个工作面同时施工，工程机械设备和人员增加，产生了大量的有毒有害气体和粉尘，造成了隧道内环境污染严重，已成为目前隧道施工通风的主要问题之一。要保证施工安全，就需要明确和控制隧道的通风参数、挖掘资料、优化风量、优化风机布置方案，消除安全隐患。

参考文献

1. 祝和意. 高瓦斯盾构隧道施工控制关键技术分析[J]. 隧道建设，2016,36(11):1366-1371.

基金项目：云南省交通运输厅科技创新示范项目（云交科教〔2019〕20号）