小断面大坡度隧道串联轴流式软管通风技术

小断面大坡度隧道串联轴流式软管通风技术

王先甲,王孝辉,王倩,高增奎

中铁七局集团武汉工程有限公司,湖北武汉  430074

摘要:以三峡枢纽江南成品油翻坝项目输油管道隧道为例,具体阐述了串联轴流式软管通风的设计原则、设计标准、施工供风计算,得出了风机、风简科学合理的选型参数,形成了小断面大坡度长隧道串联轴流式软管通风技术方案。

关键词：小断面;长隧道;串联轴流风机;软管

1 工程概况

三峡枢纽江南成品油翻坝项目管道工程Ⅱ标段位于湖北省宜昌市境内，包含14座成品油管道隧道，总长18.98km，采用钻爆法进行施工，张家台子二号隧道长度2Km，采用单端掘进方式，设计无支洞及通风井。隧道断面为城门洞形式，净宽3m，直墙高度2m，拱部半径1.5m。

2 通风方式选择

根据施工组织设计,施工通风应做一次长距离设计,即从洞口直至掌子面附近。通风设计以管道压入式为主。长距离隧道通风宜采用大直径风筒，受隧洞空间的限制,去除施工机械的最大同行高度，在该类型隧洞中，最大只能采用小于600mm的风筒。若采用的风筒直径较小，使得通风系统具有较大的风阻，因此对风筒的风阻和漏风率应有严格的要求，才能保证良好通风效果。

3 通风设计原则

（1）采用轴流风机，在隧道拱顶进行串联布置。同时为了保证风机间的正常工作状态，避免相互干扰，在每台串联风机的进口处连接10-20m长度的硬管。

（2）风管布筒严格沿着隧道轴向顺坡布置，管筒位于隧道拱顶正中间，距拱顶约0.1m。

（3）隧道拱顶附近设置射流风机，射流风机支架架设在距拱顶约0.3m，距隧道侧壁约0.5m的通风管右侧，与通风管距离约0.1m。射流风机倾角约向下10°，两风机间距控制在300m以内，以保证隧道循环风的形成。

（4）压入式轴流通风保证新鲜空气的持续输入，辅助射流风机持续推动掌子面聚集的有害高温气体向隧道口移动，保证隧道内空气质量达到施工要求。

4 通风质量要求

采用钻爆法施工的隧道，钻孔作业采用湿式作业法，爆破作业、出渣、运输作业过程中，空气中存在大量有毒有害气体及粉尘，依据中华人民共和国行业标准《环境空气质量标准》GB 3095-2018，在确保作业人员卫生健康的情况下，隧道通风质量需满足以下标注：

（1）坑道中氧气含量按体积计不应小于20%，坑道内气温不宜高于28°C。

（2）有害气体浓度应符合下列要求：

①一氧化碳(CO)，一般情况下不大于30mg/m³, 特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，可为100mg/m³，但工作时间不得超过30min。

②二氧化碳(CO2) 按体积计不得大于0. 5%。

③氮氧化物(NO2) 即二氧化氮，氧化物换算成二氧化氮应在5mg/m³以下。

④甲烷(CH4) 即瓦斯浓度按体积计不得大于0.5%，否则必须按煤炭工业部现行的《煤矿安全规程》有关规定办理。

（3）含10%以上游离二氧化硅的粉尘，每m³空气中不得大于2mg；含10%以下游离二氧化硅的矿物性粉尘，每m³空气中不得大于4mg。

（4）隧道洞内施工工作地点噪声不宜大于90dB。

（5）每人每分钟供应的新鲜空气不宜小于3mg/m³。

（6）风速在全断面开挖时不应小于0. 15m/s，坑道内不应小于0. 25m/s，但均不应大于6m/s。

5 施工供风计算

本次通风方案规划设计通过ANSYS FLUENT软件进行通风效果模拟。

由于2km的隧道排烟建立模拟计算难以实现，本次模拟先以100m的三维隧道模型进行模拟计算，具体参数设置如下：

①隧道断面净宽3m，直墙高度2m，拱部半径1.5m，隧道长度100m。

②风管直径为500 mm，长度为80 m，风管粗糙度系数取0.01，位置处于拱顶中间处，距离拱顶距离设为0.1 m。

③射流风机为小型圆柱体，口径500 mm，机身长约0.8 m。风机架设于隧道风管出口附近，距离风管约0.1 m，距离拱顶约0.2 m，距隧道墙壁约0.8 m。

④距掌子面20 m、40 m、60 m、80 m处设置浓度监测面。

求解器设置：

①基于压力条件的稳态模拟，重力加速度设为9.8 m/s2

②采用RNG型k-epsilon湍流模型，多组分运输模型，并打开能量方程。

③流体材料定义为混合态。初始状态下，与隧道掌子面距离30 m的区间设为CO区域，区域内CO浓度设为89%，区域温度设为42℃；其余区域CO浓度设为0%，温度为常温27℃。

②隧道风管壁粗糙度系数为0.009，隧道内壁粗糙度系数为0.1，最大粗糙点高度变化约为0.08 m。

⑤边界条件设置：风管出入口设置为压力出入口，隧道出口设为排气出口，射流风机出口设置为速度入口，大小为30 m/s，方向为负。

⑥监测面创建：分别在距掌子面20m、40m、60m和80 m处设置隧道横截面，同时在隧道中央设置纵截面。

⑥求解方法设置：选用Coupled（压力-速度耦合），以更少的迭代次数实现收敛。

三维隧道通风模拟：

为简化模型运算，在不考虑CO的情况下进行三维隧道通风稳态模拟计算，管长设置为2000 m，并关闭射流风机，其他参数设置与上述模型一致，同时控制风管进口速度为18.5 m/s，出口速度约为17 m/s，具体模拟结果如下：

2000m隧道：控制风管进口速度为22m/s，出口速度约为16.2m/s，需克服的风管阻力约为15000Pa，如下图所示。

理论计算阶段，运用沿程阻力损失公式来计算风管阻力损失，具体计算公式如下：

ΔP = f× (L/D)×(ρ×V²/2)+ρgh。       

L表示管道长度，单位为m（米）；

D为管道直径，单位为m；

ρ为液体的密度，单位为kg/m³；

g为当地重力加速度，取9.8m/s2；

V为液体的流速，单位为m/s；

f为摩阻系数，本计算通过齐恩公式确定；

Δ为管道内壁的当量粗糙度,单位为mm；

D为管道内径，单位为mm；

Re为雷诺数。

通过理论计算可得，长度为2000 m，进出口高度差约85 m的500 mm风管所需克服的风阻约为14300 Pa，与三维通风模拟相差约700 Pa。

两者模拟结果相差较小，可实现相互验证。

6 风机及风筒选型及布置

结合模拟计算的结果对风管及高温CO层产生的风阻进行估算，考虑到小断面隧道的施工条件及对现有设备的充分利用，隧道进口风机设2*55 kw轴流风机，同时选用口径为500mm的SDF-5型风机进行串联布置。对于2000m的隧道，风机所需提供的风压约为17600Pa。隧道进口风机为2*55kw轴流风机，同时选用口径为500mm的SDF-5型风机进行串联布置。进口风机最大全压约为5420Pa，串联风机最大全压约为3100Pa。对于长距离输送风串联风机间距设为300m，数量为6个。 

此串联间距下，考虑风管百米漏风率为0.015，控制入口风速在22m/s，到达第一台串联风机的风速约为21.7m/s，到达最后一台串联风机的速度约为16.2m/s，同样符合串联小风机的运行条件（约14.4m/s）。

在各串联风机的进风口处，为克服上一台风机来风在软管中过于紊乱，需在进口处设置约10-20m的硬管，从而尽可能避免因软管导致的风机间的相互干扰。

7 风机的安装及调试

①主风机及串联风机的安装应符合通风设计要求。

②通风机应装有保险装置，当发生故障时能自动停机。

③长隧道及特长隧道施工应配备备用通风机和备用电源。

④主风机应经常运转，如需间歇则因停止供风而受影响的工作面必须停止工作。

⑤安排专人管理通风机，每15天至少进行一次风电闭锁试验，并做好试验记录以备查。

⑥隧道必须有足够数量的通风安全检测仪表，仪表必须由具备相应资质的检验单位定期进行检验。

8 结语

针对小断面大坡度隧道有害气体集中难排放的问题展开通风方案的设计，采用ANSYS FLUENT软件进行通风效果的模拟。首先确定在满足掌子面所需供风量的前提下，为达到净化隧道内有害气体的目的，隧道内射流风机的合理布置间距。同时调整管道模型的长度，模拟不同的通风长度下通风产生的风阻，以及推动掌子面高温有害气体向隧道口移动所需克服的阻力。以此为依据，结合沿程阻力计算公式以及风管漏风率，确定合理的轴流风机串联间距。

该方法在满足工程需要的基础上，可以克服国内设备制造技术限制等问题，一方面极大程度地缩短了施工工期， 同时也降低了施工成本。

[1]GB50424-2015，《油气输送管道穿越工程施工规范》；

[2]JTG/T 3660-2020，《公路隧道施工技术规范》；

[3]GB 3095-2018，《环境空气质量标准》。