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摘要:隧道通风是把隧道内有害气体、粉尘、污染的空气排出洞外,或者送入新鲜空气进行稀释。本文笔者根据多年来的隧道施工通风的实践经验,探讨了隧道施工中最理想的通风方法。
1、隧道施工通风方式的选择要点分析
隧道施工通风方式的选择应针对污染源的特性进行,在选择时应注意的几个要点:
◆自然通风因其影响因素多、通风效果不稳定且不易控制,尽量避免使用。故除短直隧道外,有轨运输隧道宜采用吸出式或混合式通风,无轨运输隧道宜采用压入式或变换式通风。
◆压入式通内能将新鲜空气直接输送至工作面,有利于工作面施工,但污染空气将流经整个坑道,若采用大功率、大管径设备,该通风方式适用范围较广。
◆吸出入通风的风流方向与压入式相反,但其排烟速度较慢,且易于在工作面形成炮烟停滞区,故一般很少采用,因此,常在工作面处另设局扇以构成混合式通风系统。
◆混合式通风具有压入式和吸入式的优点,但管路、风机等设施增多,在管径较小时可采用,若有大管径、大功率风机时,其经济性不如压入式。
◆有平行导坑施工的隧道应采用巷道式通风,其通风效果主要取决于通风管理的好坏。
2、隧道施工所需风量的计算
确定隧道施工过程中所需风量的因素包括:隧道内同时工作最多人数;一次爆破所用最多炸药量;隧道内规定的最小风速;瓦斯、二氧化碳等有毒有害气体涌出情况及隧道内所用内燃机械数量等。
2.1按隧道内同时工作的最多人数需要的新鲜空气计算风量
Q=4N (1)
式中:Q为隧道内所需风量,m3/min。
4为每人每分钟应供给的最小风量,m3/min•人。
N为隧道内同时施工(指导施工)的最多人数,人。
2.2按炸药量计算
Q=25A(2)
式中:25为在规定时间内将每千克炸药爆炸所产生的有害气体稀释到允许浓度以下,每分钟所需的最小风量,m3/min•kg。
A为一次爆破所需的最大炸药量,kg。
2.3按隧道内规定的最小风速计算
Q≥Vmin•S(3)
式中:Vmin为隧道内规定的最小风速,m/min。
S为施工隧道的最小断面积,m2。
2.4按有毒有害气体(瓦斯、二氧化碳等)涌出量计算
Q=100•q•k(4)
式中:100为按规定(瓦斯、二氧化碳涌出隧道工作面瓦斯、二氧化碳浓度不高于1%)得出的系数。
q为隧道内有毒有害气体的绝对涌出量,m3/min。根据实测统计数值的平均值取值。
k为隧道内有毒有害气体涌出的不均衡系数。它是最大涌出量与平均涌出量之比,由实测统计而得。一般在1.5～2.0之间。
按以上4种方法计算后,选取Q值最大者作为隧道内施工通风所需风量值,并根据此数值选择通风设备。此外,还要考虑隧道内内燃机械设备的使用数量,适当加大通风量。
３、通风设备的选择
３.1风筒相关参数的计算
3.1.1风筒的风阻
风筒的风阻理论上包括风筒的磨擦风阻、接头风阻、弯头风阻、风筒出口风阻(压入式通风)或风筒入口风阻(抽出式通风),且根据通风方式的不同,各有相应繁琐的计算公式。但在实际应用中,风筒风阻除与上述因素有关外,还与风筒的吊挂、维护、风压大小等管理质量密切相关,因此,很难用相应的计算公式进行精确计算,一般都根据实测风筒百米平均风阻(包括局部风阻)作为衡量风筒管理质量和设计的数据。其百米平均风阻由风筒生产厂家在出厂产品参数说明中给出。故风筒风阻计算式:
R=R100•L/100Ns2/m8(5)
式中:R为风筒风阻,Ns2/m8。
R100为风筒百米平均风阻,简称百米风阻,Ns2/m8。
L为风筒全长,m,L/100构成R100的系数。
3.1.2风筒的漏风
正常情况下,金属和透气性极小的塑料风筒的漏风主要发生在接头处,只要加强接头处理,漏风较少,可忽略不计。而胶布风筒等不仅接头而且全长的壁面和针眼都有漏风,故其风筒漏风属连续的不均匀漏风。漏风使风筒和风机连接端的风量Qf与风筒靠近出口端的风量(即隧道内所需风量)Q不等。因此,应按始末端风量的几何平均值作为通过风筒的风量Qa,则:
Qa=√Qf•Qm3/min。(6)
显然,Qf与Q之差就是风筒和漏风量QL。即:
QL=Qf－Q(7)
QL与风筒的种类、接头的数目、方法和管理质量以及风筒直径、风压等有关,但更主要是与风筒的维护和管理密切相关。反映风筒漏风程度的指标参数有三:
①风筒漏风率Le:风筒漏风量占风机工作风量的百分数,即:
Le=QL/Qf×100%=(Qf－Q)/Qf×100%(8)
Le虽然能反映某一风筒的漏风情况,但不能作为比较的指标。故常用百米漏风率Le100表示:
Le100=[(Qf－Q)/(Qf•L/100)]×100% (9)
风筒的百米漏风率由风筒生产厂家在出厂产品的参数说明中给出。
②风筒的有效风量率Ef:即掘进工作面风量占风机工作风量的百分数。
Ef=(Q/Qf)×100%=[(Qf－QL)/Qf]×100%=(1－Le)×100%(10)
由式(9)得:
Qf=100Q/(100－L•Le100)(11)
式(11)代入式(10)得:
Ef=[(100－L•Le100)/100]×100%=(1－L•Le100/100)×100% (12)
(3)风筒漏风备用系数ф:即风筒有效风量率的倒数。
ф=Qf/Q=1/Ef=1/(1－Le)=100/(100－L•Le100) (13)
3.1.3风筒直径
风筒直径的选择取决于送风量、送风距离及隧道断面的大小等因素,实际应用中,多是根据与风机出口直径的匹配情况,选取标准直径。随着隧道施工技术日益发展,长大隧道采用全断面开挖越来越多。利用大口径风管进行施工通风可大大简化隧道施工工序,有利于全断面开挖的推广使用,便于一次成洞,可节约大量的人力和物资,并使通风管理大大简化,是解决长大隧道施工通风的主要途径。
3.2确定所需风机的工作参数
①确定风机的工作风量Qf
Qf=ф•Q=[100/(100－L•Le100)]•Q (14)
②确定风机的工作风压hf
hf=R•Qa2=R•Qf•Q(15)
3.3设备的选择
通风设备的选择,首先要考虑通风方式,要满足所采用通风方式的要求。同时,在选择设备时,还要考虑到隧道内所需风量与以上计算风筒、风机的各项性能参数相匹配,以确保通风机械设备达到最大的工作效率和减少能量浪费。
3.3.1风机的选择
①在风机的选择上,由于轴流式风机具有体积小、质量轻、噪声低、便于安装和效率高等优点而被广泛应用。
②风机的工作风量应满足Qf的要求。
③风机的工作风压应满足hf的要求,
但不宜大于风筒的允许工作压力(风筒出厂参数)。
3.3.2风筒的选择
①隧道掘进通风使用的风筒分无骨架柔性风筒、带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒。
②风筒的选择考虑风筒直径与风机的出口直径相匹配。
③其它条件相差不多时,易选择百米风阻小和百米漏风率低的风筒。
4、通风效果
隧道通风由于在工程实践中加强了通风管理,尤其在“防漏降阻”上采取了严防风管接头漏风、局部破损部位及时粘补、管路安装做到平、顺、直等有效措施,使风管百米漏风率控制在设计的1.3%以下,加上风管模型试验成果提供了依据,最终确定采用单机单管压入通风方案。某隧道按此方案进行通風施工,取得了良好的施工效果,达到了预期的通风目标。
参考文献：
[1]李鹏.浅谈公路隧道通风方式的选择.山西建筑,2009.
[2]赵以蕙.矿井通风与空气调节.中国矿业大学出版社.
[3]李英,韩常领.法国公路隧道通风量计算方法.中外公路,2009.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
1、隧道施工通风方式的选择要点分析
隧道施工通风方式的选择应针对污染源的特性进行,在选择时应注意的几个要点:
◆自然通风因其影响因素多、通风效果不稳定且不易控制,尽量避免使用。故除短直隧道外,有轨运输隧道宜采用吸出式或混合式通风,无轨运输隧道宜采用压入式或变换式通风。
◆压入式通内能将新鲜空气直接输送至工作面,有利于工作面施工,但污染空气将流经整个坑道,若采用大功率、大管径设备,该通风方式适用范围较广。
◆吸出入通风的风流方向与压入式相反,但其排烟速度较慢,且易于在工作面形成炮烟停滞区,故一般很少采用,因此,常在工作面处另设局扇以构成混合式通风系统。
◆混合式通风具有压入式和吸入式的优点,但管路、风机等设施增多,在管径较小时可采用,若有大管径、大功率风机时,其经济性不如压入式。
◆有平行导坑施工的隧道应采用巷道式通风,其通风效果主要取决于通风管理的好坏。
2、隧道施工所需风量的计算
确定隧道施工过程中所需风量的因素包括:隧道内同时工作最多人数;一次爆破所用最多炸药量;隧道内规定的最小风速;瓦斯、二氧化碳等有毒有害气体涌出情况及隧道内所用内燃机械数量等。
2.1按隧道内同时工作的最多人数需要的新鲜空气计算风量
Q=4N (1)
式中:Q为隧道内所需风量,m3/min。
4为每人每分钟应供给的最小风量,m3/min•人。
N为隧道内同时施工(指导施工)的最多人数,人。
2.2按炸药量计算
Q=25A(2)
式中:25为在规定时间内将每千克炸药爆炸所产生的有害气体稀释到允许浓度以下,每分钟所需的最小风量,m3/min•kg。
A为一次爆破所需的最大炸药量,kg。
2.3按隧道内规定的最小风速计算
Q≥Vmin•S(3)
式中:Vmin为隧道内规定的最小风速,m/min。
S为施工隧道的最小断面积,m2。
2.4按有毒有害气体(瓦斯、二氧化碳等)涌出量计算
Q=100•q•k(4)
式中:100为按规定(瓦斯、二氧化碳涌出隧道工作面瓦斯、二氧化碳浓度不高于1%)得出的系数。
q为隧道内有毒有害气体的绝对涌出量,m3/min。根据实测统计数值的平均值取值。
k为隧道内有毒有害气体涌出的不均衡系数。它是最大涌出量与平均涌出量之比,由实测统计而得。一般在1.5～2.0之间。
按以上4种方法计算后,选取Q值最大者作为隧道内施工通风所需风量值,并根据此数值选择通风设备。此外,还要考虑隧道内内燃机械设备的使用数量,适当加大通风量。
３、通风设备的选择
３.1风筒相关参数的计算
3.1.1风筒的风阻
风筒的风阻理论上包括风筒的磨擦风阻、接头风阻、弯头风阻、风筒出口风阻(压入式通风)或风筒入口风阻(抽出式通风),且根据通风方式的不同,各有相应繁琐的计算公式。但在实际应用中,风筒风阻除与上述因素有关外,还与风筒的吊挂、维护、风压大小等管理质量密切相关,因此,很难用相应的计算公式进行精确计算,一般都根据实测风筒百米平均风阻(包括局部风阻)作为衡量风筒管理质量和设计的数据。其百米平均风阻由风筒生产厂家在出厂产品参数说明中给出。故风筒风阻计算式:
R=R100•L/100Ns2/m8(5)
式中:R为风筒风阻,Ns2/m8。
R100为风筒百米平均风阻,简称百米风阻,Ns2/m8。
L为风筒全长,m,L/100构成R100的系数。
3.1.2风筒的漏风
正常情况下,金属和透气性极小的塑料风筒的漏风主要发生在接头处,只要加强接头处理,漏风较少,可忽略不计。而胶布风筒等不仅接头而且全长的壁面和针眼都有漏风,故其风筒漏风属连续的不均匀漏风。漏风使风筒和风机连接端的风量Qf与风筒靠近出口端的风量(即隧道内所需风量)Q不等。因此,应按始末端风量的几何平均值作为通过风筒的风量Qa,则:
Qa=√Qf•Qm3/min。(6)
显然,Qf与Q之差就是风筒和漏风量QL。即:
QL=Qf－Q(7)
QL与风筒的种类、接头的数目、方法和管理质量以及风筒直径、风压等有关,但更主要是与风筒的维护和管理密切相关。反映风筒漏风程度的指标参数有三:
①风筒漏风率Le:风筒漏风量占风机工作风量的百分数,即:
Le=QL/Qf×100%=(Qf－Q)/Qf×100%(8)
Le虽然能反映某一风筒的漏风情况,但不能作为比较的指标。故常用百米漏风率Le100表示:
Le100=[(Qf－Q)/(Qf•L/100)]×100% (9)
风筒的百米漏风率由风筒生产厂家在出厂产品的参数说明中给出。
②风筒的有效风量率Ef:即掘进工作面风量占风机工作风量的百分数。
Ef=(Q/Qf)×100%=[(Qf－QL)/Qf]×100%=(1－Le)×100%(10)
由式(9)得:
Qf=100Q/(100－L•Le100)(11)
式(11)代入式(10)得:
Ef=[(100－L•Le100)/100]×100%=(1－L•Le100/100)×100% (12)
(3)风筒漏风备用系数ф:即风筒有效风量率的倒数。
ф=Qf/Q=1/Ef=1/(1－Le)=100/(100－L•Le100) (13)
3.1.3风筒直径
风筒直径的选择取决于送风量、送风距离及隧道断面的大小等因素,实际应用中,多是根据与风机出口直径的匹配情况,选取标准直径。随着隧道施工技术日益发展,长大隧道采用全断面开挖越来越多。利用大口径风管进行施工通风可大大简化隧道施工工序,有利于全断面开挖的推广使用,便于一次成洞,可节约大量的人力和物资,并使通风管理大大简化,是解决长大隧道施工通风的主要途径。
3.2确定所需风机的工作参数
①确定风机的工作风量Qf
Qf=ф•Q=[100/(100－L•Le100)]•Q (14)
②确定风机的工作风压hf
hf=R•Qa2=R•Qf•Q(15)
3.3设备的选择
通风设备的选择,首先要考虑通风方式,要满足所采用通风方式的要求。同时,在选择设备时,还要考虑到隧道内所需风量与以上计算风筒、风机的各项性能参数相匹配,以确保通风机械设备达到最大的工作效率和减少能量浪费。
3.3.1风机的选择
①在风机的选择上,由于轴流式风机具有体积小、质量轻、噪声低、便于安装和效率高等优点而被广泛应用。
②风机的工作风量应满足Qf的要求。
③风机的工作风压应满足hf的要求,
但不宜大于风筒的允许工作压力(风筒出厂参数)。
3.3.2风筒的选择
①隧道掘进通风使用的风筒分无骨架柔性风筒、带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒。
②风筒的选择考虑风筒直径与风机的出口直径相匹配。
③其它条件相差不多时,易选择百米风阻小和百米漏风率低的风筒。
4、通风效果
隧道通风由于在工程实践中加强了通风管理,尤其在“防漏降阻”上采取了严防风管接头漏风、局部破损部位及时粘补、管路安装做到平、顺、直等有效措施,使风管百米漏风率控制在设计的1.3%以下,加上风管模型试验成果提供了依据,最终确定采用单机单管压入通风方案。某隧道按此方案进行通風施工,取得了良好的施工效果,达到了预期的通风目标。
参考文献：
[1]李鹏.浅谈公路隧道通风方式的选择.山西建筑,2009.
[2]赵以蕙.矿井通风与空气调节.中国矿业大学出版社.
[3]李英,韩常领.法国公路隧道通风量计算方法.中外公路,2009.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。