长隧道施工通风计算及应用选择

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  摘要:狮子炉隧道独头掘进长度较长,为保证施工人员具备良好施工环境,保障工程顺利施工,在施工过程中隧道内需采取适当通风方式。通过对通风方式、通风风量计算及设备性能考量,狮子炉隧道采用送风式通风,通风设备采用对旋轴流式通风机,配套风管为维尼龙胶布风管,为洞内工作面及时供给新鲜空气,排出有害气体及烟尘。
  关键词:狮子炉隧道;通风量计算;送风式通风;轴流式通风机
  根据《公路隧道施工技术规范(JTG F60—2009)》(后简称“规范”)中相关要求,隧道施工独头掘进长度超过150米时,必须采用机械通风。通风方式应根据隧道长度、断面大小、施工方法、设备条件等综合确定。狮子炉隧道单洞独头掘进长度最长2317.12米,属长隧道。施工过程中需采取机械通风,及时为隧道内工作面供给新鲜空气,并排出隧道内有害气体。
  1 工程概况
  莆永高速公路永春至永定段A9合同段位于福建省泉州市安溪县与龙岩市交界的云中山省级自然保护区,起讫里程为K55+050~K62+881.680,全线长为7.832公里。合同段内狮子炉隧道左洞全长2317.125米,右洞全长2303.68米,隧道单洞合计总长8097.59米。围岩级别Ⅱ~Ⅴ级。开挖方法采用暗洞三台阶法、台阶法和全断面法。采用光面爆破,无轨出渣。根据野外地址调查、钻探及物探资料,隧址区地层岩性较简单,为全-中风化粉砂岩及强-微风化凝灰岩;洞身围岩级别为Ⅱ~Ⅴ级。狮子炉隧道开挖后,洞内不会有甲烷(CH4)、硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)等有害气体溢出。隧址区基岩为粉砂岩及凝灰岩,放射性影响微弱。洞内有害气体的来源主要有钻眼粉尘、爆破烟尘、运输汽车尾气及汽车扬尘、喷射混凝土粉尘、水雾等有害气体。
  2 目的及要求
  隧道施工通风预期达到的目的:
  ⑴为隧道内施工作业人员提供所需新鲜空气。
  ⑵稀释并排出各种有害气体和粉尘。
  ⑶适当调节隧道内工作面温度及湿度。
  ⑷创造良好的作业环境,为隧道施工进度、质量、安全等方面做好铺垫。
  规范要求,隧道施工作业环境应符合下列卫生及安全标准:
  ⑴空气中氧气含量在作业过程中始终保持在19.5%以上。严禁用纯氧进行通风换气。
  ⑵二氧化碳(CO2)最高容许浓度9000mg/m?,短时间(15min)接触容许浓度18000mg/ m?;二氧化氮(NO2)最高容许浓度5mg/m?,短时间(15min)接触容许浓度10mg/m?。
  ⑶含10%以下游离SiO2的矿物性粉尘,总粉尘不得大于4mg/m?。
  ⑷噪声不应大于90dB。
  ⑸隧道内气温不宜高于28℃。
  此外规范还规定:隧道施工通风应能提供洞内各项作业所需的最小风量。每人应供应新鲜空气3m?/min,采用内燃机械作业时,供风量不宜小于4.5m?/(min·Kw)。全断面开挖时风速不应小于0.15m/s,但不应大于6m/s。
  3 机械通风方式
  目前我国一般隧道施工通风方式主要有机械通风和自然通风等方式,其中机械通风分为排风式、送风式、巷道式、送排混合通风方式等。巷道式通风多用于煤矿系统中。在公路隧道施工中,由于经济等各方面的原因,较少采用巷道式通风,多采用排风式、送风式通风等方式。
  图1 隧道施工通风主要方式
  机械通风方式优缺点对比详见表1 机械通风方式对比。
  表1 机械通风方式对比
  类型 方法 优点 缺点
  排风式 将吸风口置于工作面附近,通过风机将灰尘气体等有害物质吸出,排到洞外,新鲜空气顺坑道进入洞内。 及时排出废弃物 工作面需较长时间才能得到新鲜空气,不利于下一工作循环的开展。
  送风式 将风机置于洞外,通过管道将新鲜空气压送到工作面附近,从而将污染物排出洞外。 及时供给新鲜空气 污染物从洞内往外排出,对洞内已完成的衬砌造成污染,对后续的支护施工有一定影响。
  送排混合式 一路为送风式通风,送入新鲜空气;一路为排风式通风,吸出废弃物。 兼有排风式和送风式优点 需同时在洞内铺设两路风管,洞内空间狭小,会对洞内运输等工作造成一定干扰;大大增加风管管路的续接、维护等工作量;增加施工成本。
  经综合对比,考虑施工进度、施工成本等方面因素,在独头掘进长度2公里多,采用送风式通风较为合适。
  4 施工通风计算
  4.1 设计参数
  管道百米漏风率和摩擦阻力系数等与管道的材质、直径、连接形式、表面状况、制造及安装维护的质量密切相关,只有通过大量工程试验,才能获得较为准确的数值。我国所有的通风系统设计文献只能提供直径800㎜以下通风管道的技术性能数据,对长隧道使用的新型大直径管道,目前尚无确切的实测数据,仅可根据国内隧道工程建设过程中现场测试分析对照取值。
  开挖断面积主洞(Ⅱ级围岩):S=76.3m2;
  一次爆破用药量:根据狮子炉隧道Ⅱ级围岩光面爆破设计参数,结合实际施工情况,取G=291.2kg,按Ⅱ级围岩循环进尺3m考虑;
  洞内最多作业人数:按每工作面最大45人;
  爆破后通风排烟时间:t=30min;
  通风管:采用φ1.3m软管;
  管道百米漏风率:一般取β=(1.1~1.5)%,根据狮子炉风管情况取值1.2%;
  風管沿程摩阻系数:由流体力学的沿程阻力公式推导α=λρ/8=3×10-4kg·s2/m4,式中(达西系数λ=0.01,空气密度ρ=1.2);
  炮烟抛掷长度:经验公式Ls=15+G/5,Ls=15+291.2/5=73.24m;   单位炸药爆破放出放入的有害气体换算成CO的体积,取a=30×10-3m?/Kg;
  最大压入通风长度:按主洞单口最大掘进长度2317.12m,通风按L=2300m管道长度计算。
  4.2 通风设计原则
  充分利用现有设备,在满足通风效果的前提下,进行合理调配减少新购风机的数量。在净空允许的情况下,采用大直径风管,减少能耗损失。通过适当增加一次性投入,减少通风系统的长期运行成本。
  ⑴适当提高工作面的供风标准。在风量计算中各参数选取时宜坚持增加风量的取值倾向。
  ⑵为了实现较好的节能降耗的效果,尽量采用双级调速轴流式通风机。当要求风量大时,风机以高转速运行;当要求风量较低时,风机可以较低转速运行。
  ⑶坚持“以人为本、改善环境、确保安全、节约能源、节约投资”的设计原则。
  4.3 通风计算
  关于隧道施工通风量计算,目前世界各国尚无公认统一公式,我国亦无相关标准计算公式,本方案所列公式均参照目前国内主流施工通风量计算公式。
  4.3.1 洞内施工所需通风量考虑因素:
  ①满足洞内允许最小风速要求等条件进行计算确定;
  ②洞内同时工作的最多人数所需要的空气量;
  ③使同一时间爆破的最多炸药用量产生的有害气体降低到允许浓度所需要的空气量;
  ④使同时在洞内作业的柴油机产生的有害气体稀释到允许浓度所需要的空气量。
  以其中最大者选择通风设备。
  4.3.2 通风量计算
  ⑴按洞内最小风速计算
  Q1=60·V·S
  式中:Q1—计算风量,m?/min;
  v—允许最小风速,m/s,全断面开挖时应不小于0.15m/s,但均不应大于6m/s,取0.2m/s;
  S—开挖断面面积,㎡,取Ⅱ级围岩断面76.3㎡。
  由此得Q1=60×0.2×76.3=915.6m?/min。
  ⑵按洞内可能的同时作业的最多人数计算
  Q2=q·N·K
  式中:Q2—计算风量,m?/min;
  q—洞内每人每分钟所需新鲜空气量,m?/min,按每人每分钟3m?计算;
  N—洞内同时工作的最多人数,取N=45;
  K—风量备用系数,取1.10~1.15。
  由此得Q2=3×45×1.15=155.3m?/min。
  ⑶按稀释爆破烟尘计算
  Q3=V1·〔1-(K·V1/V2)1/t〕
  式中:Q3—计算风量,m?/min;
  V1—一次爆破产生的炮烟体积,V1= S·Ls=76.3×73.24=5588.3m?;
  V2—一次爆破产生的有害气体,V2=a·G=30×10-3×291.2=8.74m?;
  t—通风时间,min,一般在20min—40min,取t=30;
  K—允许浓度,ppm,一般取100ppm。
  由此得Q3=5588.3×[1-(100×10-6×5588.3/8.74)1/30]=489.4m?/min。
  ⑷按冲淡机械作业排出的废气计算
  Q4=P·Σm·N
  式中:Q4—计算风量,m?/min;
  P—每Kw每min需提供空气量P=3m?/min;
  N—内燃机械的功率,Kw;
  m—内燃机械的数量。洞内掘进作业区1台卡特320挖掘机,功率103Kw;1台龙工反斗式50装载机,功率162Kw;2辆斯太尔8m?自卸车,单辆功率191Kw。
  由此得Q4=3×(1×103+1×162+2×191)=1941m?/min。
  狮子炉隧道作业面施工通风需求量Q需= Max(Q1,Q2,Q3,Q4)= 1941m?/min。
  考虑风管漏风,则风机提供的风量为:
  Q机=Q需/(1-β)L/100=1941/(1-0.012)2300/100=2562.3m?/min。
  4.3.3 风压计算
  为将所需风量送入指定位置并达到设定的风量,必須克服沿途阻力,并在出口维持一定的风速和风压,则通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力,即h机>h阻。
  h阻=∑h动+∑h局+∑h沿。
  式中:∑h动—动压,取50Pa;
  ∑h局—局部压力损失,一般按沿程压力损失的10%估算。
  沿程压力损失计算:
  ∑h沿= =
  式中:α—风道摩擦阻力系数,取α=3×10-4kg·s2/m4;
  L—风管长度,m,取2300m;
  D—风管直径,m,取1.3m;
  U—风管周长,m;
  S—风管截面积,m;
  Q—风机风量,m3/s,取2562.3/60=42.705m3/s。
  ∑h沿=2203Pa。
  h阻=∑h动+∑h局+∑h沿=2473.3Pa。
  根据以上计算结果,洞口选择风量不小于2562.3m?/min、风压不小于2473.3Pa的风机才能满足主洞施工通风需求。
  5 机械通风设备
  通风系统设计的合理性、风机与通风管的能力匹配性等是隧道施工通风设计的关键。无论是单方面追求高效率、大风量的风机,忽视风管的直径小、阻风系数高等问题;还是选择风管直径较大,而风机风量偏小、风压偏低,都难以保证施工通风取得良好效果。
  5.1 通风机   目前市场上通风机的类型主要分为离心式和轴流式,其中轴流式有子午加速式轴流通风机、对旋式轴流通风机、变特性隧道轴流风机等几种。通过近几年高速公路隧道施工的实践,对旋式轴流通风机使用效果较好。
  5.2 风管
  隧道通风风管一般要求:风阻系数低、漏风率低、合适的直径。
  通常风管可分为维尼龙胶布风管、镀锌薄钢板风管、玻璃钢风管等。考虑经济、实用性等因素,除特别要求,一般较少采用玻璃钢风管、铝合金板风管等。送风式通风一般采用维尼龙胶布风管,它具有存放方便、接长简单、方便挪移等优点。
  5.3 狮子炉隧道的施工通风
  根据施工组织设计,经过通风量计算,结果显示洞内最小风速和内燃机械作业排出的废气是计算风量的控制因素。考虑施工进度、施工成本等方面因素,采用送风式通风;根据风量、风压的计算结果和现场设备状况,采用轴流式通风机。狮子炉隧道主洞通风:施工作业区段长2317.125m,施工供风采用SDDY-Ⅲ型轴流式2×110Kw通风机,在洞口配一台风机,通风管为直径1.3m的软管,管道布置在隧道左侧,在距离作业面100m架设在起拱线以上1.2m处,风管在喷护面段采用锚杆支搭,在锚杆用φ8盘条做吊挂线,并经带接。考虑狮子炉隧道实际施工过程中,管道布置、维护不理想,掌子面风压偏小,在主洞掘进至第二处紧急停车带(K61+738),串联一个SDDY-Ⅲ型串联式4×55Kw通风机,以提高风压,管道布置同压入式通风机。
  图2 狮子炉隧道施工通风风机布置图
  6 結语
  隧道良好的施工通风是保障工程施工安全、质量、进度不可或缺的一部分。选择合适的通风方式,能及时地为洞内工作面供给新鲜空气,排出有害气体及烟尘,为洞内工作人员提供较好的工作环境,便于下一循环工序的开展。狮子炉隧道在选择施工通风方式过程中,综合考虑经济成本、施工进度、现场实际环境等各方面因素,不片面追求大风率、大风管设备,务实高效,最终选择轴流式通风机,将风机置于洞外,通过管道将新鲜空气压送到工作面附近,从而将污染物排出洞外。在做好施工通风的同时,做好其他防尘防污措施,如钻眼作业采用湿式凿岩,放炮后及时进行喷雾、洒水等。
  参考文献
  [1] 中华人民共和国行业标准. JTG F60--2009 公路隧道施工技术规范[s].北京:人民交通出版社,2009.
  [2] 中华人民共和国行业标准. JTG F60--2009 公路隧道施工技术细则[s].北京:人民交通出版社,2009.
  [3] 李纵.隧道掘进施工通风风量计算与设备选择(J).公路隧道,2009,(03).
  作者简介
  潘嘉泉,男,1987年05月,本科,助理工程师.
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