隧道施工通风分风三通位置选择研究

苟红松， 吴元金， 李永生， 张文新

(中铁隧道勘测设计研究院有限公司， 河南 洛阳　471009)



隧道施工通风分风三通位置选择研究

苟红松， 吴元金， 李永生， 张文新

(中铁隧道勘测设计研究院有限公司， 河南 洛阳471009)

摘要：采用并联风管对2个开挖面同时进行送风时，隧道施工通风系统中风管三通设置的位置对风管出口风量的影响较大，利用理论计算得出主风管与分风管直径的比值是分风三通设置位置对开挖面风管出口风量影响的关键因数，围绕着理论计算结果例举3个工程算例及1个工程实例进行了验证，得出合理选择分风三通的位置来提高风管出风口风量的方法，为采用分风三通的施工通风工程提供技术参考。

关键词：隧道； 施工通风； 分风三通

0引言

隧道施工通风状况一直是制约隧道开挖独头长度的影响要素，特别是在辅助坑道的数量和断面积受限情况下的长大隧道多作业面施工通风尤为困难，随着工程技术人员的不断努力，取得了较多的研究成果。文献[1]对隧道施工作业环境的卫生控制标准进行了研究；文献[2]对高原地区施工通风计算进行了分析；文献[3-4]对施工通风方案比选和优化进行了研究；文献[5]对施工通风现场管控进行了总结和介绍；文献[6]对瓦斯隧道施工通风进行应用分析和归纳总结，以期能为隧道施工提供优质的施工环境，提高隧道施工效率。文献[7-11]对新型通风方式进行了开发和研究，如： 肖元平等[7]研究了在单斜井双正洞隧道中采用射流通风技术；豆小天等[8]在长斜井隧道内设计大风室，采用接力通风技术；文献[9-10]采用了斜井分割的隔板通风技术；赵军喜[11]利用环境监测设备对施工隧道内环境监测并精准调节风机功率的技术等来研究解决长大隧道施工通风的难题，但以上的几种通风技术均需要采用辅助风道，通风系统也较为复杂，管理难度大。随着通风设备制造水平的不断提高，风管并联压入式通风采用大功率变频风机，大直径低漏风率风管能满足大部分辅助坑道受限情况下的多作业面施工通风需求，如南吕梁山隧道、平安隧道均采用风管并联压入式通风，通风效果良好，通风系统简单易管理；但此类通风方式三通位置的选择对开挖面风管出口风量影响很大，所以有必要对此类通风方式的三通位置选择进行研究，以便达到更好的通风效果。

1理论计算与分析

1.1风管风量计算

设采用软风管送到作业面的风量为Q0，通风管路的长度为L，直径为d，断面积为A，百米漏风率平均值β，摩擦阻力系数λ，空气密度ρ，风流由管路末端自由排出。通风管路如图1所示。

图1　通风管路示意图

根据日本青函隧道公式，风管入口风量Qin与风管出口风量Qout的关系为

(1)

距入风口x处的通风管内风量

(2)

则距入风口x处的通风管内风速为

(3)

通风管路的摩擦阻力[12]

(4)

若不考虑风管进口及出口局部损失，上式即为风管通风阻力。

1.2三通位置关系理论计算

风管出风口的风量与三通位置的关系主要体现在风管的阻力特性上[12]，通过对比2根分风管与长度相同的1根主风管的阻力特性，可得出主风管和分风管的直径比值与分风三通位置的关系。

假设管路系统中某一段风管分为2种方式通风: 一种是1根风管(主风管)通风；一种是2根直径相同的风管(分风管)通风。2种方式的送风长度必然相等，送到开挖面的风量也需相等，消耗的功率也相等，则这2种方式的通风阻力必然相等，即：

h主=h分。

(5)

将式(5)展开：

合并可得

(6)

式中： h为管路的摩擦阻力，Pa； λ为摩擦阻力系数； ρ为空气密度，kg/m3； d为风管直径，m； β为平均风管百米漏风率； L为风管长度，m； Q为风管进风口风量，m3/s； ρ主=ρ分； L主=L分； Q主=2Q分。

代入式(6)中，得：

(7)

当主风管与分风管采用相同材质的风管布时，式(7)中： λ主=λ分； β主=β分。

则式(7)简化可得主风管直径和分风管直径的比值

(8)

1.3三通局部阻力的影响

分风三通位置的局部阻力

(9)

式中： hl为管路的局部阻力，Pa； ξ为局部阻力系数,取1.0； v1为管路小断面处的风速，m/s； ρ为空气密度，kg/m3。

采用并联风管对2个开挖面同时送风时，分风三通是必然存在的，三通越靠近井底的位置，风管内风速越高，三通所产生的局部阻力也越大。主风管及分风管通风时均考虑三通的局部阻力，但采用主风管时，三通位于主风管出口位置，而采用分风管时三通位于分风管入口位置，三通局部阻力以三通入口风量进行计算，则式(6)变形为

(10)

即

(11)

(12)

将送风距离L，百米漏风率平均值β，摩擦阻力系数λ=0.02代入式(12)，即可求出δ值，如图2和图3所示。

图2　考虑三通局部阻力时δ值与分风管直径的关系(β=0.015)

Fig. 2RelationshipsbetweenδvaluesandventilationpipediameterconsideringlocalresistanceofventilationT-junction(whenβ=0.015)

图3　考虑三通局部阻力时δ值与分风管直径的关系(L=2 000 m)

Fig. 3Relationships betweenδvalues and ventilation pipe diameter considering local resistance of ventilation T-junction (whenL=2 000 m)

由图2和图3可以看出，考虑三通局部阻力后，δ值总体变化较小，其原因是由于无论主风管还是分风管通风都考虑了三通局部阻力，而三通局部阻力与摩擦阻力相比是比较小的。可见，即使是考虑三通局部阻力受其位置的影响，式(8)的计算结果仍然是可以应用于施工通风设计的。

1.4计算结果分析

计算模型的边界条件如下：

1)按照1路风管分风2路相同直径、相同送风长度的风管考虑；

2)主风管和分风管的摩擦阻力系数、平均风管百米漏风率和长度等计算参数相等；

3)空气密度不变，主风管风量平均分配给2路分风管。

在上述边界条件下δ=1.319 5，如果主风管和分风管长度不等时，那么分风三通的设置位置就会发生变化；主风管和分风管的直径变化又会导致δ值的变化。举例计算可知分风三通设置位置和δ值对开挖面风管出口风量有很大影响，从中可以总结出一定的规律，合理利用此规律能够改善隧道施工通风质量，提高经济效益。

2典型算例计算与规律总结

2.1典型算例1

某单斜井双正洞隧道斜井长2 500 m，正洞4个开挖面距离三岔口均为3 000 m，洞口选用250 kW×2轴流风机，风机出口至分风三通位置布设2路直径2.2 m的风管，分风三通至开挖面布设直径1.6 m的风管，δ=1.375>1.319 5，风管平均百米漏风率均为1.5%，风管摩擦阻力系数为0.02。

2.1.1分风三通设置在斜井井底

风管布置如图4所示，分风三通设置在斜井井底三岔口位置，通过计算得出： 4个开挖面的风管出口风量均为760.30 m3/min。

图4　算例1分风三通设置在井底示意图(单位： m)

Fig. 4Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 1 (m)

2.1.2分风三通设置在正洞内

风管布置如图5所示，进口方向分风三通设置在距离三岔口1 000 m处，出口方向分风三通设置在距离三岔口2 000 m处，通过计算得出： 进口方向开挖面风管出风口风量均为773.81 m3/min；出口方向开挖面风管出口风量均为805.54 m3/min。

2.2典型算例2

某单斜井双正洞隧道斜井长800 m，正洞4个开挖面距离斜井三岔口均为2 600 m，洞口选用200 kW×2轴流风机，风机出口至分风三通布设2路直径2 m的风管，分风三通至开挖面布设直径1.5 m的风管，δ=1.333≈1.319 5，由于风管直径一般只能精确到 0.1 m，所以δ值稍大于1.319 5，风管平均百米漏风率均为1.5%，风管摩擦阻力系数为0.02。

图5　算例1分风三通设置在正洞内示意图(单位： m)

Fig. 5Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 1 (m)

2.2.1分风三通设置在斜井井底

风管布置如图6所示，风管三通布设在三岔口位置，通过计算得出： 4个开挖面的通风管出口风量均为1 015.72 m3/min。

图6　算例2分风三通设置在井底示意图(单位： m)

Fig. 6Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 2 (m)

2.2.2分风三通布置在正洞内

风管布置如图7所示，进口方向分风三通设置在距离三岔口1 800 m处，出口方向分风三通设置在距离三岔口1 000 m处，通过计算得出：进口方向通风管出风口风量均为1 007.30 m3/min；出口方向通风管出口风量均为1 022.62 m3/min。

图7　算例2分风三通设置在正洞内示意图(单位： m)

Fig. 7Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 2 (m)

2.3典型算例3

某单斜井双正洞隧道斜井长700 m，正洞4个开挖面距离斜井三岔口均为3 000 m，洞口选用200 kW×2的风机。风机出口至分风三通布设2路直径1.8 m的风管，分风三通至开挖面布设直径1.6 m的风管，δ=1.125<1.319 5，风管平均百米漏风率均为1.5%，风管摩擦阻力系数为0.02。

2.3.1分风三通设置在斜井井底

风管布置如图8所示，分风三通设置在斜井三岔口位置，通过计算得出： 4个开挖面的通风管出口风量均为974.65 m3/min。

图8　算例3分风三通设置在井底示意图(单位： m)

Fig. 8Ventilation T-junction set at foot of inclined shaft in Calculation Case 3 (m)

2.3.2分风三通布置在正洞内

风管布置如图9所示，进口方向分风三通设置在距离三岔口1 000 m处，出口方向分风三通设置在距离三岔口2 000 m处，通过计算得出： 进口方向通风管出风口风量为902.32 m3/min；出口方向通风管出口风量为872.75 m3/min。

图9　算例3分风三通设置在正洞内示意图(单位： m)

Fig. 9Ventilation T-junction set in main tunnel in Calculation Case 3 (m)

2.4数据统计与规律总结

2.4.1数据统计

3种算例的数据统计对比情况见表1。

2.4.2规律总结

针对上述3种典型算例，通过对数据进行统计对比分析，可总结出如下规律。

1)当δ>1.319 5时，分风三通位置越靠近开挖面，开挖面风管出口风量越大，反之则越小。

2)当δ≈1.319 5时，分风三通设置位置对开挖面风管出口风量影响很小，分风三通位置可依据施工方便设置。

3)当δ<1.319 5时，分风三通位置越靠近开挖面，开挖面风管出口风量越小，反之则越大。

表1　3种算例数据统计对比表

3工程实例验证

平安隧道6#横洞工区是目前正在施工且契合本文δ>1.319 5的工程实例。平安隧道6#横洞洞身长2 852 m，为单横洞双正洞施工。正洞施工任务为出口方向1 673 m，进口方向2 205 m，正洞出口方向目前施工长度为1 198 m，进口方向目前施工长度为1 258 m，洞口布设2台250 kW×2风机，主风管直径为2.2 m，分风管直径为1.6 m，主风管与分风管采用同一厂家同样材质的风管布。以本文总结的规律为依据，将原进口方向布设在三岔口的三通移动到距离三岔口1 000 m的横通道处，同时将此段的2根分风管更换成1根主风管，在风机开启功率不变的情况下，对三通移动前后风管出口风量进行检测。图10—13为通风检测仪器。

图10　KIMO MP-200多功能差压仪

三通移动前后风机开启频率均为40 Hz，测点位置为风管出口往回10 m处，毕托管在风管底部伸入风管内，按设定好的检测点依次检测测点处的动压，根据测点处的干球温度及相对湿度计算出空气密度，由式Δp=ρυ2/2可计算出测点内的风速，再根据Q=υA可计算出风管出口风量。检测数据及计算结果如表2所示。

通过对目前正在施工的平安隧道6#横洞进口方向三通位置移动前后的风管出口风量检测可看出，三通往开挖面方向移动1 000 m，风管出口风量增加了62.6 m3/min，符合本文总结的规律。

图11　φ4×1 500 mm L型毕托管

图12　TES-1360A温湿度检测仪

图13　DYM3空盒式气压表

检测时间风机频率/Hz动压/Pa干球温度/℃相对湿度/%大气压/kPa空气密度/(kg/m3)风速/(m/s)风管出口风量/(m3/min)2016-01-284025.02-2.857.681.51.0516.90832.12016-02-054029.10-3.452.381.81.0577.42894.7

注： 2016年1月28日检测的为三通在三岔口处的风管出口数据; 2016年2月5日检测的为三通移动到距离三岔口1 000 m处的风管出口数据。

4结论与建议

隧道施工过程中，遇到应用分风三通的情况可利用本文总结出的规律进行方案优化，不但可以改善通风效果，而且还会提高经济效益，主要体现在以下2方面。

1)优化分风三通位置，可提高隧道开挖面风管出风口的风量，在开挖面需风量一定的前提下，可降低通风机开启功率，节约电能。

2)当δ大于平衡点数值时，可以将三通布设在靠近开挖面附近的横通道处，三岔口至分风三通位置由原来2路分风管改成1路主风管，可减少风管数量，降低材料消耗。

好的方案及设计落实到施工现场均需优质的管理来实现其应用效果，该点对于隧道施工通风尤为重要。建议长大隧道施工时成立专业的通风施工队伍，并定期检测隧道内施工现场的空气质量，根据施工现场的需求及规范要求调整通风系统，确保施工人员的身心健康。

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Selection of Location of Ventilation T-junction in Tunnel Construction

GOU Hongsong, WU Yuanjin, LI Yongsheng， ZHANG Wenxin

(Survey,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:The influence of location of ventilation T-junction for tunnel construction on the air volume of ventilation pipe is serious; It is illustrated that the ratio of main ventilation pipe diameter to sub-ventilation pipe diameter is the main factor for determining the location of ventilation T-junction. Three calculation cases are given, of which the calculation results are compared with an actual project. Finally, rational locations of ventilation T-junction are obtained.

Keywords:tunnel; construction ventilation; ventilation T-junction

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0384-06

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.003

第一作者简介：苟红松(1984—)，男，四川剑阁人，2010年毕业于河南理工大学，矿业工程专业，硕士，工程师，现从事隧道科研及设计工作。E-mail: kysghs@163.com。

基金项目：中铁隧道集团有限公司2013年重大课题(隧研合2013-01)

收稿日期：2015-12-18； 修回日期： 2016-03-11