隧道盾构掘进通风设计研究

杨威文 黄宇翔

广州市市政集团有限公司 广东 广州 510068

随着经济水平持续提升，我国城市化发展速度越来越快，交通压力也就随之增加，对城市地铁进行修建成为主要任务之一。城市地铁大部分处于地下，最常用施工方法是盾构法，盾构施工过程中，空气流通效果较差，同时施工环境中具有湿度大、有灰尘的特点，特别是多雨地区或多雨季节，施工环境中湿热问题显著。因此，隧道气候好坏直接影响到隧道内作业人员身心健康、安全、劳动效率和舒适性以及机械设备故障率。所以每条盾构隧道作业前，必须根据开挖隧道实际情况对通风进行合理设计，防止隧道内送风量不足，提高作业效率，减小对作业人员身体健康影响，同时避免能源浪费，提高单位能耗产值。

1 风量设计

风量指单位时间内特定空间空气流通量。隧道通风关键是考虑通风量对应风速对粉尘控制的影响及作业人员对新风量需求，同时兼顾将隧道内部分热量及盾构中产生有害气体带出到隧道外扩散，以此保证作业人员工作环境及身心健康。

1.1 按照规范规定洞内允许最小风速对应风量

（1）TB 10204—2002《铁路隧道施工规范》，其中对隧道施工环境中温度和风速应达到的标准进行了规定，要求在隧道施工过程中：“风速在全断面开挖时不小于0.15 m/s”。（2）国际隧协要求空气的供给量或从作业面的排出量为：在任何时候全断面隧道或竖井最小平均风速应在0.3 ～2m/s。（3）英国《建筑工业中隧道开挖作业安全实用规程》认为：当风速小于0.5 m/s时，粉尘会逆风扩散。（4）美国的《煤炭矿井通风法规》要求平均风速为0.30m/s这个速度是基于全断面来说的，而不考虑设备挤占空间，并且0.30m/s是最低限度。从控制粉尘方面要求风速为0.61m/s,因为研究证明这一风速能很好地控制粉尘。

则按照规范满足洞内允许最小风速对应风量：

式中, V1为隧道风量需求，m3/h；s为隧道断面面积，m2;V为允许最小风速,m/h。

1.2 按满足规范规定人均新风量计算所需送风量

（1）铁道部《隧规》规定按3m3/(p·min)计算。

（2）煤炭部行业标准MT/T634-1996煤矿矿井风量计算方法中规定每人每分钟 供给风量不得小于4m3/(p·min);

则按满足规范规定人均新风量计算所需送风量：

式中,V2作业人员所需新风量，m3/h；q为每人每分钟所需新鲜空气量，m3; m为隧道内最多作业人数；K为备用系数，1.1～1.15。

小结：据以上规范，无具体到对盾构隧道规定。一般情况下，盾构隧道比其它方式挖掘的隧道作业环境较好，较少粉尘。因此满足要求情况下，为节约能量，通风量在合理范围内越小越好，但从作业效率及身心健康出发，则应保持隧道内拥有必要的舒适度。在满足人均新风量条件下，盾构隧道内平均风速为0.5～0.6m/s较为合理，结合隧道断面，考虑台车上设备挤占空间，计算出所需风量。如在此计算风速下，若无法满足隧道内降温要求，应增加相应制冷设备，通过冷却水将热量高效地带出到隧道。因隧道空间有限，盲目增加风速，较多情况下无法实现并不经济，并增加有限空间内噪音及扬尘，影响正常施工健康作业。

隧道通风大部分区域使用软风管，根据产品标准，柔性风管[2]采用平均百米漏风率取参考表中最大值的1.5%,根据风管长度,通风机需考虑一定风量余量，以满足隧道前端通风量要求。

2 风压设计

风压是克服风流阻力产生的压头。管道通风中，一般由气体输送机械对空气提供动力来克服风压，从而使空气保持一定速度运动。通常所说风压是动风压与静风压的总和,即:H=ΔP+ρgΔh+0.5ρΔu2；ΔP:静压, ρgΔh:位压,0.5ρΔu2:动压, 单位一般都采用:Pa。一般情况下,位压很小(因空气的比重在常温下很小)，动压稍大，静压最大。

通俗讲：动压是带动气体向前运动压力，表现是使管内气体改变速度，动压只作用在气体流动方向恒为正值。

由于空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力称为静压。计算时，以绝对真空为计算零点的静压称为绝对静压；以大气压力为零点的静压称为相对静压。静压主要用来克服沿途所有阻力，主要包括沿途摩擦阻力和局部阻力。隧道掘进通风中，除了考虑风管摩擦阻力和局部阻力，还应考虑利用隧道通、排风摩擦阻力和局部阻力。因静压对通风影响最大，计算时应考虑好通风管道实际布置情况，在允许条件下，尽可能降低静压损失。

2.1 风管、隧道摩擦损失

式中△Pf—摩擦损失（Pa）；f—摩擦系数，无因次；L —管道长度；Dh—水力直径（mm）；V — 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）

在层流范围内（雷诺数Re＜2000）,摩擦系数是Re的函数；对紊流，摩擦系数取决于雷诺数、管子内表面粗糙度及内部突出物。

摩擦系数的简化公式为：

式中ξ- 管壁绝对粗糙度（0.03～3.0mm）

如果f′≥0.0 1 8,f=f′；如果f′≤0.0 1 8,f=0.85f′+0.0028

雷诺数：

式中ν—动力粘度（m2/s）;对标准空气,R e=66.4Dh·V。

式中Dh－水力直径（mm）; A －风管截面积（mm2）;P－ 横截面周长（mm）。

2.2 局部阻力损失

式中△Pf—摩擦损失（Pa）；ξ—局部阻力系数，无因次；V— 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）；

小结：参考以上公式，可计算出隧道通风风阻，包括不同位置阻力情况，进而指导在实际布置中是否对通风管道进行改进或增加接力风机，提高通风效率。风机风压降低，可以大大减小风机噪音，对于有限空间，噪音降低则提高了作业环境，进而提高作业效率。在实际运用中，通风须要保证一定动压，这样才能保证风在管道内流速及突破排出口背压。

3 风机与系统匹配

3.1 风机特性

风机性能数据或性能曲线是根据试验确定的。在试验时，吸风全开，具有均匀气流进入风机，而排出侧接至相当长的直管段，能有效回收静压。如果在实际使用中不能提供良好的风机进出口侧条件，则风机性能受到损害，在计算阻力中应予考虑。

风机制造厂提供的性能数据表通常是在推荐的使用范围内，即效率比较髙范围内。提供风机性能曲线,则所选择的运行点应位于风机曲线上具有高效率和克服系统能达到的阻力，如下图经济使用范围所示。

图1 风机特性曲线示意图

3.2 风机与系统的匹配

风机性能必须与系统要求相匹配，只有一个最值运行点，即系统特性曲线与风机性能曲线的交点。在这一点上，风机产生压力正好与系统阻力相匹配，流经系统风量等于风机风量。

如果风量不等于风机设计规定值，则需改变风机特性（改变转速、尺寸或叶片角度）或改变系统特性（改变管件尺寸或用风闸设定）使之相匹配。而这种情况在隧道掘进作业是必然发生的，因掘进作业必使整个系统处在变化之中，所以必须根据实际情况使用双速或三速风机，如需更高控制精度要求，则可以采用变频风机。

隧道掘进长度变化时，通风系统风机运行工况点是变化的，所以必须寻找一个合适的范围，使风机高效区域能覆盖通风系统范围，这种分析对变阻力系统是必须的，因为系统阻力的变化，所以风机运用工况点也在变动中，应计算出系统中实际损失，如下图所示。

图2 管网特性曲线与风机性能曲线分析图

根据所需掘进隧道设计参数及通风机、风管布置情况，通过以上公式可以计算出隧道掘进时不同通风效果时通风机参数配置，风压应留20%左右裕量。

4 通风系统噪声控制

通风系统噪声源主要有两部分：一是风机噪声，二是管道噪声。两者都是空气运动产生的噪声。

4.1 风机噪声

风机噪声主要为空气动力性噪声，由旋转噪声和湍流噪声等组成。研究表明旋转噪声强度与风机叶片数量、形状、几何尺寸、叶轮转速、机内风流速度以及流量等各因素有关。因此风机噪声关键在于设备性能或设备型号，所以关键在于正确选型。以下公式可对通风机进行验算。

（1）离心通风机总声功率级为：

式中 L v——通风机的总声功率级(dB)；L w c——通风机的比声功率级(dB};q vv——通风机的风量(m3/h);P v——通风机的全压(Pa).

同一台风机最佳工况点是最高效率点,最低比声功率级点。一般,中低压离心通风机在工况点的比声功率级值可取为24dB。

（2）轴流式风机声功率级为：

式中 Lw——轴流风机的声功率级(dB);qvv ——通风机的风量;Pv——全压(Pa)；δ——修正值。

设计计算时，通风机噪声应以制造厂提供的噪声数据或曲线为准。采购前，请制造厂提供提前提供数据，并进行相应验算，正确选型采购风机。

4.2 管道噪声

由流体流动过程中的相互作用，或气体和固体介质之间的相互作用而产生的噪声。降低流速，减少管道内和管道口产生扰动气流的障碍物，适当增加导流片，减小气流出口处速度梯度，改进管道连接处密封性等措施，可以降低管道动力性噪声。正常条件下，直管道与弯头气流噪声声功率级可采用以下公式进行计算。

(1)直管道气流噪声声功率级

式中 Lw— 直管道气流噪声声功率级(dB);L w c — 直管比声功率级,一般取10dB；V — 直管内气流速度(m/s);F —风管截面积(m2);

(2)弯头气流噪声声功率级

式中Lw—弯头气流噪声声功率级(dB);L w c—弯头比声功率级(dB);fD— 频带低限频率(Hz),;fz—频率带中心频率(Hz);d—风管直径或当量直径(m);V—风管内流速(m/s)。

5 降低通风系统噪声的措施

尽可能使风管布置最佳、阻力损失小，从而使选用风机压力小一些，即转速低一些，风机噪声也低一些。

将风机安装在单独的隔声室中，或将风机装在消声箱内。将风机安装在减振器或弹性垫片上，风机逬口安装软接管。在风机进、排风管路上装消声器,在噪声要求严格的舱室进风管上装消声器或消声管段及消声软管；风管隔振，风管壁和固定吊架扎箍之间装弹性橡皮垫圈；采用圆截面风管,因在相同流量条件，矩形风管比圆截面风管周围噪声高20dB～25dB。在矩形风管外表敷阻尼消振材料(如福乐斯材料)，可大大降低噪声，尤其在高频段，可降低15dB～ 20dB；风管内风速不宜太高，实验研究表明，当风速＜25m/s时（对于施工作业通风而言），空气流速对噪声的影响不大，但空气还是发生了紊流，为使气流在层流范围内，设计时风管内送风速度一般不高于13m/s；通风机进出口处风道保持一定长度直管并装设柔性接管；尽量避免采用90直角变径管，减少风阀产生的振动噪声；出风口选择合适出风截面积，避免末端装置产生噪声。

6 风管漏风防止措施

根据生产实践，风管漏风是影响掘进通风距离的主要因素，会产生不可控噪声，因此风管漏风在作业过程中应及时修复。盾构隧道内一般采用柔性风管，防止风管漏风主要从以下三个方面采取措施：

6.1 减少风管接头漏风

提高接头质量，改进风管接头方法，由双交边接头改为三环套反接法。在采用三环套反接法同时，对每一个接头粘补了一层风管条,尽最大可能降低接头漏风。

6.2 处理针眼漏风

针眼都会产生大量漏风。因此，裁剪风管细条，对风管露出的每一排针眼都用风管条一一粘补，此法基本上控制了针眼的漏风。

6.3 防止风管破口漏风

风管破口产生主要有风筒老化受风压影响出现风管破裂、运输过程中渣土车载料超高挂破风筒。为了防止破口漏风，可指派专人对风筒管进行检査维护，发现破口及时缝补或更换。对风管易被挂破位置采用金属风管。

7 结束语

盾构隧道施工中通风效果，直接影响到隧道内作业人员身心健康、安全、劳动效率和舒适性。当前我国地铁隧道施工之中人性化设计仍然相对落后，隧道施工作业人员多数以农民工为主，但这一情况正在向好的方向发展，毕竟经济水平比之前有了质的飞跃，现场工程技术人员专业水平也有较高提升，新一代作业人员对健康意识有了更强认识。在不造成能源浪费前提下，必须满足盾构隧道通风量及风速最低要求，是对以人为本理念实施。本文通过系统梳理，供工程现场技术人员设计参考使用，以促使城市地铁盾构机作业中通风系统效果得到提升，提高盾构作业效率，同时提高作业环境人性化设计。