平行導坑超前多作業面平行施工通風節能技術研究

趙軍喜

(中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隧道施工通風是指在隧道施工過程中利用流體機械或自然風壓為動力，使地面空氣進入施工隧道內，并在施工隧道內做定向和定量流動，為隧道施工作業場所送入新鮮風、排出有害氣體和粉塵、調節隧道內熱濕環境的全過程。在隧道施工過程中，施工通風是制約施工進度、影響經濟效益的重要因素，良好的通風布置和管理不僅能有效改善隧道內的作業環境，提高作業效率，同時還能降低通風能耗，節約成本。

在相關的研究中:文獻［1］應用氣體流動的能量方程建立了公路長隧道平行導坑通風的計算模式，對其基本作用力和阻力調節進行了分析;文獻［2］介紹了隧道施工射流通風中進入隧洞風量的計算方法，并結合具體算例分析研究了射流風機位置及局扇對進洞風量的影響等問題;文獻［3］為解決斜井進入正洞以后通風難度大，通風效果較差的難題，引入了單斜井雙正洞射流通風技術;文獻［4］對關角隧道施工通風斜井分隔技術進行了介紹;文獻［5］從隧道氣候3要素(溫度、濕度和風速)入手，對比分析了國內外與隧道施工環境舒適性相關的標準和規范，重點分析了隧道氣候3要素對隧道施工環境舒適性的影響，總結提出了隧道施工環境舒適性建議標準，并對隧道施工環境舒適性檢測與評價方法進行了比較，確定了合理的檢測與評價方法，同時提出了隧道施工環境舒適性的主要調控方法。

雖然以上文獻對平行導坑通風計算、射流風機的安裝位置以及隧道內作業環境舒適性等進行了研究，但是隨著電子技術的不斷進步和節能環保要求的不斷提高，有必要進一步對平行導坑超前多作業面平行施工通風的節能技術進行研究，以提高隧道施工通風水平。

本文依托貴廣客運專線三都隧道，對進口工區施工通風方案及通風設備選型的合理性和節能控制技術進行研究分析，以實現通風方案的優化和通風設備的節能。

1 工程概況

三都隧道位于貴州省黔南州都勻市境內，全長14 598 m，最大埋深約600 m。隧道進口沿前進方向左側設有平行導坑，距離正洞30 m，長2 270 m，設4個橫通道與隧道相連。其運輸為無軌運輸。

2 通風方案的合理性及節能研究

三都隧道進口施工開挖采用平導超前、通過橫通道增開正洞工作面的施工方法。風管壓入式通風不適用的原因是:正洞和平導作業面需風量大，風管的直徑大，平導斷面不能滿足多趟風管的布置，且壓入式通風耗電量大。混合式不適用于無軌運輸。因此，必須采用主扇通風或射流通風來解決通風問題。三都隧道進口工區的施工通風共分為4個階段，難度最大的是第2階段。以第2階段的通風方案進行分析比較。

2.1 射流巷道通風方案

在第2階段，隧道的二通和三通與正洞和平導貫通，此時平導超前開挖，在正洞形成2個開挖工作面，平導有1個開挖工作面，需要3個管路分別向3個掌子面送風，形成射流巷道式的通風。其通風系統布置見圖1。

經計算，第2階段通風設備配置見表1。

圖1 第2階段施工通風系統布置示意圖Fig.1 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

表1 射流巷道式第2階段通風設備配置表Table 1 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

2.2 采用主扇通風方案

根據原設計的通風方案，采用主扇通風時，第2階段需要的新風量最大。其通風布置見圖2。

經計算比選，第2階段通風設備配置見表2。

2.3 射流巷道式和主扇式通風方案技術經濟比較

2.3.1 技術方面

從技術上講，射流通風和主扇通風2種方法都是可行的。射流巷道通風是在華鎣山公路隧道創造的新方法，是通過射流風機把新風從平導引入，污濁空氣從正洞排出，各開挖作業面送風的局扇放置在新鮮風流中，通過局扇和軟風管為其送風，射流風機安裝方便、靈活，阻力小。主扇通風是在平導旁邊修建送風道，建主扇房，安裝大功率通風機，同時在平導口安裝自動風門，以防止漏風，但影響平導交通。通過主扇經平導壓入新風，污風從正洞排出，各開挖作業面需要的新風由放在平導新風內的局扇通過軟風管送入。射流巷道式通風的先進性很明顯。

2.3.2 經濟方面

采用射流通風和主扇通風時，其局扇的功率和軟風管數量及直徑都是一樣的。采用射流通風時，其射流風機的總功率僅僅為110 kW，如采用主扇通風，其功率為330 kW，采用射流通風比采用主扇通風電機功率節省220 kW，僅此一項1年節省電費154.18萬元，射流巷道通風更經濟、節能。

圖2 主扇通風第2階段通風布置示意圖Fig.2 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

表2 主扇通風式第2階段通風設備配置表Table 2 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

射流通風與主扇通風所用風機功率和風管數量對比見表3。

表3 射流通風與主扇通風對比Table 3 Comparison and contrast between jet flow gallery ventilation mode and main fan ventilation mode

3 通風設備節能研究

在隧道施工過程中，不同的施工工序所需要的風量是不同的，如出渣、噴漿作業需要的風量大，打鉆、支護作業需要的風量相對要小，而風機出口風量往往是按隧道內最大需風量來設計的。各工況需風量統計見圖3。

圖3 各工況需風量統計Fig.3 Quantities of air needed under different construction conditions

在隧道施工過程中，風機連續運行，造成電能大量浪費。采用隧道施工通風自動控制系統，運用模糊PID控制與變頻調速技術控制交流異步電動機的輸入頻率，以隧道掘進工作面有害物質濃度與作業環境溫度等為控制對象來控制風機轉速，實現掘進工作面風量的閉環控制，在保證隧道施工作業需風要求的情況下可有效節約能源。掘進工作面風量自動控制系統見圖4。

圖4 掘進工作面風量自動控制系統Fig.4 Air quantity automatic control system

3.1 節能原理

根據流體力學理論［6］，對于同一臺風機，當風機轉速有n1改變為n2時，風機的風量、風壓、功率與轉速的比例關系為:

式中:n1，n2為通風機調節前后的轉速，r/min;H1，H2為通風機轉速調節前后的風壓，Pa;N1，N2為通風機轉速調節前后的功率，kW。

由以上的比例關系，可以看出，風機的風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比。這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的輸入功率，達到節省電能的目的。

3.2 施工通風自動控制系統的結構及風量控制模式

各作業工序需要的風量大致為打眼裝藥120 m3/min，放炮排煙 250 m3/min，初噴 350 m3/min，出渣654 m3/min，初期支護350 m3/min。出渣運輸作業所需風量最大。隧道施工通風自動控制系統結構如圖5所示，系統由隧道通風機、自動控制柜、信號傳輸系統、傳感器組成。傳感器是用來實現對作業面相關參數的不間斷監測，信號傳輸線是用來把傳感器所監測到的信息傳輸給自動控制柜，自動控制柜根據監測數據自動控制通風機的轉速，從而控制風量的大小，以此來達到根據作業面監測數據自動調節通風機風量的目的。系統配置時，自動控制柜布置在風機附近，PLC及擴展模塊、變頻器、光端機以及電度表均設置在自動控制柜內;CO傳感器、粉塵傳感器、O2傳感器及NO2傳感器布置在掌子面附近，風速傳感器設置在風管內距離出風口10 m處，傳感器通過光纖與自動控制柜連接;上位機監控系統布置在洞外監控室，并通過過程現場總線與自動控制柜連接。

圖5 三都隧道自動控制通風系統布置示意圖Fig.5 Layout of automatic-controlled ventilation system of Sandu tunnel

4 通風效果分析

三都隧道進口工區平導采用射流巷道通風方式和自動控制通風系統，不僅取得了很好的通風環境效果，而且也取得了良好的經濟社會效益。圖6為自動控制系統的相關設備。在試驗過程中，選擇一個施工循環進行分析。其施工工序為:8:10放炮—8:25開始出渣—10:55出渣結束、開始初期支護—12:55開始噴漿—13:25開始打鉆—15:25循環結束。根據監控系統采集的風速、粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度和O2濃度的變化繪制成曲線，如圖7—11所示。

圖6 自動控制系統設備圖Fig.6 Equipment of automatic control system

由圖7—11可以看出，除了放炮后存在短時間的CO濃度超標外，其他時間段未出現任何有害物質濃度的超限、O2濃度不足的情況，在炮后15 min內將CO濃度降到了規范允許值以內。出渣階段，由于內燃機械的運轉，氮氧化物濃度起控制作用，變頻器頻率一直保持在50 Hz的運行狀態。出渣結束進入初期支護階段時，各有害物質濃度明顯降低，變頻系統輸出頻率也相應降低，直到噴漿階段，系統檢測到粉塵濃度呈快速上升趨勢后，變頻系統輸出頻率又上升到50 Hz的運行狀態。噴漿結束后到打鉆階段，粉塵濃度逐漸下降，各有害物質及O2濃度均為達標狀態，輸出頻率逐漸降到44 Hz，并一直以該頻率運轉直至該班結束。在整個開挖循環時間內，有近40%的時間段系統以較低頻率運行。

期間對平導耗電量進行了統計，未采用自動控制通風系統時48 h內耗電量為3 232 kWh，采用自動控制通風系統48 h內耗電量為2 706 kWh。可見，采用自動控制通風系統時節省耗電量526 kWh，節能效率達 16.3%。

圖11 O2濃度隨時間變化的曲線Fig.11 Oxygen concentration VS time

5 結論與建議

在輔助導坑條件下多作業面平行施工時，通風問題往往是影響正常施工的一個主要問題，采用射流巷道式通風方法能有效地解決其通風問題;采用施工通風自動控制系統，實現了隧道施工作業面新鮮風量的自動調節，可有效地節約電能，提高經濟效益。數據傳輸采用有線傳輸受隧道檢底，對襯砌段的影響較大，建議對數據無線傳輸作進一步研究，以消除有線傳輸的弊端。

［1］曾艷華，關寶樹.平行導坑通風計算的研究［J］.中國公路學報，2002(3):75 － 77，81.(ZENG Yanhua，GUAN Baoshu.Research on computation of parallel heading ventilation［J］.China Journal of Highway and Transport，2002(3):75 －77，81.(in Chinese))

［2］楊立新.隧道施工通風中射流風機位置對風量的影響［J］.鐵道工程學報，2004(4):85 －89.(YANG Lixin.Control of air flow passing through cross tunnels for jet ventilation in tunnel construction［J］.Journal of Railway Engineering Society，2004(4):85 －89.(in Chinese))

［3］ 肖元平，楊立新.單斜井雙正洞施工通風技術研究［J］.隧道建設，2012，32(3):296 －301.(XIAO Yuanping，YANG Lixin.Ventilation technology for twin-tube tunnel accessed from one single inclined shaft［J］.Tunnel Construction，2012，32(3):296 －301.(in Chinese))

［4］羅占夫，職常應，樂晟.關角隧道施工通風斜井分隔技術研究［J］.隧道建設，2009，29(4):411 －414.(LUO Zhanfu，ZHI Changying，YUE Sheng.Study on partition technology of ventilation inclined shaft in Guanjiao railway tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):411 －414.(in Chinese))

［5］李永生，楊立新，茍紅松.隧道施工環境舒適性研究［J］.隧道建設，2012，32(6):806 －810.(LI Yongsheng，YANG Lixin，GOU Hongsong.Analysis on comfort property of working environment in tunnels［J］.Tunnel Construction，2012，32(6):806－810.(in Chinese))

［6］ 張國樞.礦井實用通風技術［M］.北京:煤炭工業出版社，1992.