甘姆奇克隧道施工通風測試研究

張忠愛， 熊文安， 敬桂蓉

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道集團股份有限公司， 河南 鄭州 450000；3. 廣元市利州中等專業(yè)學校， 四川 廣元 628000)

甘姆奇克隧道施工通風測試研究

張忠愛1， 熊文安2， 敬桂蓉3

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道集團股份有限公司， 河南 鄭州 450000；3. 廣元市利州中等專業(yè)學校， 四川 廣元 628000)

為檢測隧道通風系統(tǒng)的通風效果，掌握通風設備的基本情況，為后期通風系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整提供正確的設計參數(shù)，對甘姆奇克鐵路隧道進口工區(qū)進行通風系統(tǒng)測試及隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境檢測。檢測及測試結(jié)果表明甘姆奇克隧道進口工區(qū)系統(tǒng)維護較好，通風效果良好。

甘姆奇克隧道； 施工通風； 通風系統(tǒng)； 作業(yè)環(huán)境； 測試

0 引言

隧道施工通風是隧道作業(yè)人員的生命線，其重要性毋庸置疑。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術的進步，隧道施工通風取得了較大進步。在相關研究中： 楊立新等[1]對當前隧道施工通風技術進行了全面歸納和總結(jié)；茍紅松等[2-3]對高海拔地區(qū)隧道施工通風風量計算、風機選型及對隧道施工通風分風三通位置選擇進行了研究；羅占夫等[4]對特長隧道獨頭通風技術進行了研究;劉石磊等[5]對瓦斯隧道施工通風情況下掌子面區(qū)域瓦斯質(zhì)量濃度分布情況進行了研究;孫振川等[6]對長距離隧道施工通風設備配置選型進行了經(jīng)濟性對比分析；李永生[7]對射流通風方式的應用進行了分析研究；譚信榮等[8]對鉆爆法施工隧道空氣質(zhì)量現(xiàn)場測試；王奇等[9]對風景區(qū)隧道施工粉塵對大氣環(huán)境的影響程度進行了評價研究。

目前施工通風方面的研究主要集中在隧道施工通風方案和通風設備研究，但對于通風系統(tǒng)測試的介紹較少。通風機是隧道施工中的重要固定設備，它擔負著向井下輸送新鮮空氣﹑排除有害有毒氣體﹑創(chuàng)造良好生產(chǎn)環(huán)境﹑確保施工安全的重任。由于風機出廠時的運輸﹑安裝以及現(xiàn)場使用時增加的風管、彎頭等附屬設施，還有風機在使用過程中長期運轉(zhuǎn)的磨損、銹蝕和現(xiàn)場對風機的加工改造等因素的影響，使得隧道通風機實際特性曲線與通風機出廠時生產(chǎn)廠家提供的風機樣本特性曲線有較大差異，風機運行工況點與通風設計存在一定的偏差。為了保障通風系統(tǒng)能長期穩(wěn)定、安全、合理地運轉(zhuǎn)，有必要對隧道施工通風系統(tǒng)定期進行測定工作，以便及時測定出通風機裝置的實際工況，為調(diào)整隧道通風方案、提高通風機裝置效率提供依據(jù)。

本文以烏茲別克斯坦甘姆奇克隧道為背景，對鉆爆法施工隧道通風系統(tǒng)測試及洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境檢測進行深入分析。

1 工程概況

甘姆奇克隧道為單線電氣化鐵路隧道，主隧道長度為19.3 km，同時修建與主隧道平行的安全隧道(長19.3 km)。主隧道與安全隧道中心距為29 m，之間采用聯(lián)絡通道連接，聯(lián)絡通道間距300 m。2014年4月在進行通風檢測時，發(fā)現(xiàn)當前進口工區(qū)正洞采用SDF(C)-11.5(75×2 kW)風機匹配φ1.6 m風管向開挖面送風，送風距離約770 m； 安全洞采用SDF(C)-11(55×2 kW)風機匹配φ1.4 m風管向開挖面送風，送風距離約1 050 m，且2條隧洞均采用獨頭壓入式通風。進口工區(qū)通風布置示意圖如圖1所示。

圖1 進口工區(qū)通風布置示意

2 通風系統(tǒng)測試

隧道施工通風設備主要是通風機和通風管，通風機是通風系統(tǒng)的動力源，通風管是通風系統(tǒng)的風流通道。通風系統(tǒng)的測試主要為風機性能參數(shù)測試和風管性能參數(shù)測試。風機性能的主要參數(shù)是風量Q、風壓H、風機軸功率P和效率η等。風管的性能指標主要是百米漏風率、百米風阻、摩擦因數(shù)(達西因數(shù))、耐壓性能和直徑變化率等。

2.1 大氣物理參數(shù)測算

為了準確地計算測試結(jié)果，需要對測試環(huán)境的大氣物理參數(shù)進行測定，采用空盒壓力計測定大氣壓力p、福祿克F971溫濕度計測定氣溫t和相對濕度φ，根據(jù)測試值計算空氣的密度

(1)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；p為大氣壓力，Pa；T為熱力學溫度，K；φ為相對濕度，%；psat為大氣溫度為t時的飽和蒸汽壓力，Pa。

2.2 通風機參數(shù)測定

用調(diào)節(jié)風阻的方法來獲得風機的不同工況。通常在風管的出風口接1節(jié)鐵風筒并安設調(diào)節(jié)閘板，調(diào)節(jié)閘板用來改變通風機工況點；對于軟風管也可以用細繩結(jié)扎風筒來改變風阻。一般情況下，每臺通風機做8—12測點，即可繪出完整的特性曲線，曲線駝峰附近工況點要加密。通風機在風阻最小時啟動，然后風阻由小逐步增大。

2.2.1 風壓測定

風機全壓測量斷面應布置在風機的出口，但因出口風流極不穩(wěn)定，測壓斷面布置在出口5倍風管直徑處。該處風流雖然未完全穩(wěn)定，但通過在該斷面上增加測點個數(shù)，取平均值，理論上也比較接近該斷面上的相對全壓，加上風機出口至測點斷面的阻力損失計算值即得到通風機的工作全壓。采用多功能差壓儀配合L型畢托管檢測風機出口全壓。多功能差壓儀如圖2所示。φ4 mm×1 500 mm L型畢托管如圖3所示。

圖2 多功能差壓儀

圖3 φ4 mm×1 500 mm L型畢托管

Fig. 3 L-shaped Pitot tube with diameter of 4 mm and length of 1 500 mm

2.2.2 風量測算

測風方法與測風斷面選擇會直接影響風量測定精度。由于隧道施工通風中，風機布置在施工現(xiàn)場，故本次測試采用測定動壓計算風量。

相關研究表明，在風機出口位置，風流以螺旋狀高速流出風機，造成風機出口風管相當長度的范圍內(nèi)風流不穩(wěn)定，故將測風斷面等分成若干個小面積環(huán)，在每個小面積環(huán)上布置測點，用畢托管和差壓儀測各點的動壓，求斷面的平均風速，然后求算風量。本次測定時采用各點分別測定法，即用1臺差壓儀依次測各點的動壓，以避免采用多點聯(lián)合測定法時，需大量連接膠皮管，測定比較繁瑣，影響現(xiàn)場施工。

采用分別測定法測出各點動壓hvi后，按下式求斷面平均風速。

(2)

式中：vm為測風斷面的平均風速，m/s；hvi為測點動壓；n為測點數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3。

風機風量

Qf=Avm。

(3)

式中：A為測風處斷面積，m2；vm為平均風速，m/s。

2.2.3 風機轉(zhuǎn)速測定

在風機性能試驗中,常用電動機的額定轉(zhuǎn)速來代替葉輪轉(zhuǎn)速,這樣處理顯然存在很大的誤差(特別是在風機偏離額定工況運行時)，最終造成風機性能分析及性能曲線繪制的極大誤差； 所以在性能測試時，非常有必要對風機轉(zhuǎn)速進行測定。但由于施工通風機的電機和通風機葉輪安裝在一個整體機殼，風機葉輪軸不外伸，不能采用轉(zhuǎn)速計進行直接測定，所以采用葉尖脈動壓力法測定風機轉(zhuǎn)速。其原理是在葉片葉尖機殼處鉆一個直徑2 mm左右的小孔,布置氣壓測點,測定葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片與空氣質(zhì)點周期性的作用,引起的空氣壓力脈動。脈動的頻率是葉片每秒鐘打擊空氣質(zhì)點的次數(shù),它與葉片數(shù)和葉輪轉(zhuǎn)速有關。

n=60f/Z。

(4)

式中：n為風機轉(zhuǎn)速，r/min；f為空氣波動頻率，s-1；Z為葉片數(shù)。

2.2.4 功率測定

用三相電力分析儀測出電動機輸入功率Pm，通風機軸功率

P=Pmηmηtr。

(5)

式中：ηm為電動機效率，直接測定或根據(jù)電動機曲線查得；無性能曲線時，在0.9～0.94間選取，大功率電動機取大值；ηtr為傳動效率，直連傳動取1。

三相電力分析儀如圖4所示。三相電力分析儀接線方法如圖5所示。現(xiàn)場測試照片如圖6所示。

圖4 三相電力分析儀

2.2.5 噪聲及振動測定

用聲級計測風機噪聲，檢測方法和限值應該符合JB/T 8690—2014《通風機 噪聲限值》的規(guī)定；用測振儀測風機振動，檢測方法和限值應該符合JB/T 8689—2014《通風機振動檢測及其限值》的規(guī)定。

圖5 三相電力分析儀接線方法

圖6 現(xiàn)場測試照片

2.2.6 效率計算

通風機裝置效率

(6)

式中：Hf為風壓，Pa;Qf為風量，m3/min；P為通風機的軸功率，kW。

2.2.7 數(shù)據(jù)整理和特性曲線的繪制

1)根據(jù)測定的原始記錄計算測試條件通風機裝置的風壓Hs′或全壓Ht′、風量Q′、軸功率P′。

2)把1)所得之參數(shù)換算至標準狀態(tài)下的參數(shù)H、Q、P，為此需要計算下列校正系數(shù)。

①轉(zhuǎn)速校正系數(shù)

(7)

式中：n0為通風機銘牌轉(zhuǎn)速，r/min；ni為i工況時的轉(zhuǎn)速，r/min。

②空氣密度校正系數(shù)

(8)

式中： 1.2為在標準條件下的空氣密度，kg/m3；ρi為i工況時的空氣密度，kg/m3。

③計算校正后的H、Q、P：

Hi=Hi′·kρikni2；

Qi=Qi′kni；

Pi=Pi′·kρikni3。

(9)

3)根據(jù)校正計算后的數(shù)據(jù)，以Q為橫坐標，H、P、η分別為縱坐標，將與Qi相對應的點Hi、Pi、ηi描在圖上，即可得各個工況點，然后用光滑的曲線將各參數(shù)連接起來，便是通風機在標準狀態(tài)下的個體特性曲線。

2.3 通風管參數(shù)測定

在隧道獨頭施工中，一般采用柔性正壓風管進行通風，將新鮮空氣送到施工作業(yè)面，把有害氣體和煙塵等有害物質(zhì)從工作面排出，以保證良好的作業(yè)環(huán)境，滿足施工的需要[10-11]。通風管測定主要是測定通風管的阻力系數(shù)、測算出不同壓力和不同形式接頭情況下的漏風率、接頭風阻和百米風阻，以供施工通風設計、優(yōu)化時采用，并為合理使用風筒和加強施工通風管理提供可靠的技術資料。

2.3.1 測定系統(tǒng)和測定儀表

布置方式如圖7所示。差壓儀1—2臺；畢托管2—3支；干、濕球溫度計和空盒氣壓計各1臺；2 m鋼尺1把；膠皮管等。風管性能測定布置方式如圖7所示。

圖7 風管性能測定布置方式

2.3.2 風量測算

由于通風管存在漏風，故應分別在測段的兩端A、B2斷面上布置測點。測風斷面應選擇在風流穩(wěn)定的區(qū)域，避免在風管拐彎、變徑等流場突變的位置設置測點。一般采用測定動壓hvi計算風速vi。

2.3.3 通風管參數(shù)的計算

1)通風管的有效風量率

(10)

2)A、B測定斷面間通風管的漏風率

(11)式中：β為百米漏風率平均值；Qf為風機供風量，m3/min；Q0為管路末端風量，m3/min；L為管路長度，m。

3)若風管不是水平放置的，要測定AB段阻力，可分別測定A、B2斷面中心點的相對靜壓hA、hB，或用膠皮管直接測定AB段的靜壓差hAB，測段通風阻力

hRAB=hA-hB+hVA-hVB=hAB+hVA-hVB。

(12)

式中hVA、hVB為A、B斷面的平均動壓，Pa。

當漏風分布均勻時，AB段總風阻

(13)

式中QA、QB為A、B斷面的風量，m2/s。

4)包括摩擦阻力和接頭局部阻力在內(nèi)的風筒百米風阻

(14)

式中LAB為AB段風管長度。

5)通風管百米摩擦阻力(包括接頭)系數(shù)

(15)

式中d為風管直徑，m。

2.4 測定結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場測試及計算，風機測試結(jié)果如表1所示。

表1 風機測試結(jié)果表

根據(jù)現(xiàn)場測試，正洞SDF(C)-11.5(75×2 kW)風機實測工況點為1 687.0 m3/min、1 177.1 Pa； 根據(jù)風機樣本曲線的計算工況點為1 875 m3/min、1 515 Pa。安全洞SDF(C)-11(55×2 kW)風機實測工況點為1 314.0 m3/min、2 000.9 Pa； 根據(jù)風機樣本曲線的計算工況點為1 452 m3/min、2 492 Pa。安全洞風機樣本曲線與實測工況點如圖8所示。正洞風機樣本曲線與實測工況點如圖9所示。可以看出，2臺風機的實測工況點都比根據(jù)樣本曲線計算的工況點略低，其中風量偏差為10%左右，風壓偏差則為15%～18%。測試表明2臺風機的效率分別為67.1%和63.6%，其中正洞風機運行效率略高。

圖8 安全洞風機樣本曲線與實測工況點

Fig. 8 Curves of static pressure vs. air volume gained from sample test and field test in safe tunnel

圖9 正洞風機樣本曲線與實測工況點

Fig. 9 Curves of static pressure vs. air volume gained from sample test and field test in main tunnel

根據(jù)現(xiàn)場測試及計算，得出正洞和安全洞不同管段的漏風情況如圖10所示。正洞和安全洞內(nèi)布置的通風管百米漏風率大于1.5%，但未超過2%，維護較好，但仍需加強維護和管理。從不同管段的漏風率分布情況可以看出，靠近風機出口段漏風較大，而靠近開挖面附近的管段漏風率最大，通風管理時應該加強這2部分管段的管理，及時修復和更換破損管路。風管內(nèi)風量變化如圖11所示。風管內(nèi)壓力變化情況如圖12所示。2趟風管內(nèi)的風量和風壓變化情況接近于線性分布規(guī)律，未出現(xiàn)較大幅度的變化，說明通風管路的維護較好，不存在較大的漏風情況或者局部阻力較大的情況。根據(jù)計算，正洞的百米風阻R100為0.179 9～0.193 7 N·S2/m8，安全洞的百米風阻R100為 0.429 8～0.464 7 N·S2/m8；正洞內(nèi)風管的百米摩擦阻力(包括接頭)因數(shù)為0.29～0.31，安全洞內(nèi)風管的百米摩擦阻力(包括接頭)因數(shù)為0.31～0.38。

圖10 不同管段漏風率情況

3 隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境檢測

根據(jù)TZ 204—2008《鐵路隧道工程施工技術指南》規(guī)定，隧道施工作業(yè)環(huán)境應達到以下標準。

1)隧道中氧氣含量按體積分數(shù)計不得小于20%。

2)粉塵最高容許質(zhì)量濃度： 空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2 mg/cm3； 空氣中含有10%以下游離二氧化硅的粉塵質(zhì)量濃度為4 mg/cm3。

3)有害氣體最高允許質(zhì)量濃度： ①一氧化碳最高容許質(zhì)量濃度為30 mg/m3，在特殊情況下，施工人員必須進入工作面時，質(zhì)量濃度可為100 mg/m3，但工作時間不得超過30 min；②二氧化碳，按體積分數(shù)計不得大于0.5%；③氮氧化物(換算成NO2)為5 mg/m3以下。

4)隧道內(nèi)氣溫不得大于28 ℃。

5)隧道內(nèi)噪聲不得大于90 dB。

6)隧道施工通風的風速，全斷面開挖時不應小于0.15 m/s，在分部開挖的坑道中不應小于0.25 m/s。

根據(jù)GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學有害因素》規(guī)定，SO2質(zhì)量濃度應低于10 mg/m3，硫化氫最高允許質(zhì)量濃度為10 mg/m3。

圖11 風管內(nèi)風量變化情況

圖12 風管內(nèi)壓力變化情況

現(xiàn)場檢測時首先對洞內(nèi)關鍵作業(yè)區(qū)域進行了檢測，然后對開挖面有害物質(zhì)進行了炮后連續(xù)檢測。檢測按照參照GBZ/T 159—2004《工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范》進行采樣。環(huán)境檢測儀器見表2，洞內(nèi)關鍵作業(yè)區(qū)域檢測結(jié)果見表3。

表2 環(huán)境檢測儀器

表3 洞內(nèi)關鍵作業(yè)區(qū)域檢測結(jié)果(2014年)

根據(jù)洞內(nèi)關鍵作業(yè)區(qū)域的檢測結(jié)果可以看出, SO2、H2S和CO2質(zhì)量濃度均未超過規(guī)范規(guī)定限值，O2質(zhì)量濃度也未出現(xiàn)質(zhì)量濃度不達標情況； 故只對開挖面區(qū)域的CO質(zhì)量濃度，NOx質(zhì)量濃度和粉塵質(zhì)量濃度進行了連續(xù)檢測。其中粉塵質(zhì)量濃度為2 min采樣測試結(jié)果的平均值。

正洞開挖面有害物質(zhì)連續(xù)檢測情況如圖13所示，安全洞開挖面有害物質(zhì)連續(xù)檢測情況如圖14所示。

(a) CO (b) NOx (c) 粉塵

(a) CO

(b) NOx

(c) 粉塵

Fig. 14 CO, NOxand dust monitoring results on excavation face of safe tunnel

圖13和圖14檢測結(jié)果表明，爆破后有害物質(zhì)質(zhì)量濃度隨著擴散的影響和通風后的對流置換作用影響迅速降低，在10～15 min內(nèi)能有效排出有害氣體和粉塵，說明當前的作業(yè)面通風效果良好，通風布置是可以滿足通風需要的，通風設計是合理的。

4 結(jié)論與建議

1)對甘姆奇克隧道通風系統(tǒng)的測試表明： 通風機工況測試能有效反映通風機的實際狀況，能為優(yōu)化通風方案設計提供有效技術參數(shù)；通風管漏風測試能準確反映隧道施工通風的管理狀況，也能為其他項目的方案設計提供參考。

2)根據(jù)通風機工況測試表明，通風機的實測工況要低于風機樣本曲線的的計算值，其中風量偏差為10%左右，風壓偏差為15%～18%，在通風設計時應考慮一定的裕度系數(shù)。

3)不同管段的漏風率測試結(jié)果表明，靠近風機出口段漏風較大，而靠近開挖面附近的管段漏風率最大，通風管理時應該加強這2部分管段的管理。

4)目前隧道通風系統(tǒng)測試缺乏相關技術指南，有待進一步深入研究。

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Experimental Study of Construction Ventilation of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan

ZHANG Zhongai1, XIONG Wenan2, JING Guirong3

(1.TheFirstEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;3.GuangyuanLizhouSecondarySpecializedSchool,Guangyuan628000,Sichuan,China)

The experiment and test are carried out for ventilation system at entrance section and working environment of Qamchiq Railway Tunnel so as to test the ventilation effect of ventilation system, learn the basic knowledge of ventilation equipments and provide correct design parameters for optimization and adjustment of ventilation system. The results show that the ventilation effect and ventilation system maintenance at entrance section of Qamchiq Tunnel are good.

Qamchiq Tunnel; construction ventilation; ventilation system; working environment; experiment

2016-12-20;

2017-05-22

張忠愛(1975—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，2000年畢業(yè)于武漢科技大學，采礦專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事工程項目管理及市場開發(fā)工作。E-mail： saiwailang@sohu．com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.007

U 45

A

1672-741X(2017)08-0958-08