研究高海拔隧道施工通風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)率

孫超群

(中交第三公路工程局有限公司，北京101304)

1 引言

在隧道工程施工中，為了將新鮮空氣運送到掌子面，將污濁有害氣體輸出隧道，通常設(shè)置長隧道管道。在管道通風(fēng)時，應(yīng)嚴格控制漏風(fēng)量，這對通風(fēng)成敗起到關(guān)鍵性作用。對此，在隧道施工時應(yīng)采用正確的計算原理與方法，并對漏風(fēng)情況進行處理和修正，創(chuàng)造出良好有利的施工空間，促進工程順利開展。

2 工程概述

據(jù)統(tǒng)計，我國高海拔地區(qū)面積占總國土的60%以上，且主要集中在西部地區(qū)。在西部大開發(fā)背景下，鐵路交通網(wǎng)絡(luò)不斷朝著西部延伸，高海拔隧道工程規(guī)模逐漸擴大，里程增加。與平原地區(qū)相比，高海拔地區(qū)在氣壓、空氣密度等方面存在區(qū)別，風(fēng)管在通風(fēng)一段距離后，很容易出現(xiàn)風(fēng)筒干癟、漏風(fēng)等情況。本文以雀兒山隧道為例，該隧道全長7 048m，洞口高約4 377m，是當(dāng)前全世界海拔最高的公路隧道。工程所在地的大氣壓力在59kPa左右，空氣含氧量在174g/m3左右，與平原地區(qū)相比，僅為60%左右。本文針對該隧道施工，對高海拔隧道的通風(fēng)管漏風(fēng)率進行計算【1】。

3 高海拔隧道通風(fēng)管漏風(fēng)率計算

3.1 風(fēng)機漏風(fēng)原理

在通風(fēng)機運行過程中，對其性能產(chǎn)生影響的因素眾多，以軸流通風(fēng)機為例，受安裝角、擴壓器、徑向間隙等因素影響，當(dāng)風(fēng)機葉片安裝角增大時，葉片承受的荷載也隨之增加，對葉片表面壓力分布情況產(chǎn)生影響，最終產(chǎn)生較大的運行噪聲；當(dāng)安裝角較小時，承受的荷載相對較低，噪聲隨之降低，但如若安裝角過小，則會影響風(fēng)機壓力、流量與效率等性能，出現(xiàn)管道干癟、漏風(fēng)等現(xiàn)象。在風(fēng)機設(shè)計時，為了以免葉片旋轉(zhuǎn)與周圍發(fā)生剮蹭造成安全事故，需要合理設(shè)計葉片與機殼間的距離，如若距離過小，容易在葉片旋轉(zhuǎn)時與機殼發(fā)生接觸，導(dǎo)致安全事故，如若過大，則會導(dǎo)致葉片外圍與機殼間的壓力差增加，導(dǎo)致風(fēng)機軸向漏風(fēng)。

在通風(fēng)管研究中，由于受材料、工藝等因素影響，其密封性有所缺陷，在施工中很容易受不確定因素影響，導(dǎo)致管壁受損，管內(nèi)氣體順著破損處漏出。究其原因，主要由于氣體在風(fēng)管內(nèi)流動時，產(chǎn)生一定的靜壓，在垂直作用下與管壁接觸，在氣體流動下使管內(nèi)外形成靜壓差，一旦管壁出現(xiàn)孔洞，氣體便會從開孔處流出，管內(nèi)風(fēng)速越大，靜壓差也隨之增加，漏風(fēng)量也就越大，管內(nèi)流速的計算公式為：

式中，V為是管內(nèi)流速；Pd為管內(nèi)空氣動壓，Pa；?為空氣密度，kg/m3。

在管內(nèi)流速的作用下，孔口出流方向也發(fā)生改變，實際流速為合成流速，出風(fēng)量的計算公式為：

式中，Q為孔口出風(fēng)量，m3/h；μ為孔口流量系數(shù)；f為氣流豎直方向投影面積，m2；v為管內(nèi)流速。管漏風(fēng)率的計算公式為：

式中，Y為漏風(fēng)率；Q為孔口出風(fēng)量；w為管內(nèi)風(fēng)量。

3.2 計算方法

在風(fēng)管運行中，受到沿程阻力的影響，使管內(nèi)部位的靜壓發(fā)生改變。在漏風(fēng)率理論的指導(dǎo)下，利用能量守恒公式，可對不同斷面漏風(fēng)率的大小進行計算，守恒公式如下：

式中，Pj為空氣流過孔部分的局部阻力；Pd為風(fēng)管直徑，m；R為比摩阻，Pa/m；L為風(fēng)管長度，m；ΔPx為局部阻力；n為漏風(fēng)測量點位。

由上述公式可知，海拔越高，空氣密度越小，管內(nèi)沿程阻力與動壓減少，因全壓值未發(fā)生改變，因此靜壓會隨之增加；漏風(fēng)量與靜壓之間為正比關(guān)系，與空氣密度之間為反比關(guān)系。在條件一致的情況下，海拔越高時，風(fēng)管的漏風(fēng)率越大【2】。

在對風(fēng)管漏風(fēng)率進行計算時，可將風(fēng)管劃分為n段，每段為10m，對各個階段的漏風(fēng)率進行單獨計算。假設(shè)各段風(fēng)管的風(fēng)壓、風(fēng)量與風(fēng)速不發(fā)生改變，根據(jù)隧道施工技術(shù)規(guī)范中的要求，風(fēng)管百米漏風(fēng)率應(yīng)在2%以內(nèi)，因此，各段的漏風(fēng)面積可為0.008m2，孔口流量系數(shù)的數(shù)值為0.63，風(fēng)管的摩阻系數(shù)為0.014，直徑為1.8m。在平原地區(qū)，空氣密度為1.22kg/m3，該工程地處高海拔區(qū)域，空氣密度為0.8kg/m3，分別對兩地的漏風(fēng)率進行計算，并繪制出漏風(fēng)率曲線，如圖1所示。

由圖1可知，在平原和高海拔地區(qū)中，風(fēng)管每百米的漏風(fēng)率分別為2.0%和3.1%，可見后者約為前者的1.5倍，在高海拔地區(qū)，漏風(fēng)率將隨著風(fēng)管長度的延長而增加。由此可見，海拔越高，漏風(fēng)率越大，尤其要注重對高海拔的風(fēng)管維護，使漏風(fēng)率得到有效控制，以免影響隧道工程質(zhì)量。

3.3 修正方法

在高海拔隧道施工中，應(yīng)采用機械通風(fēng)模式，以混合式和壓入式通風(fēng)為主，以射流通風(fēng)系統(tǒng)為輔。對于特長隧道來說，最好采用混合式通風(fēng)法，如若主風(fēng)機無法滿足通風(fēng)需求，則要設(shè)置局部通風(fēng)系統(tǒng)，使隧道的掘進長度增加，因受沿程阻力因素影響，各個階段通風(fēng)量均會有所改變，因此在通風(fēng)設(shè)計時應(yīng)分段開展。該工程隧道為主洞+平導(dǎo)結(jié)構(gòu)，單向掘進為3 359m，平導(dǎo)與主洞同時施工，綜合考慮施工設(shè)備、方法、斷面大小、平導(dǎo)長度等，使通風(fēng)方案得以優(yōu)化，漏洞問題得到有效修正【3】。

在高海拔區(qū)域中，為了對漏風(fēng)率系數(shù)進行修正，由于高原地區(qū)的氣壓與空氣密度較低，在工況相同的情況下，高原與平原的漏風(fēng)率也存在差別。假設(shè)平原與高海拔地區(qū)的破損度為f，與孔口流量系數(shù)一致，則高海拔與平原地區(qū)的漏風(fēng)率的比值如下：

式中，c為漏風(fēng)率海拔高度修正系數(shù)；Pj為空氣流過孔部分的局部阻力；?為空氣密度，kg/m3。根據(jù)比值繪制高海拔的漏風(fēng)率系數(shù)修正曲線。

4 漏風(fēng)率現(xiàn)場實測

在雀兒山隧道工程中開展漏風(fēng)測試，當(dāng)?shù)睾０? 300m，屬于高海拔區(qū)域，在于風(fēng)機入口相距4.5km的附近設(shè)置測點，該段風(fēng)管的風(fēng)流、平直較為穩(wěn)定，各個斷面之間相距100m。被測量風(fēng)機的直徑為1.8m左右，風(fēng)管斷面為圓形，可采用對數(shù)線性法，對各個斷面的測點數(shù)量進行確定，結(jié)果為5個，利用風(fēng)速儀對各個斷面的5個點位風(fēng)速數(shù)值進行測量，取平均值為斷面的風(fēng)速值。針對現(xiàn)場測試斷面的風(fēng)速結(jié)果進行處理，得出風(fēng)速分布規(guī)律與直線段中各個斷面的平均風(fēng)速。在漏風(fēng)率理論指導(dǎo)下，計算出400m直線段的漏風(fēng)率，并將測試結(jié)果與理論結(jié)果進行對比。通過對風(fēng)管橫斷面風(fēng)速分布規(guī)律的研究，該斷面最大風(fēng)速處位于風(fēng)管中心，最小風(fēng)速處位于管壁，從整體來看，風(fēng)速從風(fēng)管中心處逐漸減少。根據(jù)漏風(fēng)率理論與計算結(jié)果可知，理論結(jié)果與測試結(jié)果基本一致，約為3%，各斷面的風(fēng)速測試結(jié)果如表1所示。因此，在高海拔隧道施工中，風(fēng)管漏風(fēng)率理論與公式十分可靠，可作為施工的數(shù)據(jù)參考。

表1 隧道風(fēng)管漏風(fēng)率對比

5 結(jié)語

綜上所述，通過本文研究與風(fēng)管漏風(fēng)理論可知，高海拔地區(qū)的風(fēng)管漏風(fēng)率是平原地區(qū)的1.5倍，且漏風(fēng)率與風(fēng)管長度之間為正比關(guān)系。通過開展現(xiàn)場實測可知，理論結(jié)果與實測結(jié)果較為相近，理論計算具有較強的可行性，可為隧道施工提供有力的數(shù)據(jù)參考，促進該工程的順利高效開展。