高寒高海拔螺旋隧道壓入式通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)研究

高 峰,唐宇辰,連曉飛,張根思,劉 林

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，現(xiàn)代隧道人將在西部的高寒高海拔地區(qū)大量建設(shè)隧道工程，在高寒高海拔地區(qū)修建隧道，將面臨低氣壓，低氧，低氣溫等惡劣的氣候環(huán)境和施工條件，同時(shí)為克服隧道坡度過(guò)大的問(wèn)題，隧道不得不修建成螺旋型，這給隧道的施工通風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的壓力，使得隧道施工通風(fēng)方案無(wú)法繼續(xù)按照平原地區(qū)隧道的經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)運(yùn)作，而當(dāng)前隧道施工規(guī)范[1]對(duì)于高寒高海拔螺旋隧道的條文尚待完善，施工單位對(duì)于在這類(lèi)惡劣環(huán)境下的施工通風(fēng)很難找到可靠依據(jù)進(jìn)行借鑒，采用的計(jì)算方法往往并不科學(xué)。

目前對(duì)于高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究文獻(xiàn)較少。例如，茍紅松[2]等研究了高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算，得到了隧道施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算方法和風(fēng)機(jī)選型方法；劉釗春[3]依托兩河口一號(hào)隧道進(jìn)行了施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)參數(shù)的計(jì)算；楊立新[4]針對(duì)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了隧道風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算方法；李治強(qiáng)[5]就干海子小半徑螺旋隧道的施工通風(fēng)進(jìn)行了計(jì)算，但給出的是高海拔直線隧道的計(jì)算方法，對(duì)于高寒高海拔螺旋隧道風(fēng)機(jī)選型計(jì)算方法仍然缺乏系統(tǒng)的研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)在不同海拔高度、螺旋半徑、掘進(jìn)長(zhǎng)度、通風(fēng)管布設(shè)直徑下的參數(shù)設(shè)置，討論各因素對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響，提出適合于高寒高海拔螺旋隧道的施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法，為今后高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 高寒高海拔螺旋隧道風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算方法

1.1 海拔修正系數(shù)

高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)的需風(fēng)量計(jì)算方法需要在普通常規(guī)隧道施工通風(fēng)的計(jì)算方法上進(jìn)行修正。因?yàn)殡S著海拔高度的增加，大氣壓力降低，空氣重率和密度降低，出現(xiàn)了高原修正系數(shù)Kγ[6]，通過(guò)式(1)和式(2)能夠計(jì)算出具體海拔高度的Kγ值，而Kγ值的倒數(shù)所反映的就是高原空氣膨脹率，即海拔高度為0處的空氣在高寒高海拔地區(qū)體積會(huì)膨脹1/Kγ倍，因此，高寒高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量也必須依此進(jìn)行高程修成。

隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，單位體積中的氣體分子數(shù)減少，空氣稀薄，空氣重率和密度降低，有以下關(guān)系：

ρ=ρ0(1-Z/44 300)4.256

(1)

式中：ρ0為常壓下的空氣密度，一般1.2 kg/m3；Z為海拔高程。

隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，出現(xiàn)了高原修正系數(shù)：

(2)

式中：Kγ為高原修正系數(shù)；ρz為高程Zm處的空氣密度；ρ0為海平面處的空氣密度，一般取1.2 kg/m3。

1.2 風(fēng)量修正計(jì)算

a.按洞內(nèi)最多工作人員需風(fēng)量修正。

高寒高海拔隧道中，隧道內(nèi)每人供應(yīng)新鮮空氣量為4 m3/min(平原地區(qū)為3 m3/min)，則按工作人數(shù)修正風(fēng)量如下：

Q1=4KN

(3)

式中：Q1為工作面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)所需風(fēng)量，m3/min；N為隧道內(nèi)最多工作人數(shù)；K為高程修正系數(shù)1/Kγ。

b.按炸藥用量修正風(fēng)量。

在高原隧道環(huán)境下，炮煙體積膨脹，此時(shí)產(chǎn)生的有害氣體體積增加了1/Kγ倍，則計(jì)算風(fēng)量時(shí)有：

(4)

c.按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定，全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，導(dǎo)坑內(nèi)不應(yīng)小于0.25 m/s。

Q3=60·V·A

(5)

式中：V為工作面最小風(fēng)速，全斷面開(kāi)挖取0.15 m/s；A為隧道斷面面積。

限制最低風(fēng)速目的是為了隧道內(nèi)的排塵，這種計(jì)算風(fēng)量的方法主要考慮的是隧道內(nèi)風(fēng)速因素，而與空氣重率等無(wú)關(guān)，所以海拔高度對(duì)排塵風(fēng)量無(wú)影響，故不考慮高原修正。

d.按稀釋和排出內(nèi)燃設(shè)備廢氣修正風(fēng)量。

在高原環(huán)境下，由于含氧量低，普通柴油機(jī)的耗油量和廢氣排放量有所增加，在低氣壓高原條件下，內(nèi)燃設(shè)備排放廢氣也發(fā)生體積膨脹。根據(jù)高原情況下CO限值要求，對(duì)隧道施工采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，作出如下建議：海拔2 km以下時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3 m3/(min·kW)；海拔2～3 km時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3.5 m3/(min·kW)；海拔3～4 km時(shí)供風(fēng)量不小于4 m3/(min·kW)；海拔4～5 km以上時(shí)供風(fēng)量不小于4.5 m3/(min·kW)；海拔5 km以上時(shí)供風(fēng)量不小于5 m3/(min·kW)。

(6)

式中：Q4為稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量，m3/min；k為單位功率內(nèi)燃設(shè)備供風(fēng)量；Ni為每種內(nèi)燃設(shè)備的額定功率，kW。

取上述計(jì)算風(fēng)量的最大值作為計(jì)算風(fēng)量：Qd=max(Q1,Q2,Q3,Q4)。

1.3 通風(fēng)機(jī)所需供風(fēng)量

由于風(fēng)管在送風(fēng)過(guò)程中存在漏風(fēng)，因此，將漏風(fēng)率考慮進(jìn)去，用管道漏風(fēng)系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)量進(jìn)行修正作為通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量：

(7)

式中：P為管道漏風(fēng)系數(shù)；β為百米平均漏風(fēng)率；L為通風(fēng)距離，m。

則通風(fēng)機(jī)所需供風(fēng)量為：

Q=PQd

(8)

式中：Q為通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量；Qd為計(jì)算風(fēng)量；P為管道漏風(fēng)系數(shù)。

1.4 螺旋隧道壓力損失及風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓

a.曲線隧道管路的摩擦風(fēng)阻計(jì)算。公式為：

(9)

式中：hf為管路的摩擦風(fēng)阻(kg/m7)；λc為摩擦系數(shù)；ρ為空氣密度；d為過(guò)風(fēng)斷面當(dāng)量直徑；β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率平均值；L為隧道長(zhǎng)度；Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量。平面曲線半徑R<2 000 m 的曲線隧道，沿程阻力系數(shù)可按式(10)計(jì)算：

λc=1.823 5λ·R-0.078

(10)

式中：λc為曲線隧道壁面摩阻損失系數(shù)；λ為隧道壁面摩阻損失系數(shù)；R為曲線段平面曲線半徑，m。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，局部阻力損失取為沿程阻力損失的10%，即ht=0.1hf。

b.通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓計(jì)算。通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓按通風(fēng)系統(tǒng)克服局部阻力、沿程風(fēng)阻之和計(jì)算，即：Pt=max(hf+ht)。

1.5 通風(fēng)機(jī)功率

根據(jù)《海拔高度、氣壓、氣溫、沸點(diǎn)、空氣密度、含氧量、柴油機(jī)功率、電氣功率、勞動(dòng)者體力對(duì)照表》[9,10]，為保證隧道通風(fēng)正常需風(fēng)量，將軸流風(fēng)機(jī)功率調(diào)高使用。

(11)

式中：Q為通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；Pt為通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓；η為通風(fēng)機(jī)工作效率。

2 高寒高海拔螺旋隧道風(fēng)機(jī)參數(shù)主要影響因素分析

2.1 主要影響因素計(jì)算參數(shù)

為詳細(xì)研究海拔因素和螺旋半徑對(duì)風(fēng)機(jī)參數(shù)的影響，以臥龍溝1號(hào)隧道為原型，將高原地區(qū)的海拔高度分別取為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 m，螺旋半徑取為500、600、700、800、900 m進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)風(fēng)管直徑參數(shù)考慮1.6、1.8、2.0 m這3種，掘進(jìn)長(zhǎng)度為500、1 000、1 500、2 000 m，將各因素綜合考慮進(jìn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算。

2.2 海拔因素的影響分析

取隧道的螺旋半徑700 m，風(fēng)管直徑D為1.6 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度為500、1 000、1 500、2 000 m時(shí)進(jìn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)的研究。得到風(fēng)機(jī)布置參數(shù)(風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)功率)隨海拔的變化趨勢(shì)如圖1所示。

(a)風(fēng)機(jī)需風(fēng)量受海拔因素影響

可以看出，風(fēng)機(jī)的需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及風(fēng)機(jī)功率都會(huì)受到海拔因素的影響，海拔越高，風(fēng)機(jī)需要的參數(shù)越高，因此，需要根據(jù)具體的海拔因素對(duì)風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)。

2.3 螺旋半徑的影響分析

取3 000 m海拔高度的隧道，將隧道參數(shù)隧道斷面積設(shè)為64.49 m2，風(fēng)管直徑分別為1.6，1.8，2.0 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度為500、1 000、1 500、2 000 m，取曲線半徑為500、600、700、800、900 m進(jìn)行計(jì)算，得到風(fēng)機(jī)布置參數(shù)變化曲線如圖2、圖3所示。

如圖2、圖3所示，在隧道斷面積、風(fēng)管直徑和掘進(jìn)長(zhǎng)度相同的情況下，隨著螺旋隧道曲線的曲率加大，隧道通風(fēng)需要的風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變，而風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)的功率隨著曲線半徑的增大而減小，即隧道的曲線性導(dǎo)致了沿程阻力損失的增加，風(fēng)機(jī)需要克服更大的阻力才能將風(fēng)輸送到指定位置。

(a)掘進(jìn)長(zhǎng)度500 m

(a)掘進(jìn)長(zhǎng)度500 m

2.4 風(fēng)管直徑的影響分析

當(dāng)隧道海拔高度為3 000 m；隧道斷面積為64.49 m2，風(fēng)管直徑設(shè)為1.6 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度為500 m 不變，取風(fēng)管直徑為1.6、1.8、2.0 m 進(jìn)行計(jì)算，得到風(fēng)機(jī)布置參數(shù)如表1所示。

如表1所示，隨著風(fēng)管直徑的增加，風(fēng)機(jī)所需要的風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)功率都在大幅度的降低，這是由于風(fēng)道的摩擦阻力和風(fēng)管直徑的五次方成反比。因此，在隧道施工通風(fēng)時(shí)，在風(fēng)量較大時(shí)，應(yīng)考慮加大風(fēng)管直徑，有利于降低風(fēng)阻，減小風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和功率。但是在施工過(guò)程中，更大直徑的風(fēng)管意味著更高的成本[7]，因此在考慮工程實(shí)際的情況下應(yīng)盡可能使用更大管徑的風(fēng)管。

表1 不同風(fēng)管直徑下風(fēng)機(jī)布置參數(shù)Table1 Fanlayoutparametersunderdifferentductdiameters組數(shù)曲線半徑/m風(fēng)管直徑/m風(fēng)機(jī)風(fēng)量/(m3·s-1)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓/Pa風(fēng)機(jī)功率/kW1.644.51598.8130.415001.844.5862.270.3244.5494.340.31.644.51576.2128.526001.844.585069.3244.5487.339.71.644.51557.412737001.844.5839.868.5244.5481.539.31.644.51541.3125.748001.844.5831.167.8244.5476.538.91.644.51527.2124.559001.844.5823.567.1244.5472.238.5

3 臥龍溝1號(hào)隧道施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型方案對(duì)比分析

3.1 工程概況

臥龍溝1號(hào)隧道主洞內(nèi)輪廓采用單心圓形式[8]，拱半徑為5.61 m，凈空面積為64.49 m2，隧道施工采用兩端獨(dú)頭掘進(jìn)，獨(dú)頭掘進(jìn)最大長(zhǎng)度為1 300 m，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)管直徑為1.6 m。施工通風(fēng)系統(tǒng)橫斷面如圖4所示。

圖4 臥龍溝1號(hào)隧道橫斷面

臥龍溝1號(hào)隧道施工通風(fēng)詳細(xì)參數(shù)如表2和表3所示。

表2 臥龍溝1號(hào)隧道施工通風(fēng)計(jì)算參數(shù)Table2 VentilationcalculationparametersforwolonggouNo.1tunnel通風(fēng)隧道總長(zhǎng)/m隧道凈斷面面積/m2爆破最大用藥量/kg風(fēng)管直徑/m煙霧拋甩距離/m隧道內(nèi)最大同時(shí)施工人數(shù)/人C50裝載機(jī)/臺(tái)220挖掘機(jī)/臺(tái)25t自卸機(jī)器/臺(tái)130064.49140.31.6根據(jù)計(jì)算確定45214

表3 臥龍溝1號(hào)隧道內(nèi)燃設(shè)備配置表Table3 InternalcombustionequipmentconfigurationtableofwolonggouNo.1tunnel機(jī)械名稱(chēng)配置臺(tái)數(shù)工作臺(tái)數(shù)單機(jī)功率/kWC50裝載機(jī)21142220挖掘機(jī)1111425t自卸機(jī)器42186

3.2 臥龍溝1號(hào)隧道計(jì)算參數(shù)

為研究分析平原常規(guī)隧道和高寒高海拔螺旋隧道的施工通風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)差距，本次研究以臥龍溝1號(hào)隧道為原型，采用平原常規(guī)直線隧道的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和公式作為原設(shè)計(jì)方案，然后針對(duì)臥龍溝1號(hào)的工程特點(diǎn)及實(shí)際參數(shù)進(jìn)行修正設(shè)計(jì)計(jì)算作為當(dāng)前修正后方案，將原施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案和修正方案進(jìn)行對(duì)比，研究分析兩種工況下的施工通風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)差距。兩種工況下主要計(jì)算參數(shù)列于表4。

表4 兩種工況主要計(jì)算參數(shù)對(duì)比表Table4 Comparisontableofmaincalculationparametersoftwoworkingconditions工況海拔/m氣壓/kPa溫度/℃空氣密度/(kg·m-3)曲率半徑/m原方案0101.3111.225∞現(xiàn)修正方案300070.1-100.9700

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將計(jì)算參數(shù)代入公式，得到兩種工況的需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 需風(fēng)量對(duì)比圖Table5 Requiredairvolumecomparisonchart序號(hào)計(jì)算需風(fēng)量方法分類(lèi)Q計(jì)算結(jié)果/(m3·min-1)原方案現(xiàn)修正方案1按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算Q11352432按排出炮煙計(jì)算Q22673603按允許最低平均風(fēng)速計(jì)算Q35805804按稀釋和排出內(nèi)燃廢氣計(jì)算Q418842512

由表3可以看出，4種方式計(jì)算的需風(fēng)量除了按允許最低平均風(fēng)速計(jì)算(與海拔高度和隧道線型無(wú)關(guān))以外，其余3種計(jì)算方式如按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算、按排出炮煙計(jì)算以及按稀釋和排出內(nèi)燃廢氣計(jì)算，高寒高海拔螺旋隧道的需風(fēng)量計(jì)算值均大于平原直線隧道。

將中數(shù)據(jù)取最大值，取表3中計(jì)算風(fēng)量的最大值作為計(jì)算風(fēng)量，取漏風(fēng)率為1.2%，代入式(7)～式(11)中，得計(jì)算得風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓和通風(fēng)機(jī)功率如表6所示。

表6 兩種工況計(jì)算結(jié)果Table6 Twoworkingconditionscalculationresults工況Q/(m3·min-1)hf/Paht/PaPt/Paη/%N/kW122043454345.4380068226229394935493.5542960487注:工況1為原方案計(jì)算標(biāo)準(zhǔn);工況2為修正方案計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

將兩種工況下的最低技術(shù)風(fēng)機(jī)參數(shù)列于表7中進(jìn)行對(duì)比，可以看出，現(xiàn)有修正方案中的高寒高海拔螺旋隧道所需設(shè)置的風(fēng)機(jī)風(fēng)量更大，增加率約33.3%，受海拔因素和螺旋半徑的綜合影響，當(dāng)采用同一風(fēng)管直徑時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓比較原設(shè)計(jì)方案需要提升42.9%，風(fēng)機(jī)功率需要提升115.9%。因此，在隧道設(shè)計(jì)時(shí)，高寒高海拔螺旋隧道需要根據(jù)工程實(shí)際情況計(jì)算進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)。

表7 風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)比圖Table7 Fanparametercomparisonchart工況方案風(fēng)機(jī)風(fēng)量/(m3·min-1)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓/Pa風(fēng)機(jī)功率/kW1原方案220438002262現(xiàn)修正方案29395429488

4 結(jié)論

通過(guò)以上研究，得到以下結(jié)論：

a.針對(duì)海拔因素和隧道螺旋性等因素，提出了適合于高寒高海拔螺旋隧道的施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法。

b.通過(guò)研究隧道在5種海拔高度，5種螺旋半徑，3種風(fēng)管直徑和4種掘進(jìn)長(zhǎng)度下的風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)比，分析了海拔高度，螺旋半徑及風(fēng)管直徑等因素對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。

c.根據(jù)臥龍溝1號(hào)隧道的工程概況，在3 000 m海拔高度、螺旋半徑R=700 m及最大掘進(jìn)距離1 300 m等參數(shù)下，考慮海拔因素和螺旋性等因素進(jìn)行通風(fēng)方案修正，提出了適合于臥龍溝1號(hào)隧道的施工通風(fēng)修正參數(shù)方案。

d.將修正后方案與原方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)：通風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要提升33.3%；風(fēng)機(jī)風(fēng)壓需要提升42.9%；風(fēng)機(jī)功率需要提升115.9%。

e.在高原地區(qū)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)，做出有區(qū)別于平原隧道的加強(qiáng)通風(fēng)，確保施工作業(yè)環(huán)境的安全性和施工進(jìn)度的高效進(jìn)行。