某高速铁路隧道斜井工区施工通风方案研究

方 伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 工程背景

某高速铁路隧道全长14.012 km。其中3号斜井设计长1 793 m，坡度为9%下坡，斜井宽7.7 m，高6.2 m，斜井与正洞以60°夹角相交。原计划承担正洞施工任务DK376+250～DK374+368共计1 882 m，现预计承担正洞施工任务1 978 m。该工程的特点是斜井长，通风距离长，埋深大，洞内地温高，洞外气压较大，造成隧道内通风排烟困难，致使施工作业环境差，通风排烟效果的好坏对施工影响很大。

2 施工通风控制标准确定

依据我国矿山安全规程及《铁路隧道施工技术规范》，隧道内施工作业段的空气必须符合卫生标准，初步确定该隧道施工通风控制标准如下:1)有害气体最高允许浓度值。一氧化碳:不大于30 mg/m3。当施工人员进入开挖面检查时，浓度可为100 mg/m3，但必须在30 min内降至30 mg/m3(37.5 ppm)。二氧化碳按体积计不得大于0.5%。氮氧化物(换算成NO2)低于5 mg/m3。2)粉尘容许浓度:每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg。3)温度:洞内气温不宜超过28℃。4)氧气含量:按体积计，不得低于20%。5)隧道施工时，供给每人的新鲜空气量，不应低于3 m3/min。6)隧道开挖时全断面风速不应小于0.15 m/s，分部开挖时不应小于0.25 m/s。

3 需风量计算

根据规范，对掌子面需风量计算方式由按照施工人员所需风量、按照同时起爆炸药量需风量、稀释机动车尾气需风量、按照掌子面最低风速要求需风量和按照降温除尘要求的需风量五种。最终的需风量取以上计算算得的最大值。

根据经验，施工中的最大需风量为降温排尘需风量，即:

其中，Qc为降温排尘风量，m3/min;vc为降温排尘风速，取0.3 m/s。风筒直径1.5 m，最长3 795 m，漏风系数β=1.0%，风机风量按消除有害气体积聚所需风量计算:

4 通风方案比选

1)方案一。采用一送一排的混合式通风，送风管在掌子面附近加设接力风机，如图1所示。

图1 方案一通风风机布置示意图

a.施工需风量计算。

由之前计算得需风量为2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.送风风筒阻力计算。

其中，λ为风筒摩擦阻力系数，取0.018;L为隧道的最大长度，取3 771 m;D为风筒直径，取1.5 m;ρ为空气密度，取1 kg/m3;V为风筒平均风速。

风筒面积 A=3.14 ×1.5 ×1.5/4=1.8 m2。

代入相关数据计算得h1=13 471 Pa。

风管进出口局部阻力为(1+0.3) ×1/2 ×24.4 ×24.4=387 Pa。

风管总阻力h=13 471+387=13 858 Pa。

c.风机选型。

原有轴流风机技术参数见表1。

表1 方案一轴流风机技术参数

通过计算可知，原有轴流风机基本上可以满足新风量要求。

d.排风风机风量计算。

一般而言，在混合式施工通风中，排风风量一般为送风量的1.2倍 ～1.3倍，本次计算取1.2 倍。故排风风量为2 638.46m3/min ×1.2=3 166 m3/min=44 ×1.2=52.8 m3/s。而现有风机选择的最大风量为2 385 m3/min＜3 166 m3/min，不满足要求。

e.排风风筒阻力计算。

假定现有排风轴流风机的风量满足要求，计算排风风筒阻力:

排风风筒直径为1 m，根据式(1)计算得:

代入相关数据计算得h1=106 432 Pa。

风管进出口局部阻力为(1+0.3)×1/2×56×56=2 038 Pa。

风管总阻力h=106 432+2 038=108 470 Pa＞5 355 Pa(风机最大压力)。

f.方案一小结。

通过上面计算可知，在现有风机的布置下，方案一是不可行的。

2)方案二计算。

a.施工需风量计算。

由之前计算得需风量为2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.风筒阻力计算。

风管直径1.5 m。

根据式(1)计算得:

V=Q/A=44 ×0.8/1.8=19.5 m/s(风管直径 1.5，提供 80%的新鲜风)。

代入相关数据计算得h1=8 603 Pa。

风管进出口局部阻力为(1+0.3) ×1/2×19.5 ×19.5=247 Pa。

风管总阻力h=8 603+247=8 850 Pa。

c.风管直径 1.0 m。

根据式(1)计算得:

V=Q/A=44 ×0.2/0.785=11 m/s(风管直径 1 m，提供 20%的新鲜风)。

代入相关数据计算得h1=4 107 Pa。

风管进出口局部阻力为(1+0.3)×1/2×11×11=79 Pa。

风管总阻力h=4 107+79=4 186 Pa。

d.轴流风机选型。

根据计算，轴流风机技术参数见表2。

表2 方案二轴流风机技术参数

e.射流风机台数计算。

污染风摩擦阻力计算:

根据式(1)计算得:

代入相关数据计算得H1=1.69 Pa。

同理可得污染风流经斜井时的摩擦阻力为16 Pa。

污染风局部阻力为(1+0.7) ×1/2 ×1.2 ×1.2=1.2 Pa。

自然风阻力计算:

其中，λ为主洞摩擦阻力系数，取0.1;L为隧道的最大长度，取3 771 m(斜井阻力大于主洞，自然风阻力均按斜井计算);D为斜井直径，取6.8 m;ρ为空气密度，取1 kg/m3;V为平均风速。

斜井面积 A=3.14 ×6.8 ×6.8/4=36 m2。

代入相关数据计算得H2=114 Pa。

活塞风动力计算:洞内双向行车，且行车速度慢，故不考虑活塞风动力作用。

单台射流风机升压力计算:单台射流风机升压力=空气密度×射流风机出口风速的平方×射流风机的出口面积/隧道断面积×(1－隧道断面风速/射流风机出口风速)×射流风机位置摩擦阻力损失折减系数(0.5)。

代入计算得单台射流风机升压力为25.6 Pa(射流风机安置在主洞内)。

单台射流风机升压力为61.3 Pa(射流风机安置在斜井内)。

射流风机台数的确定:61.3 ×2+25.6=148.2 ＞16+1.2+114=131.2，只需在斜井内布置2台射流风机，主洞内布置1台射流风机，就可以满足排风要求，由于洞外自然风压力偏大，故在计算的风机台数上多安装一台，作为备用。最终射流风机台数为斜井3台，主洞1台。

f.方案二小结。

通过上面计算，方案二技术参数见表3。

表3 方案二技术参数表

通风系统如图2所示。

图2 方案三通风风机布置示意图

5 隧道内风流场、温度、粉尘扩散数值模拟

1)模型建立。该部分数值模拟，将方案一～方案三的三种方案的模型建在同一个计算文件下，通过设置不同的边界条件进行计算。为了节约计算机时，建立300 m长的计算模型，旨在对比三种方案的优劣点，推荐出比较合理的施工通风方案。模型内部结构图如图3所示。

图3 计算模型内部结构图

2)方案一模拟结果分析。方案一采用一送一排的混合式通风，送风管在掌子面附近加设接力风机。

由图4可以看出，由于方案一送风口距离掌子面的距离为50 m，掌子面已经位于风流射流区以外，在掌子面附近形成了污风的涡流现象，这对于污风的排出是不利的。根据规范的要求，在施工通风中，风管出风口距离掌子面的距离应该在10 m～15 m。

图4 掌子面附近风速矢量图（方案一）

由图5可以看出，在接力风机的位置，有一部分的污风进入送风管，形成了污风的回流，也就是说，风流通过接力风机以后，送入掌子面的新鲜风量降低了。同时，排风风机的位置，有一部分新鲜风也通过排风管道排出了隧道外。这样在隧道内形成了污染空气的循环和新鲜风的流失，对于整个隧道施工环境的保障是很不利的。

图5 接力风机附近风速矢量图（方案一）

在本方案中，作业面的供电功率为405.5 kW，而作业面附近的两台风机的功率就为220 kW，因此，在该方案中，相同条件下，作业面附近的放热本来就高于其他情况。由图6可以看出，随着新鲜风的供入，隧道内的温度能理论上维持在30℃左右。

图6 掌子面附近温度场云图（方案一）

由图7可以看出，粉尘在隧道内游离运动的时间比较长，是因为隧道内没有形成稳定的风流场所致。

图7 隧道内粉尘轨迹图（方案一）

3)方案二模拟结果分析。根据现场实际情况，天平山隧道3号斜井的施工已经完成，正洞施工中使用的通风方案为1.5 m风管和1 m风管的混合式通风，然而通过计算和数值模拟分析，该方案不能满足施工环境保障的要求，为了简化施工困难和节约工程造价，经过分析，确定了方案二的通风方案，方案二采用压入式通风，分别用两根风管向隧道内送入新风，风管直径分别为1.5 m和1 m，隧道内污风从斜井口排出。

由图8可以看出，在掌子面附近没有形成污风的涡流，即掌子面位于风管出口射流区以内。这种设置，非常有助于掌子面附近的污风的排出，有利于保障掌子面附近的作业环境。

如图9所示为隧道内射流风机附近风流场情况，隧道内加设射流风机的作用就是为污风从隧道内排出提供动力，由图9可以看出，这种效果还是非常明显的。

图8 掌子面附近风速矢量图（方案二）

图9 隧道内射流风机附近风速矢量图（方案二）

图10 掌子面附近温度场云图（方案二）

在该方案中，由于取消了隧道作业面附近的接力风机和隧道内的排风风机，因此，隧道内的放热功率大大减小，且通风方案得到了优化。温度比起方案一来略有降低(见图10)。

6 结论及推荐方案

通过理论计算和数值模拟计算，可以得到以下结论:

1)隧道施工通风设计中，通风管选择的合适与否直接关系到风机功率和通风效果，在可能的条件下，尽量选择直径大的风管以降低风阻;2)尽量减少在隧道内布设风机，以减少放热功率;3)风管的日常维护和保养非常重要，以降低风管的漏风，确保工作面的新风量;4)在隧道施工通风设计中，送风管出风口离掌子面的距离不能太大，否则在掌子面附近要产生污风的回流，该距离应控制在10 m～15 m之间;5)隧道内布置接力风机应慎重布置，否则很容易造成经济损失，并且通风效果不好;6)施工通风主要是控制新风量，新风是否能送到工作面是施工通风设计的关键。

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