高海拔大坂山隧道通风技术参数的分析和修正研究

曹传文

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

高海拔大坂山隧道通风技术参数的分析和修正研究

曹传文

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

兰新铁路大坂山隧道平均海拔3000m左右，隧道进口通风技术参数配置参照规范及有关资料计算设计，掘进230m后发现掌子面供风量不足、排烟效果差。分析后发现高海拔地区由于空气稀薄，密度下降，造成了隧道施工过程中产生的有害气体体积膨胀，按照原设计确定的技术参数不能满足施工通风要求。因此，高海拔隧道通风技术参数设计必须考虑海拔变化因素，进行系数修正，通风风量按重率高程校正系数修正，通风阻力（工作风压）按高海拔和非高海拔空气密度比值系数修正。结果表明，在海拔3000m施工，所需风量增加了16.1%，风管通风阻力降低了27.6%，同时风机风压也受空气密度影响降低了27.6%。

高海拔 隧道通风 技术参数 分析 修正

1 引言

新建兰新铁路大坂山隧道位于青海省西宁市大通县和海北州门源县境内，全长15.897km，平均海拔3000m左右，年平均气温1.8～5.1℃，限制坡度2%，采用钻爆法施工，所处地区具有高寒、缺氧、温差大等特点。对于隧道施工中，由于爆破、出碴和内燃机械运行等，产生的大量烟尘，若不能提供足够风量，供给足够的新鲜空气，不但影响到机械设备生产效率发挥，而且直接危及到隧道施工人员的健康和生命安全[1]。大坂山隧道施工通风原设计未考虑高海拔因素，实施过程中出现了洞内温度过高，有害气体浓度超标等诸多问题。通过分析、对比发现，高海拔与非高海拔地区空气密度、气压、空气含量差异较大，严重影响到了通风效果，须对通风技术参数进行修正，方可得出满足施工的通风效果，确保施工的正常进行。

2 未考虑海拔变化因素的通风技术参数设计

作业过程需供给的施工通风风量应考虑隧道内同时工作的最多人数、一次起爆炸药量产生的有害气体浓度及隧道内同时作业的内燃机械产生的有害气体浓度等方面，分别计算并取其中最大值确定施工通风系统所需风量[2]。而风压值得确定，要能保证将所需风量压到工作面，将洞内产生的各种有害气体排出，满足施工要求。

2.1 通风风量计算

在长大隧道钻爆法施工且采用无轨运输的情况下，内燃机械排放的废气污染严重，所占比重大，与其他方面所需通风风量相比，此情况下所需风量通常是最大的。因此，将稀释和排出内燃机械产生的有害气体所需通风风量作为选取通风设备主要指标[3]。

计算稀释和排出内燃机械产生的有害气体通风风量方法，尚无公认的统一公式和标准[4]，其主要方法为有害气体成分浓度稀释法和单位功率需风量指标法等。目前最常用且较合理的无轨运输施工需风量均采用单位功率需风量指标法，其实质上是在浓度稀释法经验总结的基础上所得到的扩大指标数据计算[1]。

式中： Q——内燃机械作业所需风量，m3/min

k——单位功率内燃机械作业需风量，m3/min.kw

Ni——第i台内燃机械功率，kw

稀释和排出隧道内燃机械产生的有害气体指的是在同一洞段或系统中同时工作的所有内燃机械产生的，而不是指某一工作面上[2]。根据隧道断面大小、施工组织及通风系统长度等因素，一般情况下，较其他工序，出碴作业所需内燃机械最多，因此选择隧道进口（担负2100m任务）出碴作业时各类内燃机械总功率计算稀释和排出所产生的有害气体通风风量，总功率统计见表1。

表1 出碴作业内燃机械总额定功率

根据《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）规定：采用内燃机械作业时，每1kw供风量不宜小于3（m3/min）。根据公式1得：

作业过程中，对于内燃机械的负荷率和利用率很难准确计算，且变化幅度较大，同时洞内还有其他小型柴油设备和机械，因此在计算中不再考虑，按照同时作业的内燃机械总额定功率计算所需风量。

2.2 通风阻力计算

在隧道通风过程中，由于风管系统的通风阻力引起了压力损失，导致供风风压不足，风速降低，不能满足施工要求。因此需计算得出阻力值，作为选取通风设备参数之一，保证将所需新鲜空气送到工作面。

风管系统通风阻力包括风管摩擦阻力和局部阻力。压力损失可用下式表示[5]：

式中：Δh——压力损失，Pa

Q——通过风管的风量（即通风风量），m3/min

R——风管的风阻，kμ

一般通风风管都是圆截面的，因此得：

式中：a——风管摩擦阻力系数，取0.000275kg/m3L——通风管道长度，取2100m d——风管直径，取1.8m

根据公式2和3，可计算求出风管摩擦阻力值：

式中： g——重力加速度，取9.8m/s2

局部性压力损失，发生在风管断面变化处，例如风道缩小、扩大、交叉和转弯等情况，一般情况下，为简化计算，局部阻力按风管摩擦阻力的10%计算[4]。

通过计算，取得风管系统通风阻力：

通过计算，得出完成隧道进口2100m掘进任务，需要最大工作通风风量2685m3/min，工作风压4289Pa。

2.3 实施情况

在隧道正洞进口处，安装一台SDF（B）-NO12.5型对旋式通风机（设计风量1550～2912m3/min，全压5355pa，电动机功率2×110KW，三级调速）为隧道施工供风。通风风管采用直径1.8m的PVC增强塑纤布（维纶布）拉链式风管，风管安设在隧道拱顶中心部位。

随着隧道掘进，通风系统不断延伸，至230米处发现，掌子面进行出碴作业时，风量不足，有害气体滞留洞内，未及时排出，造成洞内温度过高，机械效率低下，人员呼吸困难，严重影响到了生产效率及作业人员的身体健康。

3 通风技术参数修正及方案优化

通过分析施工通风中存在的问题，发现风机提供的风量不能满足要求，主要原因是随着海拔的升高，相对空气密度和相对大气压力随之降低，造成内燃机械产生的有害气体发生体积膨胀，稀释和排出所需的风量也随之增加。按照未考虑海拔因素设计的通风技术参数，用在高海拔隧道施工中，出现了不能满足要求的情况。鉴于不同海拔高度，相对密度和气压也不同，引起了通风风量、风管通风阻力变化。因此在设计高海拔隧道施工通风技术参数时，需进行系数修正，得到高海拔地区通风技术参数。

3.1 通风风量修正

随海拔的增加，大气压力降低，空气重率和密度也随之降低，施工中产生的有害气体发生体积膨胀，需要的通风量相应增加，一般按照重率高程校正系数Kr修正来校正[2]。

式中：Kr——重率高程校正系数

Z——计算点处的海拔高度，取3000m

Q高——高海拔处所需通风风量，m3/min根据公式4、5得：

过程中，风管所漏风量也对内燃机械所产生的有害气体起到稀释作用，因此在计算中不考虑通风管漏风率。

3.2 通风阻力修正

在紊流条件下，风管摩擦阻力也可按公式6求得：

式中：ρ——空气密度，kg/ m3

β——风管百米漏风率

由公式可知，在不同海拔，风管摩擦阻力受空气密度影响较大。因此在通风风量不变的情况下，风管系统通风阻力（工作风压）与空气密度成正比[1]，即：

式中：ρ高——海拔3000m处空气密度，kg/ m3

h高——海拔3000m处风管系统通风阻力，Pa在高海拔地区，风管系统通风阻力需要根据高海拔空气密度与非高海拔下空气密度的比值对其进行修正后确定。

在非高海拔按标准状态下空气密度取值1.22（kg/ m3），海拔3000m地区大气压力70998.5（Pa），大坂山隧道所属区域年平均气温5(°)[7][8]。

式中：P高——海拔3000m处大气压力，Pa

t ——海拔3000m处年平均气温，°根据公式8得：

根据公式7得：

经系数修正后，得出在隧道进口完成2100m掘进任务，需要最大工作通风风量3117m3/min，工作风压3106Pa。因此原选用的SDF（B）-NO12.5型通风机所提供的风量达不到设计值，需要更换选用SDF（B）-NO18型对旋式通风机，设计风量2649～4479m3/min，全压5255pa，电动机功率2×185Kw，三级调速。

表2 修正前后通风风量、通风阻力对比表

同时，高海拔对风机工作性能的影响也较大，其值可根据动力相似比例定律求得[6][7][8]。即风机在角度不变，转速、动能直径相等的情况下，同一工况，不同海拔高度的风机风压成比例，风量不变。即：

式中：h机——非高海拔处风机风压，取最大值5255Pa

h机高——海拔3000m处风机风压，Pa

根据公式9得：

由此得，在同一工况下，风机风压随海拔升高而降低。虽然降低了较多，但风机提供的风压还是能克服通风系统阻力，将新鲜风送至作业面。

通过方案优化，掌子面新鲜空气充足，洞内有害气体排出通畅，作业环境得到有效改善，经现场监测仪器监测，各项数据满足通风要求，见表3。

表3 不同长度温度、风速、CO含量实测平均值汇总表

图1 不同海拔高度通风风量、通风阻力曲线

通过以上修正方法，可以得出不同海拔高度与通风风量、通风阻力关系值。标准值取海拔1000m，空气密度取1.22（kg/ m3），大气温度取20（°），根据海拔划分标准1500m以上属于高海拔，由此可得图1。

由图可知，随海拔升高，所需风量增大，通风阻力减小。因此在高海拔隧道施工，通风机的选取要综合考虑，在满足通风风量的要求下，风机风压不要选取的太高，够用即可，做到节约能源。

4 结语

高海拔隧道施工，空气稀薄，密度降低，通过大坂山隧道通风方案实践表明：1是按照非高海拔进行通风技术参数设计，选取的通风设备不能满足施工通风要求，需要考虑海拔因素，对技术参数进行系数修正。2是与非高海拔地区相比，所需风量增加了16.1%；风管系统通风阻力降低了27.6%。3是高海拔对风机性能也有较大影响，同一风机，同一工况下，风机风量不变，但风压降低了27.6%，因此风机选型后，要对风机风压进行验算，确保风机风压在高海拔条件下满足施工要求。4是计算公式中，通风风量按重率高程校正系数修正，通风阻力（工作风压）按高海拔和非高海拔空气密度比值系数修正。

[1]苟红松,李永生,罗占夫.高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型研究[J].隧道建设,2012年1期.

[2]张仕杰.浅谈高原地区长大隧道施工通风风量计算[J].铁道标准设计建筑技术,2010(S2):62.

[3]张仕杰.关于释稀高海拔隧道施工机械尾气通风量的计算[C],2014铁路暖通年会. 2014.

[4]翁国勇.隧道施工中的压入式管道通风技术[J].浙江建筑,2010年9期.

[5]铁路工程施工技术手册[M].北京:中国铁道出版社,1995

[6]翟方志,朱茂华.通风机极其系统在不同海拔高度的性能变化及运用分析.企业技术开发[J],2011年7期.

[7]赵军喜.高海拔低气压地区隧道施工通风技术[J].隧道建设,2009年,29(4):206-207,231

[8]李永林,曾艳华,何川.高海拔隧道主风机的选型研究[J].地下空间与工程学报,2005年02月第1期

[9]唐浩,郑宏雷,张连春.两河口水电站某隧道通风方案暨造价分析[J].黑龙江水利科技,2009年 第2期(第37卷)

[10]蒲荣宇.高原特长隧道施工通风技术[J].铁道建筑技术,2013.(08)

[11]李永生,杨立新,罗占夫.关角隧道空气质量分析[J].隧道建设,2010年,30(12):630-633

[12]刘赟.浅谈高原高海拔地区特长公路隧道施工通风技术[J].西南公路, 2014(2):31-33.

Analysis and Correction of High Altitude Daban Mountain Tunnel Ventilation Parameters

CAO Chuan-wen
(China Railway 18thBureau Group Co., Ltd Tianjin 300222 China)

Lan-Xin Railway Daban Mountain tunnel has an average altitude of about 3000m. Its ventilation technology parameters are calculated and designed with reference to the specifications and design information. However, after 230 meters of driving, it was found out that the working face has insufficient amount of wind and poor smoke extraction effect. Analysis found that due to the thin air at high altitudes, harmful gases generated during the tunnel construction may expand, which means the original technical parameters of the construction can not meet the ventilation requirements. Therefore, the ventilation technical parameters design of the tunnel at high altitude must consider the altitude changes. The ventilation volume was corrected according to the specific weight and height factor, the ventilation resistance (working pressure) was corrected according to the air density ratio of the high altitude and non-high altitude areas. The results show that, in a construction at an altitude of 3000m, the required air volume increased by 16.1%, the ventilation duct resistance decreased by 27.6%, while the fan pressure is also affected by a 27.6% decrease due to the influence of air density.

high altitude tunnel ventilation technical parameters analysis correction

A

1673-1816(2017)01-0033-06

2016-03-19

曹传文（1978-），男，学士，高级工程，研究方向土木工程。