高寒高海拔螺旋隧道压入式通风风机设计参数研究

高 峰,唐宇辰,连晓飞,张根思,刘 林

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011)

0 引言

为实现西部大开发战略，现代隧道人将在西部的高寒高海拔地区大量建设隧道工程，在高寒高海拔地区修建隧道，将面临低气压，低氧，低气温等恶劣的气候环境和施工条件，同时为克服隧道坡度过大的问题，隧道不得不修建成螺旋型，这给隧道的施工通风系统带来了巨大的压力，使得隧道施工通风方案无法继续按照平原地区隧道的经验继续运作，而当前隧道施工规范[1]对于高寒高海拔螺旋隧道的条文尚待完善，施工单位对于在这类恶劣环境下的施工通风很难找到可靠依据进行借鉴，采用的计算方法往往并不科学。

目前对于高寒高海拔螺旋隧道施工通风设计计算方法的研究文献较少。例如，苟红松[2]等研究了高海拔地区隧道施工通风风量计算，得到了隧道施工通风风量计算方法和风机选型方法；刘钊春[3]依托两河口一号隧道进行了施工通风风机参数的计算；杨立新[4]针对国内研究现状，总结了隧道风机参数计算方法；李治强[5]就干海子小半径螺旋隧道的施工通风进行了计算，但给出的是高海拔直线隧道的计算方法，对于高寒高海拔螺旋隧道风机选型计算方法仍然缺乏系统的研究。

针对以上问题，本文研究了高寒高海拔螺旋隧道施工通风系统在不同海拔高度、螺旋半径、掘进长度、通风管布设直径下的参数设置，讨论各因素对通风系统的影响，提出适合于高寒高海拔螺旋隧道的施工通风风机设计参数计算方法，为今后高寒高海拔螺旋隧道施工通风管理提供数据支撑。

1 高寒高海拔螺旋隧道风机参数计算方法

1.1 海拔修正系数

高寒高海拔螺旋隧道施工通风的需风量计算方法需要在普通常规隧道施工通风的计算方法上进行修正。因为随着海拔高度的增加，大气压力降低，空气重率和密度降低，出现了高原修正系数Kγ[6]，通过式(1)和式(2)能够计算出具体海拔高度的Kγ值，而Kγ值的倒数所反映的就是高原空气膨胀率，即海拔高度为0处的空气在高寒高海拔地区体积会膨胀1/Kγ倍，因此，高寒高海拔隧道施工通风需风量也必须依此进行高程修成。

随着海拔高度的增加，大气压力降低，单位体积中的气体分子数减少，空气稀薄，空气重率和密度降低，有以下关系：

ρ=ρ0(1-Z/44 300)4.256

(1)

式中：ρ0为常压下的空气密度，一般1.2 kg/m3；Z为海拔高程。

随着海拔高度的增加，大气压力降低，出现了高原修正系数：

(2)

式中：Kγ为高原修正系数；ρz为高程Zm处的空气密度；ρ0为海平面处的空气密度，一般取1.2 kg/m3。

1.2 风量修正计算

a.按洞内最多工作人员需风量修正。

高寒高海拔隧道中，隧道内每人供应新鲜空气量为4 m3/min(平原地区为3 m3/min)，则按工作人数修正风量如下：

Q1=4KN

(3)

式中：Q1为工作面同时作业最多人数所需风量，m3/min；N为隧道内最多工作人数；K为高程修正系数1/Kγ。

b.按炸药用量修正风量。

在高原隧道环境下，炮烟体积膨胀，此时产生的有害气体体积增加了1/Kγ倍，则计算风量时有：

(4)

c.按允许最低风速计算风量。

《公路隧道施工技术规范》[1]规定，全断面开挖时风速不应小于0.15 m/s，导坑内不应小于0.25 m/s。

Q3=60·V·A

(5)

式中：V为工作面最小风速，全断面开挖取0.15 m/s；A为隧道断面面积。

限制最低风速目的是为了隧道内的排尘，这种计算风量的方法主要考虑的是隧道内风速因素，而与空气重率等无关，所以海拔高度对排尘风量无影响，故不考虑高原修正。

d.按稀释和排出内燃设备废气修正风量。

在高原环境下，由于含氧量低，普通柴油机的耗油量和废气排放量有所增加，在低气压高原条件下，内燃设备排放废气也发生体积膨胀。根据高原情况下CO限值要求，对隧道施工采用内燃机械作业时，作出如下建议：海拔2 km以下时，供风量不宜小于3 m3/(min·kW)；海拔2～3 km时，供风量不宜小于3.5 m3/(min·kW)；海拔3～4 km时供风量不小于4 m3/(min·kW)；海拔4～5 km以上时供风量不小于4.5 m3/(min·kW)；海拔5 km以上时供风量不小于5 m3/(min·kW)。

(6)

式中：Q4为稀释内燃设备废气所需的总风量，m3/min；k为单位功率内燃设备供风量；Ni为每种内燃设备的额定功率，kW。

取上述计算风量的最大值作为计算风量：Qd=max(Q1,Q2,Q3,Q4)。

1.3 通风机所需供风量

由于风管在送风过程中存在漏风，因此，将漏风率考虑进去，用管道漏风系数对设计风量进行修正作为通风机的设计风量：

(7)

式中：P为管道漏风系数；β为百米平均漏风率；L为通风距离，m。

则通风机所需供风量为：

Q=PQd

(8)

式中：Q为通风机的设计风量；Qd为计算风量；P为管道漏风系数。

1.4 螺旋隧道压力损失及风机工作风压

a.曲线隧道管路的摩擦风阻计算。公式为：

(9)

式中：hf为管路的摩擦风阻(kg/m7)；λc为摩擦系数；ρ为空气密度；d为过风断面当量直径；β为风管百米漏风率平均值；L为隧道长度；Q为风机风量。平面曲线半径R<2 000 m 的曲线隧道，沿程阻力系数可按式(10)计算：

λc=1.823 5λ·R-0.078

(10)

式中：λc为曲线隧道壁面摩阻损失系数；λ为隧道壁面摩阻损失系数；R为曲线段平面曲线半径，m。

为简化计算，局部阻力损失取为沿程阻力损失的10%，即ht=0.1hf。

b.通风机工作风压计算。通风机工作风压按通风系统克服局部阻力、沿程风阻之和计算，即：Pt=max(hf+ht)。

1.5 通风机功率

根据《海拔高度、气压、气温、沸点、空气密度、含氧量、柴油机功率、电气功率、劳动者体力对照表》[9,10]，为保证隧道通风正常需风量，将轴流风机功率调高使用。

(11)

式中：Q为通风机供风量；Pt为通风机工作风压；η为通风机工作效率。

2 高寒高海拔螺旋隧道风机参数主要影响因素分析

2.1 主要影响因素计算参数

为详细研究海拔因素和螺旋半径对风机参数的影响，以卧龙沟1号隧道为原型，将高原地区的海拔高度分别取为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 m，螺旋半径取为500、600、700、800、900 m进行计算，同时风管直径参数考虑1.6、1.8、2.0 m这3种，掘进长度为500、1 000、1 500、2 000 m，将各因素综合考虑进行风机参数计算。

2.2 海拔因素的影响分析

取隧道的螺旋半径700 m，风管直径D为1.6 m，掘进长度为500、1 000、1 500、2 000 m时进行风机参数的研究。得到风机布置参数(风机风量、风机风压、风机功率)随海拔的变化趋势如图1所示。

(a)风机需风量受海拔因素影响

可以看出，风机的需风量、风机风压及风机功率都会受到海拔因素的影响，海拔越高，风机需要的参数越高，因此，需要根据具体的海拔因素对风机参数进行加强通风。

2.3 螺旋半径的影响分析

取3 000 m海拔高度的隧道，将隧道参数隧道断面积设为64.49 m2，风管直径分别为1.6，1.8，2.0 m，掘进长度为500、1 000、1 500、2 000 m，取曲线半径为500、600、700、800、900 m进行计算，得到风机布置参数变化曲线如图2、图3所示。

如图2、图3所示，在隧道断面积、风管直径和掘进长度相同的情况下，随着螺旋隧道曲线的曲率加大，隧道通风需要的风机风量不变，而风机的风压和风机的功率随着曲线半径的增大而减小，即隧道的曲线性导致了沿程阻力损失的增加，风机需要克服更大的阻力才能将风输送到指定位置。

(a)掘进长度500 m

(a)掘进长度500 m

2.4 风管直径的影响分析

当隧道海拔高度为3 000 m；隧道断面积为64.49 m2，风管直径设为1.6 m，掘进长度为500 m 不变，取风管直径为1.6、1.8、2.0 m 进行计算，得到风机布置参数如表1所示。

如表1所示，随着风管直径的增加，风机所需要的风压和风机功率都在大幅度的降低，这是由于风道的摩擦阻力和风管直径的五次方成反比。因此，在隧道施工通风时，在风量较大时，应考虑加大风管直径，有利于降低风阻，减小风机的风压和功率。但是在施工过程中，更大直径的风管意味着更高的成本[7]，因此在考虑工程实际的情况下应尽可能使用更大管径的风管。

表1 不同风管直径下风机布置参数Table1 Fanlayoutparametersunderdifferentductdiameters组数曲线半径/m风管直径/m风机风量/(m3·s-1)风机风压/Pa风机功率/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 卧龙沟1号隧道施工通风风机选型方案对比分析

3.1 工程概况

卧龙沟1号隧道主洞内轮廓采用单心圆形式[8]，拱半径为5.61 m，净空面积为64.49 m2，隧道施工采用两端独头掘进，独头掘进最大长度为1 300 m，采用压入式通风，风管直径为1.6 m。施工通风系统横断面如图4所示。

图4 卧龙沟1号隧道横断面

卧龙沟1号隧道施工通风详细参数如表2和表3所示。

表2 卧龙沟1号隧道施工通风计算参数Table2 VentilationcalculationparametersforwolonggouNo.1tunnel通风隧道总长/m隧道净断面面积/m2爆破最大用药量/kg风管直径/m烟雾抛甩距离/m隧道内最大同时施工人数/人C50装载机/台220挖掘机/台25t自卸机器/台130064.49140.31.6根据计算确定45214

表3 卧龙沟1号隧道内燃设备配置表Table3 InternalcombustionequipmentconfigurationtableofwolonggouNo.1tunnel机械名称配置台数工作台数单机功率/kWC50装载机21142220挖掘机1111425t自卸机器42186

3.2 卧龙沟1号隧道计算参数

为研究分析平原常规隧道和高寒高海拔螺旋隧道的施工通风参数设计差距，本次研究以卧龙沟1号隧道为原型，采用平原常规直线隧道的计算标准和公式作为原设计方案，然后针对卧龙沟1号的工程特点及实际参数进行修正设计计算作为当前修正后方案，将原施工通风设计方案和修正方案进行对比，研究分析两种工况下的施工通风参数设计差距。两种工况下主要计算参数列于表4。

表4 两种工况主要计算参数对比表Table4 Comparisontableofmaincalculationparametersoftwoworkingconditions工况海拔/m气压/kPa温度/℃空气密度/(kg·m-3)曲率半径/m原方案0101.3111.225∞现修正方案300070.1-100.9700

3.3 计算结果对比分析

将计算参数代入公式，得到两种工况的需风量计算结果如表5所示。

表5 需风量对比图Table5 Requiredairvolumecomparisonchart序号计算需风量方法分类Q计算结果/(m3·min-1)原方案现修正方案1按洞内同时工作的最多人数计算Q11352432按排出炮烟计算Q22673603按允许最低平均风速计算Q35805804按稀释和排出内燃废气计算Q418842512

由表3可以看出，4种方式计算的需风量除了按允许最低平均风速计算(与海拔高度和隧道线型无关)以外，其余3种计算方式如按洞内同时工作的最多人数计算、按排出炮烟计算以及按稀释和排出内燃废气计算，高寒高海拔螺旋隧道的需风量计算值均大于平原直线隧道。

将中数据取最大值，取表3中计算风量的最大值作为计算风量，取漏风率为1.2%，代入式(7)～式(11)中，得计算得风机工作风压和通风机功率如表6所示。

表6 两种工况计算结果Table6 Twoworkingconditionscalculationresults工况Q/(m3·min-1)hf/Paht/PaPt/Paη/%N/kW122043454345.4380068226229394935493.5542960487注:工况1为原方案计算标准;工况2为修正方案计算标准。

将两种工况下的最低技术风机参数列于表7中进行对比，可以看出，现有修正方案中的高寒高海拔螺旋隧道所需设置的风机风量更大，增加率约33.3%，受海拔因素和螺旋半径的综合影响，当采用同一风管直径时，风机风压比较原设计方案需要提升42.9%，风机功率需要提升115.9%。因此，在隧道设计时，高寒高海拔螺旋隧道需要根据工程实际情况计算进行加强通风。

表7 风机参数对比图Table7 Fanparametercomparisonchart工况方案风机风量/(m3·min-1)风机风压/Pa风机功率/kW1原方案220438002262现修正方案29395429488

4 结论

通过以上研究，得到以下结论：

a.针对海拔因素和隧道螺旋性等因素，提出了适合于高寒高海拔螺旋隧道的施工通风风机设计参数计算方法。

b.通过研究隧道在5种海拔高度，5种螺旋半径，3种风管直径和4种掘进长度下的风机参数对比，分析了海拔高度，螺旋半径及风管直径等因素对风机设计参数的影响。

c.根据卧龙沟1号隧道的工程概况，在3 000 m海拔高度、螺旋半径R=700 m及最大掘进距离1 300 m等参数下，考虑海拔因素和螺旋性等因素进行通风方案修正，提出了适合于卧龙沟1号隧道的施工通风修正参数方案。

d.将修正后方案与原方案对比发现：通风机风量需要提升33.3%；风机风压需要提升42.9%；风机功率需要提升115.9%。

e.在高原地区，隧道通风系统的设计应根据环境条件进行相应的计算设计，做出有区别于平原隧道的加强通风，确保施工作业环境的安全性和施工进度的高效进行。