高海拔地區隧道施工通風風量計算及風機選型研究

茍紅松，李永生，羅占夫

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

我國有著廣闊的高原，儲藏著豐富的資源，隨著西部大開發的進行，鐵路建設向高原地區不斷延伸。高原地區由于空氣性質及有害氣體毒性的變化，直接影響到隧道作業人員的健康與安全，以及通風設備機械的性能，合理地進行隧道施工通風設計顯得非常重要。因此，研究高原地區隧道施工通風及環境控制標準，對于保護高海拔地區地下工程作業工人的身體健康有著重要的意義。

國內學者對高原隧道施工通風方式［1］、施工通風環境控制標準［2－3］、空氣質量檢測［4－5］、勞動衛生［6］、風機風量及風壓的變化［7－8］等方面進行了研究和探討，但對高原地區施工通風需風量的計算及風機選型分析研究較少。筆者根據海拔與空氣性質的關系、不同海拔CO濃度的限值、對高原隧道施工通風需風量、高原地區通風阻力修正及風機選型進行了分析研究。

1 海拔與空氣性質的關系

1.1 海拔與氣壓的關系

大氣壓力在數值上等于所在海拔往上直到大氣上界整個空氣柱所受到的重力，因此理想情況下，大氣壓力與海拔具有一一對應的關系。在海平面附近，海拔每升高100 m，氣壓下降大約700 Pa。由于空氣具有可壓縮性，大氣壓力與海拔具有非線性關系。海平面到11 km以下地區的大氣壓力式中:pz為海拔Z處的氣壓，kPa;Z為海拔，m。

氣壓高程校正系數KP為海拔Z處的氣壓與海平面氣壓(101.325 kPa)之比。氣壓高程校正系數

1.2 海拔與氣溫的關系

氣溫變化除受緯度影響外，還隨海拔的增加而遞減。

式中:tZ為海拔Z處的氣溫，℃;tA為相鄰氣象臺站的氣溫，℃;gt為氣溫梯度，取 0.5～0.7℃/100 m;△Z為海拔Z處與相鄰氣象臺站海拔之差，m。

氣溫高程校正系數KT為海拔Z處的氣溫與海平面氣溫(15℃)之比。氣溫校正系數

式中:TZ為海拔Z處空氣的絕對溫度，℃;T0為海平面處的絕對溫度，℃。

1.3 海拔與空氣重率的關系

隨著海拔的增加，大氣壓力降低，單位體積中的氣體分子數減少，空氣稀薄，空氣重率和密度降低。海拔E處空氣重率

式中:γz為海拔Z處的空氣重率，N/m3;γ0為海拔0處的空氣重率，N/m3;Z為海拔，m。

重率高程校正系數Kγ為海拔Z處的空氣重率與海平面處的空氣重率之比。重率高程校正系數

由式(5)和式(6)可知:

2 高原隧道施工通風需風量分析

采用鉆爆法施工的隧道施工工作面所需通風量應根據隧道內同時工作的最多人數所需要的通風量，一次起爆炸藥量所產生的有害氣體降低到允許濃度所需要的通風量，隧道內同時作業的內燃機械產生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的通風量，有瓦斯涌出時還要按瓦斯涌出量計算風量，并取其中的最大值作為隧道施工作業面的需風量，最后按排塵最低風速進行驗算。

2.1 按工作面同時作業最多人數計算需風量

式中:Q為工作面同時作業最多人數所需風量，m3/min;N為工作面同時作業人數;q為每人供應新風量，m3/min。

2.2 按炸藥用量計算風量

根據國內實驗證明，在常態下，1 kg炸藥爆破時所產生的炮煙量相當于0.1 m3CO有害氣體。一般情況下，按排出炮煙計算風量

式中:Q為工作面風量，m3/min;t為通風時間，min;G為同時爆破的炸藥量，kg;b為每kg炸藥產生的CO當量，L/kg;A為掘進隧道開挖的斷面積，m2;L0為通風區段的長度，m;Pq為通風區段內風筒始末端風量之比;Ca為要求達到的CO濃度，ppm。

在高原隧道，由于空氣稀薄，氣壓降低，炮煙體積膨脹，此時產生的有害氣體體積增加為平原地區的1/K

γ倍，其風量應增大為 倍，故式(9)應乘以系數，得:

2.3 按稀釋和排出內燃設備廢氣計算風量

式中:Q為內燃機械作業所需風量，m3/min;Ni為第i臺內燃機械功率，kW;n為各種設備的臺數;k為單位功率內燃機械作業供風量，3 m3/(min·kW);α為內燃機械的作業時間利用率。

隧道施工無軌運輸比有軌運輸具有運距長、運輸機動靈活及效率高等優點，但由于內燃機排放廢氣的影響，無軌運輸一般需風量較大，給施工通風帶來很大困難。

關于無軌運輸施工通風量的計算，國內外有各種不同的計算式和標準。其主要計算方法為有害氣體成分濃度稀釋法和單位功率需風量指標法。有害氣體成分濃度稀釋法是根據使用內燃設備時隧洞內通風量計算應當滿足將內燃機所排出的廢氣全部稀釋至允許濃度以下的要求。在計算時采用單個有害成分濃度的稀釋法計算，分別按CO、NOX等有害成分的濃度稀釋計算需風量，最后取其最大值作為供風量的依據。也有一些國家提出以幾種有害成分的綜合毒性的作用來計算其安全稀釋程度，這樣計算得到的風量較單個有害成分濃度的稀釋法計算得到的需風量大大增加。目前國內隧道無軌運輸施工需風量計算一般均采用單位功率的需風量指標法，這種方法實質上是在濃度稀釋法經驗總結的基礎上所得到的擴大指標數據來計算的。稀釋和排出內燃機廢氣一般采用3 m3/(min·kW)的計算標準，主要是根據稀釋作業環境內CO濃度確定的。20世紀90年代，張世杰等［9］研究發現，CO毒性隨著海拔的增大而逐漸增大，并于2001年起草了GB 18554—2001《高原地區車間空氣中一氧化碳職業接觸限制》(已作廢)，目前我國 GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業接觸限值化學有害因素》中CO濃度的限值仍采用其研究結果。其中規定海拔2 km以下地區施工隧道空氣中CO濃度限值為30 mg/m3，2～3 km 地區為 20 mg/m3，3 km 以上地區為 15 mg/m3［10］。在高原環境下，普通柴油機的耗油量和廢氣排放量有所增加，但在低氣壓的高原條件下，內燃設備排放的廢氣也發生體積膨脹。根據高原情況下CO濃度的限值要求，對隧道施工采用內燃機械作業時，作出如下建議:海拔2 km以下時，供風量不宜小于3 m3/(min·kW);海拔2～3 km時，供風量不宜小于3.5 m3/(min·kW);海拔3～4 km時供風量不小于4 m3/(min·kW);海拔4km以上時供風量不小于4 m3/(min·kW)且需采取供氧措施。

2.4 按排塵計算風量

式中:Q為風速檢驗需風量，m3/min;v為排塵風速，m/s;A為隧道斷面積，m2。

目前按排塵計算風量的方法主要考慮了風量與粉塵濃度有關，而與空氣重率無關，則海拔對排塵風量無影響，因此，風量不需要進行校正。

3 高原地區風機選型分析

高原地區具有海拔高、氣壓低的特點，與隧道施工通風相關的通風阻力及風機性能與平原地區存在一定的差異。

在通風機運行時，氣流在風機葉輪內的流動十分復雜。為推導簡便，需作如下假設:氣流在風機葉輪內流動時沒有能量損失;風機的動輪在同一圓周上各點的氣流速度相同;葉輪的轉速不變。單位體積氣體在半徑為r處進、出軸流式風機葉輪，其圓周速度為U時，軸流風機理論全壓

式中:pt為風機理論全壓;ρ為空氣密度，kg/m3;C2u，C1u為葉道入口和出口氣流的絕對速度在圓周速度方向的投影，稱旋繞速度，m/s。

式中:ρ為空氣密度;ps為溫度t時飽和水蒸氣分壓力，Pa;φ為空氣相對濕度。

軸流風機理論風量

式中:Ca為平均軸向速度，m/s;D為葉輪外徑，m;d為輪轂直徑，m。

由式(13)—(15)可知，在高海拔條件下由于空氣密度的變化，對風機風壓影響較大，但對風量無影響。

根據測試，2010年5月23日上午8:30，7#斜井口氣壓為66.4Pa，干球溫度為8.0 ℃，濕球溫度為 1.3 ℃，經計算空氣密度為0.821 1kg/m3，則同一臺風機在該點的全壓為樣本性能參數全壓的68.43%。風機功率

式中:N為風機功率，W;H為風機工作全壓，Pa;Q為風機工作風量，m3/min;η為風機工作效率。

由式(16)可得，風機在該處的功率也為樣本性能參數的68.43%。以SDF(C)－№12.5型(2×110 kW)為例，葉片安裝角度為+3°時，風機樣本性能曲線與高海拔地區(7#斜井口氣象條件為例)的性能曲線對比如圖1所示。

圖1 風機性能曲線比較Fig.1 Curves of fan performance

在紊流條件下，摩擦阻力、局部阻力與風量的平方成正比，即h=RQ2。

其中，管路摩擦阻力

式中:hf為風管的摩擦阻力，Pa;λ為沿程阻力系數;ρ為空氣密度，kg/m3;β為風管百米漏風率;L為風管長度，m;d為風管直徑，m;Qf為風機風量，m3/min。

管路局部阻力

式中:hi為風管的局部阻力;ξi為局部阻力系數;ρ為空氣密度，kg/m3;β為風管百米漏風率;xi為局部阻力產生處距離風機出口的風管長度，m;d為風管直徑，m;Qf為風機風量，m3/min。

進行高原地區風機選型時，應根據高原地區空氣密度與常溫常壓下空氣密度的比值對風機性能曲線進行修正后再進行選型計算，或者以常溫常壓下的參數進行風機選型后再根據高原地區空氣密度與常溫常壓下空氣密度的比值進行工況修正。

4 結論

高海拔地區大氣壓力、氣溫及空氣密度較平原地區有較大的變化，隨著海拔的增加，大氣壓力、氣溫及空氣重率也逐漸降低。隨著海拔的變化，爆破作業后有害氣體的體積也發生了膨脹，建議按排出炮煙計算需風量時應根據高原地區炮煙體積膨脹系數進行修正;根據不同海拔的CO濃度限值與空氣體積膨脹系數提出建議。高海拔地區由于空氣密度降低，管道通風阻力較平原地區降低;對于同一風機，當轉速一定時，風量與平原地區一樣，風機風壓與功率也較平原地區降低，所以通風設計與風機選型時應進行相應的修正。研究結果在關角隧道7#斜井及9#斜井的施工通風中得到了應用和驗證，取得了較好的效果。但本文未對高原地區隧道施工通風中氮氧化物以及其他有害氣體毒性變化進行分析研究，此方面研究需要進一步開展。

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