某高速鐵路隧道斜井工區施工通風方案研究

方 偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 工程背景

某高速鐵路隧道全長14.012 km。其中3號斜井設計長1 793 m，坡度為9%下坡，斜井寬7.7 m，高6.2 m，斜井與正洞以60°夾角相交。原計劃承擔正洞施工任務DK376+250～DK374+368共計1 882 m，現預計承擔正洞施工任務1 978 m。該工程的特點是斜井長，通風距離長，埋深大，洞內地溫高，洞外氣壓較大，造成隧道內通風排煙困難，致使施工作業環境差，通風排煙效果的好壞對施工影響很大。

2 施工通風控制標準確定

依據我國礦山安全規程及《鐵路隧道施工技術規范》，隧道內施工作業段的空氣必須符合衛生標準，初步確定該隧道施工通風控制標準如下:1)有害氣體最高允許濃度值。一氧化碳:不大于30 mg/m3。當施工人員進入開挖面檢查時，濃度可為100 mg/m3，但必須在30 min內降至30 mg/m3(37.5 ppm)。二氧化碳按體積計不得大于0.5%。氮氧化物(換算成NO2)低于5 mg/m3。2)粉塵容許濃度:每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2 mg。3)溫度:洞內氣溫不宜超過28℃。4)氧氣含量:按體積計，不得低于20%。5)隧道施工時，供給每人的新鮮空氣量，不應低于3 m3/min。6)隧道開挖時全斷面風速不應小于0.15 m/s，分部開挖時不應小于0.25 m/s。

3 需風量計算

根據規范，對掌子面需風量計算方式由按照施工人員所需風量、按照同時起爆炸藥量需風量、稀釋機動車尾氣需風量、按照掌子面最低風速要求需風量和按照降溫除塵要求的需風量五種。最終的需風量取以上計算算得的最大值。

根據經驗，施工中的最大需風量為降溫排塵需風量，即:

其中，Qc為降溫排塵風量，m3/min;vc為降溫排塵風速，取0.3 m/s。風筒直徑1.5 m，最長3 795 m，漏風系數β=1.0%，風機風量按消除有害氣體積聚所需風量計算:

4 通風方案比選

1)方案一。采用一送一排的混合式通風，送風管在掌子面附近加設接力風機，如圖1所示。

圖1 方案一通風風機布置示意圖

a.施工需風量計算。

由之前計算得需風量為2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.送風風筒阻力計算。

其中，λ為風筒摩擦阻力系數，取0.018;L為隧道的最大長度，取3 771 m;D為風筒直徑，取1.5 m;ρ為空氣密度，取1 kg/m3;V為風筒平均風速。

風筒面積 A=3.14 ×1.5 ×1.5/4=1.8 m2。

代入相關數據計算得h1=13 471 Pa。

風管進出口局部阻力為(1+0.3) ×1/2 ×24.4 ×24.4=387 Pa。

風管總阻力h=13 471+387=13 858 Pa。

c.風機選型。

原有軸流風機技術參數見表1。

表1 方案一軸流風機技術參數

通過計算可知，原有軸流風機基本上可以滿足新風量要求。

d.排風風機風量計算。

一般而言，在混合式施工通風中，排風風量一般為送風量的1.2倍 ～1.3倍，本次計算取1.2 倍。故排風風量為2 638.46m3/min ×1.2=3 166 m3/min=44 ×1.2=52.8 m3/s。而現有風機選擇的最大風量為2 385 m3/min＜3 166 m3/min，不滿足要求。

e.排風風筒阻力計算。

假定現有排風軸流風機的風量滿足要求，計算排風風筒阻力:

排風風筒直徑為1 m，根據式(1)計算得:

代入相關數據計算得h1=106 432 Pa。

風管進出口局部阻力為(1+0.3)×1/2×56×56=2 038 Pa。

風管總阻力h=106 432+2 038=108 470 Pa＞5 355 Pa(風機最大壓力)。

f.方案一小結。

通過上面計算可知，在現有風機的布置下，方案一是不可行的。

2)方案二計算。

a.施工需風量計算。

由之前計算得需風量為2 638.46 m3/min=44 m3/s。

b.風筒阻力計算。

風管直徑1.5 m。

根據式(1)計算得:

V=Q/A=44 ×0.8/1.8=19.5 m/s(風管直徑 1.5，提供 80%的新鮮風)。

代入相關數據計算得h1=8 603 Pa。

風管進出口局部阻力為(1+0.3) ×1/2×19.5 ×19.5=247 Pa。

風管總阻力h=8 603+247=8 850 Pa。

c.風管直徑 1.0 m。

根據式(1)計算得:

V=Q/A=44 ×0.2/0.785=11 m/s(風管直徑 1 m，提供 20%的新鮮風)。

代入相關數據計算得h1=4 107 Pa。

風管進出口局部阻力為(1+0.3)×1/2×11×11=79 Pa。

風管總阻力h=4 107+79=4 186 Pa。

d.軸流風機選型。

根據計算，軸流風機技術參數見表2。

表2 方案二軸流風機技術參數

e.射流風機臺數計算。

污染風摩擦阻力計算:

根據式(1)計算得:

代入相關數據計算得H1=1.69 Pa。

同理可得污染風流經斜井時的摩擦阻力為16 Pa。

污染風局部阻力為(1+0.7) ×1/2 ×1.2 ×1.2=1.2 Pa。

自然風阻力計算:

其中，λ為主洞摩擦阻力系數，取0.1;L為隧道的最大長度，取3 771 m(斜井阻力大于主洞，自然風阻力均按斜井計算);D為斜井直徑，取6.8 m;ρ為空氣密度，取1 kg/m3;V為平均風速。

斜井面積 A=3.14 ×6.8 ×6.8/4=36 m2。

代入相關數據計算得H2=114 Pa。

活塞風動力計算:洞內雙向行車，且行車速度慢，故不考慮活塞風動力作用。

單臺射流風機升壓力計算:單臺射流風機升壓力=空氣密度×射流風機出口風速的平方×射流風機的出口面積/隧道斷面積×(1－隧道斷面風速/射流風機出口風速)×射流風機位置摩擦阻力損失折減系數(0.5)。

代入計算得單臺射流風機升壓力為25.6 Pa(射流風機安置在主洞內)。

單臺射流風機升壓力為61.3 Pa(射流風機安置在斜井內)。

射流風機臺數的確定:61.3 ×2+25.6=148.2 ＞16+1.2+114=131.2，只需在斜井內布置2臺射流風機，主洞內布置1臺射流風機，就可以滿足排風要求，由于洞外自然風壓力偏大，故在計算的風機臺數上多安裝一臺，作為備用。最終射流風機臺數為斜井3臺，主洞1臺。

f.方案二小結。

通過上面計算，方案二技術參數見表3。

表3 方案二技術參數表

通風系統如圖2所示。

圖2 方案三通風風機布置示意圖

5 隧道內風流場、溫度、粉塵擴散數值模擬

1)模型建立。該部分數值模擬，將方案一～方案三的三種方案的模型建在同一個計算文件下，通過設置不同的邊界條件進行計算。為了節約計算機時，建立300 m長的計算模型，旨在對比三種方案的優劣點，推薦出比較合理的施工通風方案。模型內部結構圖如圖3所示。

圖3 計算模型內部結構圖

2)方案一模擬結果分析。方案一采用一送一排的混合式通風，送風管在掌子面附近加設接力風機。

由圖4可以看出，由于方案一送風口距離掌子面的距離為50 m，掌子面已經位于風流射流區以外，在掌子面附近形成了污風的渦流現象，這對于污風的排出是不利的。根據規范的要求，在施工通風中，風管出風口距離掌子面的距離應該在10 m～15 m。

圖4 掌子面附近風速矢量圖（方案一）

由圖5可以看出，在接力風機的位置，有一部分的污風進入送風管，形成了污風的回流，也就是說，風流通過接力風機以后，送入掌子面的新鮮風量降低了。同時，排風風機的位置，有一部分新鮮風也通過排風管道排出了隧道外。這樣在隧道內形成了污染空氣的循環和新鮮風的流失，對于整個隧道施工環境的保障是很不利的。

圖5 接力風機附近風速矢量圖（方案一）

在本方案中，作業面的供電功率為405.5 kW，而作業面附近的兩臺風機的功率就為220 kW，因此，在該方案中，相同條件下，作業面附近的放熱本來就高于其他情況。由圖6可以看出，隨著新鮮風的供入，隧道內的溫度能理論上維持在30℃左右。

圖6 掌子面附近溫度場云圖（方案一）

由圖7可以看出，粉塵在隧道內游離運動的時間比較長，是因為隧道內沒有形成穩定的風流場所致。

圖7 隧道內粉塵軌跡圖（方案一）

3)方案二模擬結果分析。根據現場實際情況，天平山隧道3號斜井的施工已經完成，正洞施工中使用的通風方案為1.5 m風管和1 m風管的混合式通風，然而通過計算和數值模擬分析，該方案不能滿足施工環境保障的要求，為了簡化施工困難和節約工程造價，經過分析，確定了方案二的通風方案，方案二采用壓入式通風，分別用兩根風管向隧道內送入新風，風管直徑分別為1.5 m和1 m，隧道內污風從斜井口排出。

由圖8可以看出，在掌子面附近沒有形成污風的渦流，即掌子面位于風管出口射流區以內。這種設置，非常有助于掌子面附近的污風的排出，有利于保障掌子面附近的作業環境。

如圖9所示為隧道內射流風機附近風流場情況，隧道內加設射流風機的作用就是為污風從隧道內排出提供動力，由圖9可以看出，這種效果還是非常明顯的。

圖8 掌子面附近風速矢量圖（方案二）

圖9 隧道內射流風機附近風速矢量圖（方案二）

圖10 掌子面附近溫度場云圖（方案二）

在該方案中，由于取消了隧道作業面附近的接力風機和隧道內的排風風機，因此，隧道內的放熱功率大大減小，且通風方案得到了優化。溫度比起方案一來略有降低(見圖10)。

6 結論及推薦方案

通過理論計算和數值模擬計算，可以得到以下結論:

1)隧道施工通風設計中，通風管選擇的合適與否直接關系到風機功率和通風效果，在可能的條件下，盡量選擇直徑大的風管以降低風阻;2)盡量減少在隧道內布設風機，以減少放熱功率;3)風管的日常維護和保養非常重要，以降低風管的漏風，確保工作面的新風量;4)在隧道施工通風設計中，送風管出風口離掌子面的距離不能太大，否則在掌子面附近要產生污風的回流，該距離應控制在10 m～15 m之間;5)隧道內布置接力風機應慎重布置，否則很容易造成經濟損失，并且通風效果不好;6)施工通風主要是控制新風量，新風是否能送到工作面是施工通風設計的關鍵。

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