基于風壓分析的射流巷道式通風優化

黃 磊,雷 帥,張 睿,江俊杰

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.四川川交路橋有限責任公司,四川廣漢 618300)

射流巷道式通風是在射流風機的射流、卷收和誘導作用下，新鮮空氣從一個隧洞進入并由軸流風機送風管到達掌子面附近，污濁空氣從另一個隧洞排出的通風方式[1]。對射流巷道式通風研究大致可分為通風方案、通風流場及通風優化三方面，其中根據隧道實際情況制定通風方案是核心，也是進行通風流場分析的基礎；通風優化是保證通風方案經濟合理、通風流場安全可靠的控制措施，降低或消除通風不利對工作人員和設備可能造成的危害。數十年來，國內外對射流巷道式通風展開了大量研究，也取得了一些重要進展。劉洪偉[2]在傳統巷道式通風的基礎上引入射流風機對隧道內的通風系統進行優化，并進行通風測試對射流巷道式通風的效果進行了肯定；李建軍[3]通過對大相嶺泥巴山隧道進行通風計算，在隧道需風量、風機供風量、射流風機數量等方面比較了壓入式通風和巷道式通風兩種通風方式，證明了長大隧道采用巷道式通風效果好、成本低的結論；張雪金等[4]根據樂園瓦斯隧道輔助坑道布置及瓦斯涌出特點，確定了獨頭壓入式和射流巷道式相結合的通風方案，不僅在樂園隧道施工期間取得了較好的效果，也為類似的瓦斯隧道施工通風方案設計提供了參考。在射流巷道式通風流場研究方面，日本的中山伸介等[5]對三維條件下掘進巷道通風流場以及風速進行了測定，得到了掘進巷道流場分布；Parra等[6]通過數值模擬和試驗分析的基礎上，揭示了通風空間中危險區域的分布規律；彭佩等[7]利用流體力學軟件Fluent建立隧道三維模型，對隧道內及其與橫通道連接處的流場進行數值模擬，認為巷道式通風會使隧道內形成多個渦流區，并且橫通道會在一定范圍內影響風流，超過這個范圍風流將趨于穩定。在隧道施工通風方案及流場分析的基礎上，許多學者對射流巷道式通風系統的優化進行了研究。譚信榮等[8]提出壓入式通風、射流巷道式通風相結合的通風措施，并在粉塵超標段設置干式除塵機，有效地降低了粉塵量，保證了隧道內的空氣質量；方勇等[9]對低瓦斯隧道施工期間的通風流場進行了數值模擬，發現隧道內橫通道附近存在瓦斯濃度高、風速低的危險區域，通過流場分析提出了增設射流風機的優化方案；何知思等[10]通過對壁板坡特長隧道施工通風影響因素現場測試、分析及總結，為特長隧道施工通風及優化提供了參考。作為通風優化的基本研究方法，對實際問題進行現場測試以及數值模擬，提出改進方案并得到優化效果的通風優化處理模式[11]已經普遍應用，但基于通風網絡和風壓理論的通風調整及優化方式，在射流巷道式通風系統中研究較少。因此，擬在前人研究的基礎上，從通風網絡和風壓理論的角度來探討射流巷道式通風優化方案，提高通風質量。

1 風路壓力簡化分析方法

在風路中，風壓是空氣流動的動力[12]，將風路簡化為一維對象，忽略壓力在橫截面上的變化，風路中風壓可以用曲線的形式直觀表現出來，如圖1所示，以壓力基準點為原點，壓力上升則曲線向上，壓力下降則曲線向下，風路中的壓力變化如摩擦阻力、局部阻力以及射流風機升壓力等組成了風路壓力分布的曲線形式。

1.1 摩擦阻力

隧道和橫通道壁面對空氣流動都存在摩擦阻力作用，在巷道橫截面和方向均不發生變化的情況下，壓力損失與路程成正比，因此，分別以左端和右端為基準，直巷道內壓力變化可以簡化為一條斜向下線段，如圖1(a)所示。漸縮或漸擴段壓力變化也可以簡化為一條斜向下的線段。摩擦阻力可按下式計算

(1)

式中，hf為摩擦阻力，Pa；λ為摩擦系數；L為長度，m；d為水力直徑，m；v為風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3[13]。

1.2 局部阻力

局部阻力產生處如進出口、拐彎、突然擴大或縮小端，雖然這些地方壓力是漸變的，但簡化為一維問題后，可以認為局部阻力處壓力是突變的，因此，局部阻力處壓力變化可以簡化為一條垂直向下的線段，如圖1(b)所示(不考慮摩擦阻力)。局部擴大或縮小的壓力損失可按式(2)或式(3)計算[13]

(2)

式中，hx為局部壓力損失，Pa；ξ為局部阻力系數；v1為管路小斷面處的風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；A1為管路小斷面面積，m2；Q為通過局部點的風量，m3/s。

1.3 射流風機升壓力

射流風機可以為風路提供升壓力，升壓范圍包括風機前方誘導段和風機后方吸入段[14]，因此其升壓效果需要足夠的長度來發展，并且射流風機升壓段在隧道內的靜壓近似線性增加[15]，射流風機的升壓情況可以簡化為一條斜向上的線段，如圖1(c)所示(不考慮摩擦阻力)，升壓所需長度為(b-a)。

圖1 阻力及壓力簡化示意

2 射流巷道式通風特征分析

對于長大雙洞隧道施工通風而言，可采用管道壓入式通風或主扇巷道式通風，但這兩種方式都存在不足之處，前者要求送風管路過長，會導致沿途總漏風量大、通風耗能很大，后者雖能解決長距離送風問題，但存在風門造價高、漏風大等缺陷[16]。在這種情況下，射流巷道式通風因其能較好解決風管送風距離過長、風門漏風嚴重等問題，在長大隧道中得到了廣泛應用。

2.1 射流巷道式通風實例分析

在隧道射流巷道通風中，除最前方橫通道之外的橫通道均應封閉[17]，但實際由于橫通道正在施工或出渣進料的需要，個別橫通道不能封閉或封堵不嚴(圖2)，這將導致整個通風系統的混亂，下面以實例進行分析說明。

圖2 橫通道封堵不嚴現場

巴陜高速公路上的米倉山隧道施工期間采用射流巷道式通風[18]，其中某區段如圖3所示，帶箭頭的折線表示通風風路。根據米倉山隧道通風方案，通風風路上布設額定升壓力為9 Pa的射流風機共8臺，其中11號車行橫通道內布置1臺，距左、右線洞口100 m處分別布置3臺、4臺射流風機，風機間距為100 m。另外，除11號車行橫通道外，其余車行橫通道全部關閉，防止風流互竄。

圖3 通風系統示意(單位：m)

考慮到橫通道較短，風機前方只有30 m長度，而誘導段長度約需要45 m，誘導段長度按公式(4)計算，風機的升壓力不能充分發展。將橫通道風機升壓力按長度進行折減，若實際風機升壓力按照6 Pa計算，風機總升壓力為69 Pa。此時隧道風速將略大于設計風速，通風阻力也將變大，橫通道阻力增大為6.48×(69/66.15)=6.76 Pa，其中由左線進入橫通道局部阻力為3.32 Pa，橫通道沿程阻力0.24 Pa，橫通道到右線局部阻力為3.2 Pa。主洞沿程阻力為62.24 Pa，主洞射流風機誘導段長度約為80 m，射流風機升壓段取為100 m，包括誘導段80 m和吸入段20 m，射流風機升壓段沿程阻力為0.57 Pa，則風機的實際升壓力為8.43 Pa。

l=(7.16+62.93T-108.2mU)de(4)

式中，l為誘導段長度；T為橫通道風速與風機出口風速之比，T=vt/vj；m為斷面風機并列臺數；U為風機出口面積與橫通道面積之比，U=Aj/At[19]。

以洞口為壓力基準點，根據通風網絡及風壓理論，該風路的風壓變化如圖4所示?？梢钥闯觯捎谧缶€洞口處3臺射流風機的升壓作用，使得壓力突增，然后在沿程阻力的作用下，壓力不斷減??；11號車行橫通道處有1臺射流風機升壓，但由于局部阻力過大，抵消了升壓效果；在右線出口處4臺射流風機升壓作用，使得左右線洞口壓力相等。由圖4可知，風路前半段為正壓，后半段為負壓，17號車行橫通道兩端的壓力差ΔPab達到了53.6 Pa。結合圖3可以發現，若17號車行橫通道無法封閉，就會使左線進入的新鮮風迅速進入右線排出隧道，導致隧道前方得不到足夠的新鮮空氣而使整個通風系統癱瘓。

圖4 風路壓力分布曲線

2.2 射流巷道式通風缺陷分析

射流巷道式通風缺陷在未封閉橫通道處表現為兩種形式：一是新鮮風沒有充分利用就流出隧道，即新風短路；二是污染風在隧道內回流，即污風循環，實質上都是由于橫通道兩端存在壓力差造成的。以圖3所示風路為例，假設17號車行橫通道封堵不嚴，將a、b兩點間風路和17號車行橫通道看作并聯通風網絡，如圖5所示，其中分支3代表17號車行橫通道。

圖5 兩種漏風形式的通風網絡

當a點壓力大于b點壓力時(分支2射流風機升壓小于通風阻力)，部分新鮮空氣沒有經過利用直接通過分支3到達排風洞排出洞外，表現為新風短路；當a點壓力小于b點壓力時(分支2射流風機升壓大于通風阻力)，橫通道內空氣由b流向a，造成污染空氣流入進風洞，表現為污風循環。

從理論上說，將橫通道嚴格封堵就可以完全避免這兩種現象發生[20]，但在實際操作中由于施工現場條件限制，很難完全消除這種現象。因此，對于施工中無法關閉的橫通道必須進行一定的控制，避免風流亂竄現象的發生，使新鮮風進入掌子面，污染風排出隧道。楊立新[21]在對通風網絡研究的基礎上，提出了射流巷道式通風的橫通道風流控制方法，對橫通道射流減阻、射流增阻、無射流3種調節方法進行了風量計算和節能比較，卻忽略了調節過程中的污風循環和新風短路現象，但在實際隧道施工通風過程中，通風效率和質量才是第一位的。因此，必須通過解決問題的實質即橫通道兩端存在的壓力差，來解決未封閉橫通道的通風缺陷。本文將通過對射流風機的優化布置，分析隧道內風壓曲線，實現橫通道兩端壓力控制，達到對射流巷道式通風系統的優化。

3 射流巷道式通風優化

3.1 射流風機布置方案分析

為研究射流風機設置方式對通風系統的影響，以及如何控制橫通道處新風短路現象，現通過以下4種工況進行研究：(1)射流風機全部布置在左線出口和橫通道；(2)射流風機全部布置在右線出口和橫通道；(3)射流風機分別布置在左、右線出口(2.1節實例)和橫通道；(4)射流風機均勻布置在隧道內。這4種工況風路簡化示意如圖6所示，風路壓力分布曲線如圖7所示。

圖6 4種工況的風路簡化示意(單位：m)

圖7 4種工況風路壓力分布曲線

仍然假設17號車行橫通道無法封閉，根據圖7得到橫通道兩端壓力及壓力差如表1所示。從表1可以看出，工況1、2、3壓力差絕對值遠大于工況4，橫通道新風短路情況嚴重。從圖7也可以明顯看出，工況4壓力變化升壓和降壓分布比較均勻，最高壓力和最低壓力相差15 Pa左右，這說明橫通道兩端壓力差最多只能達到15 Pa，而其他幾種工況由于風路中間沒有射流風機升壓，壓力從進口到出口一直降低，最高壓力和最低壓力相差接近60 Pa。因此，將風機均勻布置在通風路徑上可以有效降低橫通道兩端壓力差，進而控制新風短路現象。

表1 車行橫通道兩端壓力及壓差 Pa

3.2 射流風機布置優化方法

射流風機均勻布置于風路中是對通風路徑整體的優化，即通過減小每個橫通道兩端所能達到的最大壓差的方式，來控制新風短路現象，并沒有考慮橫通道在什么位置，如果知道某個橫通道封堵情況較差，風流短路嚴重，還可以通過對射流風機位置的微調進一步減小該橫通道兩端壓差，甚至減小到沒有壓差。

如圖7所示，射流風機的升壓力由一條突變的升壓曲線表示，對于射流風機位置的改變，可以通過平移升壓曲線來體現，這樣就可以快速地對局部流場進行優化。以上一節工況4通風布置為例，17號車行橫通道兩端壓差為9.2 Pa，在圖6中將最右端的風機沿摩擦阻力曲線的方向平移一段距離，如圖8箭頭所示，代表該風機向隧道右線出口方向移動一段距離，使風機的升壓曲線完全在b點和右線出口之間，即可達到明顯的優化效果。比如若按圖8中的箭頭方向移動330 m，a、b兩點間的壓力差將減小為0.4 Pa，這時，橫通道即使不封閉，也幾乎不會發生新風短路的現象。

圖8 局部優化示意

當存在不止一個橫通道漏風的情況時，也可通過現場多個射流風機位置的調整或增加射流風機臺數，使通風網絡中橫通道兩側的壓力差顯著減小甚至消失，以達到理想的通風效果。但在實際施工掘進過程中，頻繁移動風機不現實，增加射流風機的臺數會增加施工成本，因此，對于圖2所示的存在漏風的橫通道，必須及時進行修補，達到不漏風的要求；對于正在施工的橫通道，宜采用本文提出的方法，即調整射流風機位置來減小橫通道兩側的壓力差；對于出渣進料等車輛通行，應由最前方橫通道通過，使后方橫通道全部封閉，以保證隧道內的空氣質量。

4 結論

通過對隧道射流巷道式施工通風網絡進行一維簡化，基于風壓曲線的分析，對通風系統進行優化，得出以下結論。

(1)對通風網絡進行一維簡化后，沿程壓力損失、局部壓力損失以及射流風機升壓都用曲線來表示，組成風路壓力曲線圖，直觀反映出風路風壓分布，曲線形狀只與風機布置有關，與風機升壓力無關。

(2)射流巷道式通風中新風短路或污風循環現象的本質是橫通道兩端存在壓力差，壓力差越大，這兩種現象就越明顯，導致通風系統混亂。

(3)從整體上來說，相比集中布置，射流風機均勻布置在通風路徑上時，風壓曲線升壓、降壓段的分布更加均勻，橫通道兩端壓力差更小。

(4)在實際隧道施工過程中，出渣進料等車輛由最前方橫通道通行，其余橫通道均應封閉，出現漏風的橫通道應及時修補，對于正在施工的橫通道出現新風短路或污風循環現象，通過移動風壓曲線中代表射流風機的升壓曲線可以快速確定風機的最佳位置，使該橫通道兩端壓力差減小，甚至消失。