隧道盾構(gòu)掘進通風(fēng)設(shè)計研究

楊威文 黃宇翔

廣州市市政集團有限公司 廣東 廣州 510068

隨著經(jīng)濟水平持續(xù)提升，我國城市化發(fā)展速度越來越快，交通壓力也就隨之增加，對城市地鐵進行修建成為主要任務(wù)之一。城市地鐵大部分處于地下，最常用施工方法是盾構(gòu)法，盾構(gòu)施工過程中，空氣流通效果較差，同時施工環(huán)境中具有濕度大、有灰塵的特點，特別是多雨地區(qū)或多雨季節(jié)，施工環(huán)境中濕熱問題顯著。因此，隧道氣候好壞直接影響到隧道內(nèi)作業(yè)人員身心健康、安全、勞動效率和舒適性以及機械設(shè)備故障率。所以每條盾構(gòu)隧道作業(yè)前，必須根據(jù)開挖隧道實際情況對通風(fēng)進行合理設(shè)計，防止隧道內(nèi)送風(fēng)量不足，提高作業(yè)效率，減小對作業(yè)人員身體健康影響，同時避免能源浪費，提高單位能耗產(chǎn)值。

1 風(fēng)量設(shè)計

風(fēng)量指單位時間內(nèi)特定空間空氣流通量。隧道通風(fēng)關(guān)鍵是考慮通風(fēng)量對應(yīng)風(fēng)速對粉塵控制的影響及作業(yè)人員對新風(fēng)量需求，同時兼顧將隧道內(nèi)部分熱量及盾構(gòu)中產(chǎn)生有害氣體帶出到隧道外擴散，以此保證作業(yè)人員工作環(huán)境及身心健康。

1.1 按照規(guī)范規(guī)定洞內(nèi)允許最小風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)量

（1）TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》，其中對隧道施工環(huán)境中溫度和風(fēng)速應(yīng)達到的標準進行了規(guī)定，要求在隧道施工過程中：“風(fēng)速在全斷面開挖時不小于0.15 m/s”。（2）國際隧協(xié)要求空氣的供給量或從作業(yè)面的排出量為：在任何時候全斷面隧道或豎井最小平均風(fēng)速應(yīng)在0.3 ～2m/s。（3）英國《建筑工業(yè)中隧道開挖作業(yè)安全實用規(guī)程》認為：當(dāng)風(fēng)速小于0.5 m/s時，粉塵會逆風(fēng)擴散。（4）美國的《煤炭礦井通風(fēng)法規(guī)》要求平均風(fēng)速為0.30m/s這個速度是基于全斷面來說的，而不考慮設(shè)備擠占空間，并且0.30m/s是最低限度。從控制粉塵方面要求風(fēng)速為0.61m/s,因為研究證明這一風(fēng)速能很好地控制粉塵。

則按照規(guī)范滿足洞內(nèi)允許最小風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)量：

式中, V1為隧道風(fēng)量需求，m3/h；s為隧道斷面面積，m2;V為允許最小風(fēng)速,m/h。

1.2 按滿足規(guī)范規(guī)定人均新風(fēng)量計算所需送風(fēng)量

（1）鐵道部《隧規(guī)》規(guī)定按3m3/(p·min)計算。

（2）煤炭部行業(yè)標準MT/T634-1996煤礦礦井風(fēng)量計算方法中規(guī)定每人每分鐘 供給風(fēng)量不得小于4m3/(p·min);

則按滿足規(guī)范規(guī)定人均新風(fēng)量計算所需送風(fēng)量：

式中,V2作業(yè)人員所需新風(fēng)量，m3/h；q為每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3; m為隧道內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)；K為備用系數(shù)，1.1～1.15。

小結(jié)：據(jù)以上規(guī)范，無具體到對盾構(gòu)隧道規(guī)定。一般情況下，盾構(gòu)隧道比其它方式挖掘的隧道作業(yè)環(huán)境較好，較少粉塵。因此滿足要求情況下，為節(jié)約能量，通風(fēng)量在合理范圍內(nèi)越小越好，但從作業(yè)效率及身心健康出發(fā)，則應(yīng)保持隧道內(nèi)擁有必要的舒適度。在滿足人均新風(fēng)量條件下，盾構(gòu)隧道內(nèi)平均風(fēng)速為0.5～0.6m/s較為合理，結(jié)合隧道斷面，考慮臺車上設(shè)備擠占空間，計算出所需風(fēng)量。如在此計算風(fēng)速下，若無法滿足隧道內(nèi)降溫要求，應(yīng)增加相應(yīng)制冷設(shè)備，通過冷卻水將熱量高效地帶出到隧道。因隧道空間有限，盲目增加風(fēng)速，較多情況下無法實現(xiàn)并不經(jīng)濟，并增加有限空間內(nèi)噪音及揚塵，影響正常施工健康作業(yè)。

隧道通風(fēng)大部分區(qū)域使用軟風(fēng)管，根據(jù)產(chǎn)品標準，柔性風(fēng)管[2]采用平均百米漏風(fēng)率取參考表中最大值的1.5%,根據(jù)風(fēng)管長度,通風(fēng)機需考慮一定風(fēng)量余量，以滿足隧道前端通風(fēng)量要求。

2 風(fēng)壓設(shè)計

風(fēng)壓是克服風(fēng)流阻力產(chǎn)生的壓頭。管道通風(fēng)中，一般由氣體輸送機械對空氣提供動力來克服風(fēng)壓，從而使空氣保持一定速度運動。通常所說風(fēng)壓是動風(fēng)壓與靜風(fēng)壓的總和,即:H=ΔP+ρgΔh+0.5ρΔu2；ΔP:靜壓, ρgΔh:位壓,0.5ρΔu2:動壓, 單位一般都采用:Pa。一般情況下,位壓很小(因空氣的比重在常溫下很小)，動壓稍大，靜壓最大。

通俗講：動壓是帶動氣體向前運動壓力，表現(xiàn)是使管內(nèi)氣體改變速度，動壓只作用在氣體流動方向恒為正值。

由于空氣分子不規(guī)則運動而撞擊于管壁上產(chǎn)生的壓力稱為靜壓。計算時，以絕對真空為計算零點的靜壓稱為絕對靜壓；以大氣壓力為零點的靜壓稱為相對靜壓。靜壓主要用來克服沿途所有阻力，主要包括沿途摩擦阻力和局部阻力。隧道掘進通風(fēng)中，除了考慮風(fēng)管摩擦阻力和局部阻力，還應(yīng)考慮利用隧道通、排風(fēng)摩擦阻力和局部阻力。因靜壓對通風(fēng)影響最大，計算時應(yīng)考慮好通風(fēng)管道實際布置情況，在允許條件下，盡可能降低靜壓損失。

2.1 風(fēng)管、隧道摩擦損失

式中△Pf—摩擦損失（Pa）；f—摩擦系數(shù)，無因次；L —管道長度；Dh—水力直徑（mm）；V — 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）

在層流范圍內(nèi)（雷諾數(shù)Re＜2000）,摩擦系數(shù)是Re的函數(shù)；對紊流，摩擦系數(shù)取決于雷諾數(shù)、管子內(nèi)表面粗糙度及內(nèi)部突出物。

摩擦系數(shù)的簡化公式為：

式中ξ- 管壁絕對粗糙度（0.03～3.0mm）

如果f′≥0.0 1 8,f=f′；如果f′≤0.0 1 8,f=0.85f′+0.0028

雷諾數(shù)：

式中ν—動力粘度（m2/s）;對標準空氣,R e=66.4Dh·V。

式中Dh－水力直徑（mm）; A －風(fēng)管截面積（mm2）;P－ 橫截面周長（mm）。

2.2 局部阻力損失

式中△Pf—摩擦損失（Pa）；ξ—局部阻力系數(shù)，無因次；V— 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）；

小結(jié)：參考以上公式，可計算出隧道通風(fēng)風(fēng)阻，包括不同位置阻力情況，進而指導(dǎo)在實際布置中是否對通風(fēng)管道進行改進或增加接力風(fēng)機，提高通風(fēng)效率。風(fēng)機風(fēng)壓降低，可以大大減小風(fēng)機噪音，對于有限空間，噪音降低則提高了作業(yè)環(huán)境，進而提高作業(yè)效率。在實際運用中，通風(fēng)須要保證一定動壓，這樣才能保證風(fēng)在管道內(nèi)流速及突破排出口背壓。

3 風(fēng)機與系統(tǒng)匹配

3.1 風(fēng)機特性

風(fēng)機性能數(shù)據(jù)或性能曲線是根據(jù)試驗確定的。在試驗時，吸風(fēng)全開，具有均勻氣流進入風(fēng)機，而排出側(cè)接至相當(dāng)長的直管段，能有效回收靜壓。如果在實際使用中不能提供良好的風(fēng)機進出口側(cè)條件，則風(fēng)機性能受到損害，在計算阻力中應(yīng)予考慮。

風(fēng)機制造廠提供的性能數(shù)據(jù)表通常是在推薦的使用范圍內(nèi)，即效率比較髙范圍內(nèi)。提供風(fēng)機性能曲線,則所選擇的運行點應(yīng)位于風(fēng)機曲線上具有高效率和克服系統(tǒng)能達到的阻力，如下圖經(jīng)濟使用范圍所示。

圖1 風(fēng)機特性曲線示意圖

3.2 風(fēng)機與系統(tǒng)的匹配

風(fēng)機性能必須與系統(tǒng)要求相匹配，只有一個最值運行點，即系統(tǒng)特性曲線與風(fēng)機性能曲線的交點。在這一點上，風(fēng)機產(chǎn)生壓力正好與系統(tǒng)阻力相匹配，流經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)量等于風(fēng)機風(fēng)量。

如果風(fēng)量不等于風(fēng)機設(shè)計規(guī)定值，則需改變風(fēng)機特性（改變轉(zhuǎn)速、尺寸或葉片角度）或改變系統(tǒng)特性（改變管件尺寸或用風(fēng)閘設(shè)定）使之相匹配。而這種情況在隧道掘進作業(yè)是必然發(fā)生的，因掘進作業(yè)必使整個系統(tǒng)處在變化之中，所以必須根據(jù)實際情況使用雙速或三速風(fēng)機，如需更高控制精度要求，則可以采用變頻風(fēng)機。

隧道掘進長度變化時，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機運行工況點是變化的，所以必須尋找一個合適的范圍，使風(fēng)機高效區(qū)域能覆蓋通風(fēng)系統(tǒng)范圍，這種分析對變阻力系統(tǒng)是必須的，因為系統(tǒng)阻力的變化，所以風(fēng)機運用工況點也在變動中，應(yīng)計算出系統(tǒng)中實際損失，如下圖所示。

圖2 管網(wǎng)特性曲線與風(fēng)機性能曲線分析圖

根據(jù)所需掘進隧道設(shè)計參數(shù)及通風(fēng)機、風(fēng)管布置情況，通過以上公式可以計算出隧道掘進時不同通風(fēng)效果時通風(fēng)機參數(shù)配置，風(fēng)壓應(yīng)留20%左右裕量。

4 通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制

通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源主要有兩部分：一是風(fēng)機噪聲，二是管道噪聲。兩者都是空氣運動產(chǎn)生的噪聲。

4.1 風(fēng)機噪聲

風(fēng)機噪聲主要為空氣動力性噪聲，由旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲等組成。研究表明旋轉(zhuǎn)噪聲強度與風(fēng)機葉片數(shù)量、形狀、幾何尺寸、葉輪轉(zhuǎn)速、機內(nèi)風(fēng)流速度以及流量等各因素有關(guān)。因此風(fēng)機噪聲關(guān)鍵在于設(shè)備性能或設(shè)備型號，所以關(guān)鍵在于正確選型。以下公式可對通風(fēng)機進行驗算。

（1）離心通風(fēng)機總聲功率級為：

式中 L v——通風(fēng)機的總聲功率級(dB)；L w c——通風(fēng)機的比聲功率級(dB};q vv——通風(fēng)機的風(fēng)量(m3/h);P v——通風(fēng)機的全壓(Pa).

同一臺風(fēng)機最佳工況點是最高效率點,最低比聲功率級點。一般,中低壓離心通風(fēng)機在工況點的比聲功率級值可取為24dB。

（2）軸流式風(fēng)機聲功率級為：

式中 Lw——軸流風(fēng)機的聲功率級(dB);qvv ——通風(fēng)機的風(fēng)量;Pv——全壓(Pa)；δ——修正值。

設(shè)計計算時，通風(fēng)機噪聲應(yīng)以制造廠提供的噪聲數(shù)據(jù)或曲線為準。采購前，請制造廠提供提前提供數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)驗算，正確選型采購風(fēng)機。

4.2 管道噪聲

由流體流動過程中的相互作用，或氣體和固體介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生的噪聲。降低流速，減少管道內(nèi)和管道口產(chǎn)生擾動氣流的障礙物，適當(dāng)增加導(dǎo)流片，減小氣流出口處速度梯度，改進管道連接處密封性等措施，可以降低管道動力性噪聲。正常條件下，直管道與彎頭氣流噪聲聲功率級可采用以下公式進行計算。

(1)直管道氣流噪聲聲功率級

式中 Lw— 直管道氣流噪聲聲功率級(dB);L w c — 直管比聲功率級,一般取10dB；V — 直管內(nèi)氣流速度(m/s);F —風(fēng)管截面積(m2);

(2)彎頭氣流噪聲聲功率級

式中Lw—彎頭氣流噪聲聲功率級(dB);L w c—彎頭比聲功率級(dB);fD— 頻帶低限頻率(Hz),;fz—頻率帶中心頻率(Hz);d—風(fēng)管直徑或當(dāng)量直徑(m);V—風(fēng)管內(nèi)流速(m/s)。

5 降低通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的措施

盡可能使風(fēng)管布置最佳、阻力損失小，從而使選用風(fēng)機壓力小一些，即轉(zhuǎn)速低一些，風(fēng)機噪聲也低一些。

將風(fēng)機安裝在單獨的隔聲室中，或?qū)L(fēng)機裝在消聲箱內(nèi)。將風(fēng)機安裝在減振器或彈性墊片上，風(fēng)機逬口安裝軟接管。在風(fēng)機進、排風(fēng)管路上裝消聲器,在噪聲要求嚴格的艙室進風(fēng)管上裝消聲器或消聲管段及消聲軟管；風(fēng)管隔振，風(fēng)管壁和固定吊架扎箍之間裝彈性橡皮墊圈；采用圓截面風(fēng)管,因在相同流量條件，矩形風(fēng)管比圓截面風(fēng)管周圍噪聲高20dB～25dB。在矩形風(fēng)管外表敷阻尼消振材料(如福樂斯材料)，可大大降低噪聲，尤其在高頻段，可降低15dB～ 20dB；風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速不宜太高，實驗研究表明，當(dāng)風(fēng)速＜25m/s時（對于施工作業(yè)通風(fēng)而言），空氣流速對噪聲的影響不大，但空氣還是發(fā)生了紊流，為使氣流在層流范圍內(nèi)，設(shè)計時風(fēng)管內(nèi)送風(fēng)速度一般不高于13m/s；通風(fēng)機進出口處風(fēng)道保持一定長度直管并裝設(shè)柔性接管；盡量避免采用90直角變徑管，減少風(fēng)閥產(chǎn)生的振動噪聲；出風(fēng)口選擇合適出風(fēng)截面積，避免末端裝置產(chǎn)生噪聲。

6 風(fēng)管漏風(fēng)防止措施

根據(jù)生產(chǎn)實踐，風(fēng)管漏風(fēng)是影響掘進通風(fēng)距離的主要因素，會產(chǎn)生不可控噪聲，因此風(fēng)管漏風(fēng)在作業(yè)過程中應(yīng)及時修復(fù)。盾構(gòu)隧道內(nèi)一般采用柔性風(fēng)管，防止風(fēng)管漏風(fēng)主要從以下三個方面采取措施：

6.1 減少風(fēng)管接頭漏風(fēng)

提高接頭質(zhì)量，改進風(fēng)管接頭方法，由雙交邊接頭改為三環(huán)套反接法。在采用三環(huán)套反接法同時，對每一個接頭粘補了一層風(fēng)管條,盡最大可能降低接頭漏風(fēng)。

6.2 處理針眼漏風(fēng)

針眼都會產(chǎn)生大量漏風(fēng)。因此，裁剪風(fēng)管細條，對風(fēng)管露出的每一排針眼都用風(fēng)管條一一粘補，此法基本上控制了針眼的漏風(fēng)。

6.3 防止風(fēng)管破口漏風(fēng)

風(fēng)管破口產(chǎn)生主要有風(fēng)筒老化受風(fēng)壓影響出現(xiàn)風(fēng)管破裂、運輸過程中渣土車載料超高掛破風(fēng)筒。為了防止破口漏風(fēng)，可指派專人對風(fēng)筒管進行檢査維護，發(fā)現(xiàn)破口及時縫補或更換。對風(fēng)管易被掛破位置采用金屬風(fēng)管。

7 結(jié)束語

盾構(gòu)隧道施工中通風(fēng)效果，直接影響到隧道內(nèi)作業(yè)人員身心健康、安全、勞動效率和舒適性。當(dāng)前我國地鐵隧道施工之中人性化設(shè)計仍然相對落后，隧道施工作業(yè)人員多數(shù)以農(nóng)民工為主，但這一情況正在向好的方向發(fā)展，畢竟經(jīng)濟水平比之前有了質(zhì)的飛躍，現(xiàn)場工程技術(shù)人員專業(yè)水平也有較高提升，新一代作業(yè)人員對健康意識有了更強認識。在不造成能源浪費前提下，必須滿足盾構(gòu)隧道通風(fēng)量及風(fēng)速最低要求，是對以人為本理念實施。本文通過系統(tǒng)梳理，供工程現(xiàn)場技術(shù)人員設(shè)計參考使用，以促使城市地鐵盾構(gòu)機作業(yè)中通風(fēng)系統(tǒng)效果得到提升，提高盾構(gòu)作業(yè)效率，同時提高作業(yè)環(huán)境人性化設(shè)計。