高原鐵路某隧道斜井工區施工通風方式研究

楊立新, 周振建, 2

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

高原鐵路某隧道為雙洞單線隧道，長約38 km，是高原鐵路全線控制性重點工程。為縮短獨頭通風長度、降低通風難度，在隧道進出口之間設置了2座斜井。但由于斜井本身過長，且為單斜井雙正洞的模式，在斜井工區與進口或出口工區貫通前，采用的都是無軌運輸出渣，因此施工通風難度相當大。

斜井通風管路的直徑通常受到斜井斷面的限制，為了最大限度地利用斜井的上部空間，采用在斜井拱部設置隔板的方式，將斜井斷面一分為二，上部作為進風道，下部作為回風道和車輛運輸通道[1]，這種方式已在關角隧道[2]和長洪嶺隧道[3]的施工通風中得到應用。許多工程技術人員和學者圍繞隔板通風方式開展了多方面的研究。例如：李永生[4]闡述了中隔板風道式通風的使用條件和注意事項；刁志等[5]結合關角隧道7#斜井施工通風方案的比選，詳細分析了隔板風道式通風的優缺點，說明該方式較有利于節能和成本控制；陳海鋒[6]依托長洪嶺隧道分別對隔板巷道和風管施工通風進行了研究，得出分隔巷道和風管聯合通風方式能大大降低工程成本、具有較好經濟性的結論；趙東波等[7]對隔板式通風原理、布置方式、適用條件和操作要點等進行了分析，證明其具有節能優勢；武金明[8]通過Fluent數值模擬軟件，對隔板式通風中4個掌子面風流速度場進行模擬計算，確定了合理的通風參數；黎愛清等[9]以關角隧道6號斜井為例，說明隔板式通風技術實施效果良好，能為高原缺氧環境下的特長隧道施工提供了良好的施工環境；韓現民等[10]進行了通風系統設計與風機選型，對通風效果進行了數值模擬及現場實測，得出聯合通風方案下多工作面施工時風管出口到工作面的合理距離及工作面風速與風管口到工作面距離的關系；陳紹華[11]在關角隧道研發了長大斜井中隔板式通風系統技術，創新了施工組織模式，節約先期小導洞10 km，經濟效益十分明顯；張旭珍[12]介紹了中隔板通風方法、風機選擇、結構設計以及通風效果，認為中隔板式通風效果良好、經濟適用，且有利于施工安全；曹正卯[13]對隔板式通風進行了現場測試，說明風倉式通風技術可以明顯提高送往作業面的風量；陳麗敏[14]認為在施工中采取斜井設置中隔板的方式，可充分利用斜井頂部弧形空間，保證隧道進風量和風速；駱陽[15]以金家莊特長螺旋隧道為依托，采用三維數值計算方法，采用風倉與隔板風道組合式通風方案，對既有壓入式進行優化，取得了良好的通風效果。綜上可以看出，斜井隔板式通風具有經濟節能的優點。

目前，在高原鐵路某隧道斜井存在2種通風方案：一種是用斜井隔板風道加正洞風管的送風式通風方案(簡稱隔板式通風)，另一種是斜井和正洞全部采用風管的送風式通風方案(簡稱風管式通風)。到底哪種通風方式更好，爭論不休。本文對2種通風方式進行通風網絡計算，并對它們的達標耗能進行了對比分析，以期為單斜井雙正洞模式下通風方式的選擇提供參考。

1 工程概況

高原鐵路某隧道為雙洞單線隧道，左線長37.965 km，右線長37.954 km。采用4臺直徑為10.2 m的敞開式TBM+鉆爆法聯合施工。全線設置有3座輔助坑道，從出口至進口方向依次為1#橫洞、2#斜井以及3#斜井，如圖1所示。

圖1 高原鐵路某隧道平面位置分布圖

3#斜井工區與隧道進口工區合屬1個標段，隧道進口海拔3 158 m，3#斜井口海拔3 589 m。3#斜井位于線路左側，與正線交匯于DK1229+500，夾角為72°34′20″，斜井斜長3 543.36 m，坡度8.03%，為無軌運輸雙車道斷面，凈空尺寸7.5 m(寬)×7.5 m(高)，其斷面輪廓如圖2所示。支護結構采用噴錨襯砌，洞口段、與正洞交叉段、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段采用模筑襯砌。

圖2 無軌運輸雙車道輪廓示意圖(單位：cm)

2 隔板式與風管式通風方案

2.1 設計需風量

隔板式通風方案較簡略，并未給出各作業面的設計需風量；風管式通風方案則給出了設計需風量的具體數值。為方便對比，統一采用各斷面風管式通風方案的設計需風量，見表1。

表1 設計需風量

2.2 隔板式通風方案的布置

隔板式通風方案(含進口工區)總體上分為3個階段，各階段布置如圖3—5所示。該方案在第2階段在同一時間只考慮了3個工作面，為了方便與風管式通風進行比較，統一按4個作業面考慮。

圖3 隔板式通風第1階段布置示意圖(單位：m)

圖4 隔板式通風第2階段布置示意圖(單位：m)

圖5 隔板式通風第3階段布置示意圖(單位：m)

2.3 風管式通風方案的布置

風管式通風方案(含進口工區)與隔板式通風方案一樣，總體上也分為3個階段，各階段布置如圖6—8所示。

圖6 風管式通風第1階段布置示意圖(單位：m)

圖7 風管式通風第2階段布置示意圖(單位：m)

圖8 風管式通風第3階段布置示意圖(單位：m)

2.4 通風設備配置表

2種方案在各階段施工通風所采用的風機和風管配置見表2。由于隔板式通風方案沒有給出風管的直徑，因此按照與風管式通風對應相同的原則配置風管。

表2 風機和風管配置

3 隔板式與風管式通風的理論分析計算

進口工區第1、第2階段和斜井工區的第1階段均采用風管送風式通風，通風方式沒有區別；而在斜井工區第2和第3階段的通風方式有所區別。因此，主要針對斜井工區的第2和第3階段進行研究。

3.1 斜井第2階段通風理論分析計算

3.1.1 隔板式通風分析計算

為了便于分析研究，做如下設定：

1)風道入口段的風機為F1，風壓為Δp1；正洞大里程方向供風風機為F2，風壓為Δp2；正洞小里程方向供風風機為F3，風壓為Δp3。

2)斜井隔板風道的通風阻力為h1。大里程方向左右線正洞通風管路總通風阻力(含對應回風正洞)為h2。其中，斜井底至風管分叉處的管路通風阻力為h20，左線正洞管路的總通風阻力(含對應的回風正洞)為h21,右線正洞管路(含橫通道風管)總通風阻力(含對應回風正洞)為h22。小里程方向左右線正洞通風管路總通風阻力(含對應回風正洞)為h3。其中，斜井底至風管分叉處的管路通風阻力為h30，左線正洞管路的總通風阻力(含對應的回風正洞)為h31,右線正洞管路(含橫通道風管)總通風阻力(含對應回風正洞)為h32。斜井行車通道(回風道)的通風阻力為h4。

根據隔板式通風第2階段通風布置圖，繪制通風系統網絡圖，如圖9所示。為簡化計算，將斜井井底的橫通道區域視為1點。

圖9 隔板式通風第2階段通風系統網絡圖

根據通風系統網路圖，利用風壓平衡定律、風量平衡定律和通風阻力定律建立方程組：

(1)

式中：a1、b1、c1、d1為風機F1特性曲線回歸系數；a2、b2、c2、d2為風機F2特性曲線回歸系數；a3、b3、c3、d3為風機F3特性曲線回歸系數；R1為斜井隔板風道的風阻，kg/m7；R2為大里程方向左右線正洞通風管路的總風阻(含對應回風正洞的風阻)，kg/m7；R3為小里程方向左右線正洞通風管路的總風阻(含對應回風正洞的風阻)，kg/m7；R4為斜井行車通道(回風道)的風阻，kg/m7；Q2為風機F2的風量，m3/s；Q3為風機F3的風量，m3/s。

采用牛頓-拉夫森法求解方程組，得到Q2、Q3。然后，再求出風機F1的風量Q1，斜井行車通道(回風道)井底附近的風量Q4，大里程方向左、右正洞作業面的風量Q210、Q220和大小里程方向左、右正洞作業面的風量Q310、Q320。計算中簡化隔板風道漏風影響。

3.1.2 風管式通風分析計算

計算方法與隔板式通風基本相同，在利用程序進行計算時，令斜井隔板風道長度為0，將風管長度l20和l30分別增加1個斜井的長度即可。為方便對比，計算中簡化斜井風管的漏風影響。

3.2 斜井第3階段通風理論分析計算

3.2.1 隔板式通風分析計算

同樣，為便于分析，設定如下：

1)風道入口段的風機為F1，風壓為Δp1；為正洞左線大里程方向供風的風機為F2，風壓為Δp2；為正洞右線大里程方向供風的風機為F3，風壓為Δp3；自然風壓為Δpn。

2)斜井隔板風道的通風阻力為h1；左線正洞作業面供風管路的總通風阻力(含對應回風正洞)為h2；右線正洞作業面供風管路的總通風阻力(含對應回風正洞)為h3；斜井行車通道(回風道)的通風阻力為h4；隧道進口至斜井井底段正洞左右線的總通風阻力為h6,其中左線的通風阻力為h61，右線的通風阻力為h62。

3.2.1.1 當進口至斜井段正洞風流與自然風壓一致時的分析計算

根據隔板式通風第3階段通風布置圖，當進口至斜井正洞段的風流由進口流向斜井，與自然風壓一致時，繪制通風系統網絡圖如圖10所示。為簡化計算，將斜井井底的橫通道區域視為1點。

圖10 隔板式通風第3階段(與自然風壓一致時)通風系統網絡圖

根據通風系統的網路圖，利用風壓平衡定律、風量平衡定律和通風阻力定律建立方程組：

(2)

式中：a1、b1、c1、d1為風機F1特性曲線回歸系數；a2、b2、c2、d2為風機F2特性曲線回歸系數；a3、b3、c3、d3為風機F3特性曲線回歸系數；R1為斜井隔板風道的風阻，kg/m7；R2為左線正洞通風管路的總風阻(含回風正洞)，kg/m7；R3為右線正洞通風管路的總風阻(含回風正洞)，kg/m7；R4為斜井行車通道(回風道)的風阻，kg/m7；R6為隧道進口至斜井井底段正洞左右線的總風阻，kg/m7；Q2為風機F2的風量，m3/s；Q3為風機F3的風量，m3/s；Q6為隧道進口至斜井井底段正洞左右線的總風量，m3/s；Δh為隧道進口與斜井進口的海拔差，m；Δρ為洞內外空氣密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

采用牛頓-拉夫森法求解方程組，求得到Q2、Q3、Q6；然后，再求出風機F1的風量Q1、斜井行車通道(回風道)井底附近的風量Q4、左線正洞作業面Q210和右線正洞作業面Q310。

3.2.1.2 當進口至斜井段正洞風流與自然風壓相反時的分析計算

當進口至斜井正洞中的風流由斜井井底流向進口，與自然風壓相反時，繪制通風系統網絡圖如圖11所示。為簡化計算，將斜井井底的橫通道區域視為1點。

圖11 隔板式通風第3階段(與自然風壓相反時)通風系統網絡圖

根據通風系統的網路圖，利用風壓平衡定律、風量平衡定律和通風阻力定律建立方程組：

(3)

采用牛頓-拉夫森法進行求解，即求得各分支的風量。其他風量和風阻計算方法，與自然風壓一致時相同。

3.2.2 風管式通風分析計算

與第2階段一樣，在第3階段中，計算方法與隔板式通風基本相同，在利用程序計算時，令斜井隔板風道長度為0，將風管長度l20和l30分別增加1個斜井的長度即可。為了方便對比，計算中簡化斜井風管的漏風影響。

4 隔板式與風管式通風計算

4.1 斜井第2階段通風計算

4.1.1 計算參數的選取

1)由于方案中沒有給出隔板風道進風口安設風機的功率，計算時不考慮在隔板風道內安設的風機F1。

2)隔板式通風大、小里程方向風機F2、F3均為2×160 kW的風機，其特性曲線的回歸系數分別為：

a2=a3=-0.103，b2=b3=11.22，c2=c3=-488.2，d2=d3=11 646。

風管式通風小里程方向風機F2為2×185 kW風機，大里程方向風機F3為2×225 kW風機，其特性曲線回歸系數分別為：

a2= 0.043，b2=-11.55，c2= 893.3，d2=-16 479；

a3=0.002，b3=-2.208，c3=243.3，d3=-1 703。

3)在確定通風管路的長度時，出風口到作業面的距離和左右線的正洞間距均按40 m考慮；風管式通風風機到斜井井口的距離也按40 m考慮。

4)空氣密度ρ=0.83 kg/m3。

5)其他計算參數見表3。

表3 斜井第2階段計算參數

4.1.2 計算結果

利用編制的計算程序，根據上述計算參數對隔板式通風方案和風管式通風第2階段最長通風距離時的風機風量、輸出功率及各作業面的風量風速進行計算，計算結果見表4。

表4 第2階段風機風量、輸出功率及各作業面的風量風速

從第2階段的計算結果可以看出，無論是隔板式通風還是風管式通風，各作業面的風速均滿足不小于0.25 m/s的設計要求。

4.2 斜井第3階段通風計算

4.2.1 計算參數的選取

1)本次計算，同樣不考慮在隔板風道內安設的風機F1。

2)隔板式通風風機F2、F3均為2×250 kW的風機,其特性曲線回歸系數為

a2=a3=-0.039，b2=b3=6.022，c2=c3=-337.8，d2=d3=12 993。

風管式通風風機F2、F3均為2×400 kW風機，其特性曲線的回歸系數為

a2=a3=-0.008，b2=b3=-0.368，c2=c3=147.8，d2=d3=2 845。

3)確定通風管路的長度時，出風口到作業面的距離和左右線的正洞間距均按40 m考慮；風管式通風風機到斜井井口的距離也按40 m考慮。

4)空氣密度ρ=0.83 kg/m3，隧道進口與斜井井口的海拔差Δh=431 m，洞內外空氣密度差Δρ=0.079 1 kg/m3。

5)其他計算參數如表5所示。

表5 斜井第3階段計算參數

4.2.2 計算結果

利用編制的計算程序，根據上述計算參數對隔板式通風方案和風管式通風方案第3階段最長通風距離時的風機風量、輸出功率及各作業面的風量、風速進行計算，計算結果如表6所示。

表6 第3階段風機風量、輸出功率及各作業面風量風速

從第3階段的計算結果可以看出：隔板式通風和風管式通風各作業面的風速均滿足不小于0.5 m/s的設計要求。

5 隔板式與風管式通風的耗能對比分析

根據計算結果可以看出：無論是第2階段還是第3階段，2種方案均能滿足各作業面的設計要求。至于哪種通風方式更好，這里主要通過耗能大小進行比較。

由于送到作業面的風量不同，很難進行相對合理的比較，因此，將風機輸出功率統一轉換為作業面風量等于設計需風量時的輸出功率。所選風機均為變頻風機，可以通過調節風機的轉速調節風量，使作業面風量正好等于設計需風量，滿足設計標準，然后計算對應的耗能(簡稱達標耗能)，再進行比較。

同時，將2種通風方式在相同的階段按相同的風機配置。即2種通風方式在第2階段均按2臺2×160 kW風機配置或者均按2×185 kW(小里程方向)和2×225 kW(大里程方向)的風機配置；在第3階段均按2臺2×250 kW風機配置或者2臺2×400 kW的風機配置。

2種通風方式在第2階段、第3階段的達標耗能計算結果見表7—10。

表7 2種通風方式在第2階段均按2臺2×160 kW風機配置情況下的達標耗能計算結果

表8 2種通風方式在第2階段均按2×185 kW+2×225 kW風機配置情況下的達標耗能計算結果

表9 2種通風方式在第3階段均按2臺2×250 kW風機配置情況下的達標耗能計算結果

表10 2種通風方式在第3階段均按2臺2×400 kW風機配置情況下的達標耗能計算結果

從表7—10的計算結果可以算出：當風機配置相同時，第2階段隔板式通風為風管式通風耗能的55%，第3階段隔板式通風為風管式通風耗能的71%。從耗能角度，就上面的風管配置而言，隔板式通風明顯優于風管式通風，這也是隔板式通風被公認為更好的主要原因。

6 斜井風管直徑變化對能耗的影響分析

高原鐵路某隧道斜井上半部分風道的凈空斷面面積為15.2 m2，濕周為17.24 m。若用其占用的空間布置通風管路，根據計算，最大可以布置直徑2.6 m的風管，如圖12所示。

圖12 斜井風管布置斷面示意圖(單位：mm)

在其他情況都不變的情況下，2種通風方式采用相同的風機配置。僅將斜井中的風管直徑依次更換為2.3、2.4、2.5、2.6 m，計算風管式通風對應的達標耗能，結果如表11所示。

表11 不同斜井風管直徑時達標耗能計算

根據表11繪制風管式通風達標耗能隨斜井風管直徑的變化曲線，即達標耗能曲線。第2階段和第3階段達標耗能曲線如圖13—16所示。

圖13 配置2臺2×160 kW風機時風管式通風的達標耗能曲線

圖14 配置2×185 kW和2×225 kW風機時風管式通風的達標耗能曲線

圖15 配置2臺2×250 kW風機時風管式通風的耗能曲線

圖16 配置2臺2×400 kW風機時風管式通風的耗能曲線

由圖13—16可以看出：無論是第2階段還是第3階段，在風機和正洞的風管配置相同的情況下，當風管式通風的斜井風管直徑略大于2.5 m時，風管式通風的耗能就降低到與隔板式通風一樣的水平；繼續增大斜井風管的直徑，就會低于隔板式通風的耗能。

因此，所謂的隔板式通風比風管式通風更節能，并不是通風方式本身造成的必然結果，而是由斜井中的風管配置造成的。

7 結論和建議

7.1 結論

1)隔板式通風和風管式通風2種方案各作業面的風速在第2階段不小于0.25 m/s，第3階段不小于0.5 m/s，均滿足設計要求。

2)當斜井中2根風管直徑為2.2 m時，在風機配置相同情況下，第2階段隔板式通風為風管式通風耗能的55%，第3階段隔板式通風為風管式通風耗能的71%，隔板式通風在耗能方面明顯優于風管式通風。

3)當斜井中2根風管的直徑略大于2.5 m時，風管式通風的耗能與隔板式通風的耗能相當；繼續增大斜井風管的直徑，其耗能就會低于隔板式通風。

7.2 建議

1)隔板式通風的缺點是滿足要求的隔板風道施作成本較高、施作時間較長；優點是風管送風距離短，通風管理難度和對風管質量的要求相對較低。風管式通風的優缺點與隔板式通風正好相反。在類似單斜井雙正洞模式的施工中，到底采用哪種通風方式，施工單位可根據自己的施工能力和通風管理水平自行決定。如果采用隔板式通風，一定要保證隔板風道的施工質量，確保隔板風道不漏風；如果采用風管式通風，一定要采購漏風小的優質風管，同時強化通風管理，確保通風管路平均百米漏風率在0.5%以下，且2根斜井風管的直徑不應小于2.5 m。

2)2種通風方案均存在一定的優化空間，在實施過程中可結合具體情況進行優化，特別是在第3階段可考慮采用巷道式通風。