單線特長鐵路隧道智能化施工通風(fēng)設(shè)備選型研究

摘 要：隨著隧道工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴張，隧道工程的質(zhì)量和技術(shù)水平的標(biāo)準(zhǔn)越來越高。其中，長距離隧道施工的通風(fēng)問題直接影響工地作業(yè)人員的健康狀況，通風(fēng)如果出現(xiàn)問題就會拖慢工程的施工進度。基于此，結(jié)合實際案例，對單線特長鐵路隧道智能化施工通風(fēng)設(shè)備選型進行探究，以瑞梅鐵路隧道施工中的通風(fēng)問題為依托，提出創(chuàng)新的智能化通風(fēng)方案，旨在提高通風(fēng)效率并滿足施工各階段的個性化需求。

關(guān)鍵詞：單線特長鐵路隧道；智能化；通風(fēng)設(shè)備

中圖分類號：U453 " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）12-0117-03

0 引言

隧道施工中，傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計方法可能導(dǎo)致風(fēng)機能效低下。為解決瑞梅鐵路隧道施工中的通風(fēng)問題，本文提出了創(chuàng)新的智能化通風(fēng)方案，旨在提高通風(fēng)效率并滿足施工各階段的個性化需求。

1 工程概況

贛州市瑞金市的贛龍鐵路瑞金站是瑞梅鐵路的起點，該線路橫跨江西省的南部地區(qū)及廣東省的東北部。途經(jīng)會昌縣、安遠縣、尋烏縣，穿越江西與廣東的邊界，進入廣東省梅州市，在梅縣區(qū)和梅江區(qū)接入現(xiàn)有的漳龍鐵路梅州站。江西省境內(nèi)的鐵路段長度為165.231 km。

位于安遠縣的三百山隧道，全長10 189.5 m，是一條設(shè)計最高時速為160 km/h的單軌鐵路隧道，內(nèi)部鋪設(shè)了無砟軌道。隧道的一部分工程總長5 875.5m。該隧道的入口不通公路，因此交通較為不便。為此，設(shè)計了一條平行導(dǎo)向道，位于線路的左側(cè)，全長3 971m，平均坡度為0.585%，并采用了一種能夠錯車的單車道無軌運輸設(shè)計。

2 通風(fēng)量計算

計算基于洞內(nèi)允許的最小風(fēng)速計算如式（1）所示。

Q1=vmin·Smax（m3/s） " " " " " " " " " " " " " " nbsp; " " " " " " " " " "（1）

式中，vmin是為了確保洞內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定所需的最低風(fēng)速，而Smax是指巷道的最大開挖橫截面積。

在洞內(nèi)同一時刻可能存在的最大工作人員數(shù)計算如式（2）所示。

Q2=q×k×m/60（m3/s） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，m取決于是平導(dǎo)還是正洞，分別對應(yīng)30人和60人的工作人員數(shù)量。

對于爆破排煙所需的通風(fēng)量，其計算公式如式（3）所示。

（3）

式中，t為爆破排煙時間，單位是min；A為爆破耗藥量，單位是kg；b為1 kg炸藥有害氣體生成量，單位是L，通常取值40 L；S為巷道斷面積，單位是m2；L為巷道長度或臨界長度；K為考慮淋水使炮煙濃度降低的系數(shù)；P為巷道計算長度范圍內(nèi)漏風(fēng)系數(shù)，其計算公式如式（4）所示。

P=1/（1-1%）Lmax/100 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

所以，P1=1.49；P2=1.40；P3=1.29。

對于稀釋內(nèi)燃機廢氣需風(fēng)量，其計算公式如式（5）所示。

（5）

式中，k為功率通風(fēng)計算系數(shù)，取3.0 m3/min·kW；Ni為某類內(nèi)燃設(shè)備總臺數(shù)；Mi為各臺柴油設(shè)備的額定功率，單位是kW。

在設(shè)計隧道通風(fēng)系統(tǒng)時，采用高流量送風(fēng)方案和柔性風(fēng)管，通過精細控制，將每百米的漏風(fēng)比率平均值控制在0.5%以內(nèi)。但考慮到實際操作中的管理和維護可能會出現(xiàn)疏忽，將每百米的漏風(fēng)比率平均值設(shè)定為1%進行計算，其計算公式如式（6）所示。

Q機=Q/（（1-β）^（L/100）） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中，β為百米漏風(fēng)率平均值，取1%；L為通風(fēng)管長度。

3 智能化通風(fēng)方案及設(shè)備選型確定

3.1 方案一：壓入式集中通風(fēng)方案

在導(dǎo)入洞口約100 m處安裝兩臺軸流風(fēng)機，以引入新鮮空氣并排出污氣，形成循環(huán)氣流系統(tǒng)。在9#橫通道及各施工面附近安裝射流風(fēng)機，增強通風(fēng)效率。隨著9#橫通道轉(zhuǎn)正洞和7#通道施工完成，AF-3軸流風(fēng)機負責(zé)正洞入口通風(fēng)，AF-2軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)移至7#橫通道，AF-1軸流風(fēng)機繼續(xù)為平導(dǎo)遠端提供清新空氣。

各施工面安裝射流風(fēng)機以加速排放污氣。AF-1軸流風(fēng)機為平導(dǎo)及1#橫通道至正洞遠端提供新鮮空氣，6#、5#、3#橫通道施工完成后拆除AF-2軸流風(fēng)機，AF-3軸流風(fēng)機繼續(xù)向正洞遠端送風(fēng)，1#橫通道及施工面安裝射流風(fēng)機加速排污氣。平導(dǎo)和1#橫通道至正洞近端打通后，移除AF-1軸流風(fēng)機，AF-3軸流風(fēng)機繼續(xù)為正洞遠端提供新鮮空氣，給施工面配置射流風(fēng)機提升排風(fēng)效率。施工區(qū)域配有環(huán)境監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)控有害氣體含量并報警[1]。

3.2 方案二：壓入式分散供風(fēng)方案

約100 m進入導(dǎo)洞后，安裝了兩臺軸流式風(fēng)機于導(dǎo)洞入口，其作用是引入清新空氣，同時排出導(dǎo)洞和9號橫通道主洞中的污氣，從而創(chuàng)建一個空氣循環(huán)系統(tǒng)。

1號軸流風(fēng)機持續(xù)向平導(dǎo)大里程方向輸送新鮮空氣，繼續(xù)負責(zé)進口平導(dǎo)的通風(fēng)。9#橫通道轉(zhuǎn)正洞小里程方向出洞、7#通道施工完成后，正洞進口安裝3#軸流風(fēng)機負責(zé)進口正洞的通風(fēng)；2#軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)移接長至7#橫通道，負責(zé)大里程方向的通風(fēng)。

1#軸流風(fēng)機不斷地將清潔空氣輸送至導(dǎo)洞的遠端，以此來保持導(dǎo)洞入口處的空氣流通。當(dāng)9#橫通道接通主洞的短距離部分，以及7#通道施工完畢時，主洞入口處將安裝3#軸流風(fēng)機，以確保主洞入口的空氣流通；此時，2#風(fēng)機將被移動并延長至7#橫通道，以維持遠端的通風(fēng)。

1#風(fēng)機將繼續(xù)為導(dǎo)洞遠端提供清新空氣，同時，隨著3#通道的完工，2#風(fēng)機將被轉(zhuǎn)移到3#橫通道，維護遠端的空氣流通。3#風(fēng)機則不斷為主洞遠端輸送新鮮空氣，保持主洞入口的空氣質(zhì)量。完成1#通道施工后，第二臺風(fēng)機將被轉(zhuǎn)移至1#橫通道，負責(zé)其遠端區(qū)域的空氣流通。而3#風(fēng)機繼續(xù)不斷地向主洞遠端輸送清新的空氣。

當(dāng)1#橫通道與主洞短距離部分打通時，1#和2#軸流風(fēng)機將被拆除。第三臺風(fēng)機會繼續(xù)為主洞遠端輸送清新空氣，直到施工全部完成。在掌子面附近設(shè)置環(huán)境監(jiān)測傳感器，全天候?qū)崟r監(jiān)控洞內(nèi)有毒有害氣體的濃度，一旦超出預(yù)設(shè)的安全范圍即會觸發(fā)報警。風(fēng)機配備智能管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)掌子面的空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)風(fēng)機的運行頻率，有效減少了通風(fēng)的能源消耗[2]。

3.3 方案三：壓入式和巷道式通風(fēng)結(jié)合方案

導(dǎo)洞入口約100 m處安裝了兩臺軸流風(fēng)機，用于空氣循環(huán)，向內(nèi)輸送新鮮空氣并排出污氣。9#橫通道及其至正洞的掌子面位置還配置了射流風(fēng)機，以加速煙氣排放。1#軸流風(fēng)機持續(xù)供應(yīng)導(dǎo)洞深處新鮮空氣，待9#橫通道和7#通道施工完成后，3#軸流風(fēng)機將安裝在正洞入口，2#軸流風(fēng)機移至7#橫通道，進一步加強通風(fēng)，并在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機。

隨著工程推進，1#軸流風(fēng)機繼續(xù)供應(yīng)導(dǎo)洞新鮮空氣，2#軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)至3#橫通道，3#軸流風(fēng)機為正洞深處提供新鮮空氣，在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機。3#橫通道貫通后，3#軸流風(fēng)機拆除，1#和2#風(fēng)機遷至P1DK1+570位置，導(dǎo)洞作為新鮮空氣入口，正洞排污氣，射流風(fēng)機增強排煙[3]。1#橫通道貫通后，2#軸流風(fēng)機拆除，1#軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)至正洞DK127+750位置，正洞作為新鮮空氣進口，導(dǎo)洞排污氣，并在相關(guān)位置增設(shè)射流風(fēng)機以加強排煙[4]。

3.4 選定方案

在評估了幾種通風(fēng)方案后，最終選擇了方案三作為最佳方案。方案一和方案二都是單一的壓入式通風(fēng)，優(yōu)點是施工期間無需移動風(fēng)機，只需延伸管道，操作簡單；但缺點是通風(fēng)距離長，需要高功率風(fēng)機，能耗高。而方案三結(jié)合了壓入式和巷道式通風(fēng)，能顯著減少通風(fēng)距離，使用低功率風(fēng)機，降低能耗。盡管移動風(fēng)機有一定困難，但在風(fēng)管長度和電能使用上，方案三是最經(jīng)濟的選擇，需9 842 m風(fēng)管和72.60萬度電，遠低于其他方案。

三百山隧道采用方案三，即結(jié)合壓入式和巷道式的智能化通風(fēng)系統(tǒng)，分五個階段進行。前三個階段使用壓入式通風(fēng)，后兩個階段采用巷道式通風(fēng)[5]。將環(huán)境監(jiān)測傳感器安裝在掌子面附近，24 h監(jiān)控有害氣體，并在超出安全范圍時發(fā)出警告。風(fēng)機的智能管理系統(tǒng)將根據(jù)實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)調(diào)整風(fēng)量，最大程度減少能源消耗[6]。

3.5 選定方案通風(fēng)量計算

第一，基于洞內(nèi)允許的最小風(fēng)速所需的風(fēng)量（Q1）。采用公式（1）計算可得Q1為15 m3/s。

第二，基于作業(yè)人員所需的風(fēng)量（Q2）。平導(dǎo)工作人員數(shù)量（m）為 30 人，正洞工作人員數(shù)量（m）為 60 人，每人每分鐘所需新鮮空氣量（q）為 3 m3/min。采用公式（2）計算可得Q2為1.5 m3/s。

第三，基于爆破排煙所需的通風(fēng)量（Q3）。采用公式（3）計算可得通風(fēng)量統(tǒng)計表如表1所示。

第四，基于稀釋內(nèi)燃機廢氣需風(fēng)量（Q4）。掌子面機械設(shè)備功率為315.3 kW，采用公式（4）計算可得Q4為15.765 m3/s。

第五，基于漏風(fēng)情況的風(fēng)機出口風(fēng)量（Q機）。風(fēng)量取最大值Q4計算風(fēng)機出口需風(fēng)量，百米漏風(fēng)率平均值 （β） 為 1%。計算結(jié)果如式（7）所示。

Q機1=Q4/（（1-β）^（L/100））=23.5 m3/s

Q機2=Q4/（（1-β）^（L/100））=22.0 "m3/s " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（7）

Q機3=Q4/（（1-β）^（L/100））=20.3 m3/s

因此，1#風(fēng)機出口需風(fēng)量為 23.5 m3/s，2#風(fēng)機出口需風(fēng)量為 22.0 m3/s，3#風(fēng)機出口需風(fēng)量為 20.3 m3/s。

3.6 選型

對風(fēng)機的選擇決定采用“UVT萬泰”品牌，具體型號為1號風(fēng)機TV-2*14#110 kW（最遠通風(fēng)距離3 971 m）、2號風(fēng)機TV-14#110 kW（最遠通風(fēng)距離3 331 m）和3號風(fēng)機TV-14#110 kW（最遠通風(fēng)距離2 540 m）。UVT風(fēng)機與普通國產(chǎn)風(fēng)機數(shù)據(jù)對比如表2所示。這些風(fēng)機因其節(jié)能變頻特性和對人為因素的不依賴而被選中[7]。UVT風(fēng)機的電耗通常是國內(nèi)變頻風(fēng)機的60%，是國內(nèi)三速風(fēng)機的40%，具有顯著的節(jié)能效果。

以隧道斷面80 m2，回風(fēng)速度0.25 m/s，風(fēng)管直徑1.6 m為例，UVT風(fēng)機的功率為2×110 kW，而國產(chǎn)風(fēng)機需要2×160 kW，UVT風(fēng)機可以節(jié)省100 kW的裝機功率。使用UVT萬泰智能化通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)計施工能耗為64萬度電，相比國產(chǎn)變頻風(fēng)機可節(jié)省176萬度電。

UVT萬泰基于研發(fā)、設(shè)計、制造等一系列優(yōu)勢，軸流風(fēng)機通常保證在全壓測試下工作效率不低于84%，而國內(nèi)同類產(chǎn)品實測效率約為60%～70%。通過變頻調(diào)速和高效率風(fēng)機，可以在施工通風(fēng)過程中能耗低，節(jié)約大量電費。

在考察了各個作業(yè)面的空氣流量時發(fā)現(xiàn)：距離第1#風(fēng)機最遠的最優(yōu)工作點的流量是18.6 m3/s，超出了15.765 m3/s的目標(biāo)。第二號風(fēng)機在相同條件下的流量是19.12 m3/s，亦超過了目標(biāo)值。第三號風(fēng)機則有17.21 m3/s的流量，依舊高于目標(biāo)。這些數(shù)據(jù)表明成功達到了既定的通風(fēng)要求。

4 結(jié)束語

本研究通過分析并應(yīng)用科學(xué)方法，勇于創(chuàng)新，選擇了智能化通風(fēng)設(shè)備，并采納了壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)等多項技術(shù)措施，成功解決了超長隧道通風(fēng)的難題，并提升了其效果。此次經(jīng)驗對未來類似工程的施工不僅提供了參考，也積累了寶貴的施工經(jīng)驗。

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