平行导坑超前多作业面平行施工通风节能技术研究

赵军喜

(中铁隧道集团技术中心，河南洛阳 471009)

0 引言

隧道施工通风是指在隧道施工过程中利用流体机械或自然风压为动力，使地面空气进入施工隧道内，并在施工隧道内做定向和定量流动，为隧道施工作业场所送入新鲜风、排出有害气体和粉尘、调节隧道内热湿环境的全过程。在隧道施工过程中，施工通风是制约施工进度、影响经济效益的重要因素，良好的通风布置和管理不仅能有效改善隧道内的作业环境，提高作业效率，同时还能降低通风能耗，节约成本。

在相关的研究中:文献［1］应用气体流动的能量方程建立了公路长隧道平行导坑通风的计算模式，对其基本作用力和阻力调节进行了分析;文献［2］介绍了隧道施工射流通风中进入隧洞风量的计算方法，并结合具体算例分析研究了射流风机位置及局扇对进洞风量的影响等问题;文献［3］为解决斜井进入正洞以后通风难度大，通风效果较差的难题，引入了单斜井双正洞射流通风技术;文献［4］对关角隧道施工通风斜井分隔技术进行了介绍;文献［5］从隧道气候3要素(温度、湿度和风速)入手，对比分析了国内外与隧道施工环境舒适性相关的标准和规范，重点分析了隧道气候3要素对隧道施工环境舒适性的影响，总结提出了隧道施工环境舒适性建议标准，并对隧道施工环境舒适性检测与评价方法进行了比较，确定了合理的检测与评价方法，同时提出了隧道施工环境舒适性的主要调控方法。

虽然以上文献对平行导坑通风计算、射流风机的安装位置以及隧道内作业环境舒适性等进行了研究，但是随着电子技术的不断进步和节能环保要求的不断提高，有必要进一步对平行导坑超前多作业面平行施工通风的节能技术进行研究，以提高隧道施工通风水平。

本文依托贵广客运专线三都隧道，对进口工区施工通风方案及通风设备选型的合理性和节能控制技术进行研究分析，以实现通风方案的优化和通风设备的节能。

1 工程概况

三都隧道位于贵州省黔南州都匀市境内，全长14 598 m，最大埋深约600 m。隧道进口沿前进方向左侧设有平行导坑，距离正洞30 m，长2 270 m，设4个横通道与隧道相连。其运输为无轨运输。

2 通风方案的合理性及节能研究

三都隧道进口施工开挖采用平导超前、通过横通道增开正洞工作面的施工方法。风管压入式通风不适用的原因是:正洞和平导作业面需风量大，风管的直径大，平导断面不能满足多趟风管的布置，且压入式通风耗电量大。混合式不适用于无轨运输。因此，必须采用主扇通风或射流通风来解决通风问题。三都隧道进口工区的施工通风共分为4个阶段，难度最大的是第2阶段。以第2阶段的通风方案进行分析比较。

2.1 射流巷道通风方案

在第2阶段，隧道的二通和三通与正洞和平导贯通，此时平导超前开挖，在正洞形成2个开挖工作面，平导有1个开挖工作面，需要3个管路分别向3个掌子面送风，形成射流巷道式的通风。其通风系统布置见图1。

经计算，第2阶段通风设备配置见表1。

图1 第2阶段施工通风系统布置示意图Fig.1 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

表1 射流巷道式第2阶段通风设备配置表Table 1 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

2.2 采用主扇通风方案

根据原设计的通风方案，采用主扇通风时，第2阶段需要的新风量最大。其通风布置见图2。

经计算比选，第2阶段通风设备配置见表2。

2.3 射流巷道式和主扇式通风方案技术经济比较

2.3.1 技术方面

从技术上讲，射流通风和主扇通风2种方法都是可行的。射流巷道通风是在华蓥山公路隧道创造的新方法，是通过射流风机把新风从平导引入，污浊空气从正洞排出，各开挖作业面送风的局扇放置在新鲜风流中，通过局扇和软风管为其送风，射流风机安装方便、灵活，阻力小。主扇通风是在平导旁边修建送风道，建主扇房，安装大功率通风机，同时在平导口安装自动风门，以防止漏风，但影响平导交通。通过主扇经平导压入新风，污风从正洞排出，各开挖作业面需要的新风由放在平导新风内的局扇通过软风管送入。射流巷道式通风的先进性很明显。

2.3.2 经济方面

采用射流通风和主扇通风时，其局扇的功率和软风管数量及直径都是一样的。采用射流通风时，其射流风机的总功率仅仅为110 kW，如采用主扇通风，其功率为330 kW，采用射流通风比采用主扇通风电机功率节省220 kW，仅此一项1年节省电费154.18万元，射流巷道通风更经济、节能。

图2 主扇通风第2阶段通风布置示意图Fig.2 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

表2 主扇通风式第2阶段通风设备配置表Table 2 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

射流通风与主扇通风所用风机功率和风管数量对比见表3。

表3 射流通风与主扇通风对比Table 3 Comparison and contrast between jet flow gallery ventilation mode and main fan ventilation mode

3 通风设备节能研究

在隧道施工过程中，不同的施工工序所需要的风量是不同的，如出渣、喷浆作业需要的风量大，打钻、支护作业需要的风量相对要小，而风机出口风量往往是按隧道内最大需风量来设计的。各工况需风量统计见图3。

图3 各工况需风量统计Fig.3 Quantities of air needed under different construction conditions

在隧道施工过程中，风机连续运行，造成电能大量浪费。采用隧道施工通风自动控制系统，运用模糊PID控制与变频调速技术控制交流异步电动机的输入频率，以隧道掘进工作面有害物质浓度与作业环境温度等为控制对象来控制风机转速，实现掘进工作面风量的闭环控制，在保证隧道施工作业需风要求的情况下可有效节约能源。掘进工作面风量自动控制系统见图4。

图4 掘进工作面风量自动控制系统Fig.4 Air quantity automatic control system

3.1 节能原理

根据流体力学理论［6］，对于同一台风机，当风机转速有n1改变为n2时，风机的风量、风压、功率与转速的比例关系为:

式中:n1，n2为通风机调节前后的转速，r/min;H1，H2为通风机转速调节前后的风压，Pa;N1，N2为通风机转速调节前后的功率，kW。

由以上的比例关系，可以看出，风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的输入功率，达到节省电能的目的。

3.2 施工通风自动控制系统的结构及风量控制模式

各作业工序需要的风量大致为打眼装药120 m3/min，放炮排烟 250 m3/min，初喷 350 m3/min，出渣654 m3/min，初期支护350 m3/min。出渣运输作业所需风量最大。隧道施工通风自动控制系统结构如图5所示，系统由隧道通风机、自动控制柜、信号传输系统、传感器组成。传感器是用来实现对作业面相关参数的不间断监测，信号传输线是用来把传感器所监测到的信息传输给自动控制柜，自动控制柜根据监测数据自动控制通风机的转速，从而控制风量的大小，以此来达到根据作业面监测数据自动调节通风机风量的目的。系统配置时，自动控制柜布置在风机附近，PLC及扩展模块、变频器、光端机以及电度表均设置在自动控制柜内;CO传感器、粉尘传感器、O2传感器及NO2传感器布置在掌子面附近，风速传感器设置在风管内距离出风口10 m处，传感器通过光纤与自动控制柜连接;上位机监控系统布置在洞外监控室，并通过过程现场总线与自动控制柜连接。

图5 三都隧道自动控制通风系统布置示意图Fig.5 Layout of automatic-controlled ventilation system of Sandu tunnel

4 通风效果分析

三都隧道进口工区平导采用射流巷道通风方式和自动控制通风系统，不仅取得了很好的通风环境效果，而且也取得了良好的经济社会效益。图6为自动控制系统的相关设备。在试验过程中，选择一个施工循环进行分析。其施工工序为:8:10放炮—8:25开始出渣—10:55出渣结束、开始初期支护—12:55开始喷浆—13:25开始打钻—15:25循环结束。根据监控系统采集的风速、粉尘浓度、CO浓度、氮氧化物浓度和O2浓度的变化绘制成曲线，如图7—11所示。

图6 自动控制系统设备图Fig.6 Equipment of automatic control system

由图7—11可以看出，除了放炮后存在短时间的CO浓度超标外，其他时间段未出现任何有害物质浓度的超限、O2浓度不足的情况，在炮后15 min内将CO浓度降到了规范允许值以内。出渣阶段，由于内燃机械的运转，氮氧化物浓度起控制作用，变频器频率一直保持在50 Hz的运行状态。出渣结束进入初期支护阶段时，各有害物质浓度明显降低，变频系统输出频率也相应降低，直到喷浆阶段，系统检测到粉尘浓度呈快速上升趋势后，变频系统输出频率又上升到50 Hz的运行状态。喷浆结束后到打钻阶段，粉尘浓度逐渐下降，各有害物质及O2浓度均为达标状态，输出频率逐渐降到44 Hz，并一直以该频率运转直至该班结束。在整个开挖循环时间内，有近40%的时间段系统以较低频率运行。

期间对平导耗电量进行了统计，未采用自动控制通风系统时48 h内耗电量为3 232 kWh，采用自动控制通风系统48 h内耗电量为2 706 kWh。可见，采用自动控制通风系统时节省耗电量526 kWh，节能效率达 16.3%。

图11 O2浓度随时间变化的曲线Fig.11 Oxygen concentration VS time

5 结论与建议

在辅助导坑条件下多作业面平行施工时，通风问题往往是影响正常施工的一个主要问题，采用射流巷道式通风方法能有效地解决其通风问题;采用施工通风自动控制系统，实现了隧道施工作业面新鲜风量的自动调节，可有效地节约电能，提高经济效益。数据传输采用有线传输受隧道检底，对衬砌段的影响较大，建议对数据无线传输作进一步研究，以消除有线传输的弊端。

［1］曾艳华，关宝树.平行导坑通风计算的研究［J］.中国公路学报，2002(3):75 － 77，81.(ZENG Yanhua，GUAN Baoshu.Research on computation of parallel heading ventilation［J］.China Journal of Highway and Transport，2002(3):75 －77，81.(in Chinese))

［2］杨立新.隧道施工通风中射流风机位置对风量的影响［J］.铁道工程学报，2004(4):85 －89.(YANG Lixin.Control of air flow passing through cross tunnels for jet ventilation in tunnel construction［J］.Journal of Railway Engineering Society，2004(4):85 －89.(in Chinese))

［3］ 肖元平，杨立新.单斜井双正洞施工通风技术研究［J］.隧道建设，2012，32(3):296 －301.(XIAO Yuanping，YANG Lixin.Ventilation technology for twin-tube tunnel accessed from one single inclined shaft［J］.Tunnel Construction，2012，32(3):296 －301.(in Chinese))

［4］罗占夫，职常应，乐晟.关角隧道施工通风斜井分隔技术研究［J］.隧道建设，2009，29(4):411 －414.(LUO Zhanfu，ZHI Changying，YUE Sheng.Study on partition technology of ventilation inclined shaft in Guanjiao railway tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):411 －414.(in Chinese))

［5］李永生，杨立新，苟红松.隧道施工环境舒适性研究［J］.隧道建设，2012，32(6):806 －810.(LI Yongsheng，YANG Lixin，GOU Hongsong.Analysis on comfort property of working environment in tunnels［J］.Tunnel Construction，2012，32(6):806－810.(in Chinese))

［6］ 张国枢.矿井实用通风技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1992.