甘姆奇克隧道施工通风测试研究

张忠爱， 熊文安， 敬桂蓉

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123； 2. 中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州 450000；3. 广元市利州中等专业学校， 四川 广元 628000)

甘姆奇克隧道施工通风测试研究

张忠爱1， 熊文安2， 敬桂蓉3

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123； 2. 中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州 450000；3. 广元市利州中等专业学校， 四川 广元 628000)

为检测隧道通风系统的通风效果，掌握通风设备的基本情况，为后期通风系统优化和调整提供正确的设计参数，对甘姆奇克铁路隧道进口工区进行通风系统测试及隧道内作业环境检测。检测及测试结果表明甘姆奇克隧道进口工区系统维护较好，通风效果良好。

甘姆奇克隧道； 施工通风； 通风系统； 作业环境； 测试

0 引言

隧道施工通风是隧道作业人员的生命线，其重要性毋庸置疑。近年来，随着工业生产技术的进步，隧道施工通风取得了较大进步。在相关研究中： 杨立新等[1]对当前隧道施工通风技术进行了全面归纳和总结；苟红松等[2-3]对高海拔地区隧道施工通风风量计算、风机选型及对隧道施工通风分风三通位置选择进行了研究；罗占夫等[4]对特长隧道独头通风技术进行了研究;刘石磊等[5]对瓦斯隧道施工通风情况下掌子面区域瓦斯质量浓度分布情况进行了研究;孙振川等[6]对长距离隧道施工通风设备配置选型进行了经济性对比分析；李永生[7]对射流通风方式的应用进行了分析研究；谭信荣等[8]对钻爆法施工隧道空气质量现场测试；王奇等[9]对风景区隧道施工粉尘对大气环境的影响程度进行了评价研究。

目前施工通风方面的研究主要集中在隧道施工通风方案和通风设备研究，但对于通风系统测试的介绍较少。通风机是隧道施工中的重要固定设备，它担负着向井下输送新鲜空气﹑排除有害有毒气体﹑创造良好生产环境﹑确保施工安全的重任。由于风机出厂时的运输﹑安装以及现场使用时增加的风管、弯头等附属设施，还有风机在使用过程中长期运转的磨损、锈蚀和现场对风机的加工改造等因素的影响，使得隧道通风机实际特性曲线与通风机出厂时生产厂家提供的风机样本特性曲线有较大差异，风机运行工况点与通风设计存在一定的偏差。为了保障通风系统能长期稳定、安全、合理地运转，有必要对隧道施工通风系统定期进行测定工作，以便及时测定出通风机装置的实际工况，为调整隧道通风方案、提高通风机装置效率提供依据。

本文以乌兹别克斯坦甘姆奇克隧道为背景，对钻爆法施工隧道通风系统测试及洞内作业环境检测进行深入分析。

1 工程概况

甘姆奇克隧道为单线电气化铁路隧道，主隧道长度为19.3 km，同时修建与主隧道平行的安全隧道(长19.3 km)。主隧道与安全隧道中心距为29 m，之间采用联络通道连接，联络通道间距300 m。2014年4月在进行通风检测时，发现当前进口工区正洞采用SDF(C)-11.5(75×2 kW)风机匹配φ1.6 m风管向开挖面送风，送风距离约770 m； 安全洞采用SDF(C)-11(55×2 kW)风机匹配φ1.4 m风管向开挖面送风，送风距离约1 050 m，且2条隧洞均采用独头压入式通风。进口工区通风布置示意图如图1所示。

图1 进口工区通风布置示意

2 通风系统测试

隧道施工通风设备主要是通风机和通风管，通风机是通风系统的动力源，通风管是通风系统的风流通道。通风系统的测试主要为风机性能参数测试和风管性能参数测试。风机性能的主要参数是风量Q、风压H、风机轴功率P和效率η等。风管的性能指标主要是百米漏风率、百米风阻、摩擦因数(达西因数)、耐压性能和直径变化率等。

2.1 大气物理参数测算

为了准确地计算测试结果，需要对测试环境的大气物理参数进行测定，采用空盒压力计测定大气压力p、福禄克F971温湿度计测定气温t和相对湿度φ，根据测试值计算空气的密度

(1)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；p为大气压力，Pa；T为热力学温度，K；φ为相对湿度，%；psat为大气温度为t时的饱和蒸汽压力，Pa。

2.2 通风机参数测定

用调节风阻的方法来获得风机的不同工况。通常在风管的出风口接1节铁风筒并安设调节闸板，调节闸板用来改变通风机工况点；对于软风管也可以用细绳结扎风筒来改变风阻。一般情况下，每台通风机做8—12测点，即可绘出完整的特性曲线，曲线驼峰附近工况点要加密。通风机在风阻最小时启动，然后风阻由小逐步增大。

2.2.1 风压测定

风机全压测量断面应布置在风机的出口，但因出口风流极不稳定，测压断面布置在出口5倍风管直径处。该处风流虽然未完全稳定，但通过在该断面上增加测点个数，取平均值，理论上也比较接近该断面上的相对全压，加上风机出口至测点断面的阻力损失计算值即得到通风机的工作全压。采用多功能差压仪配合L型毕托管检测风机出口全压。多功能差压仪如图2所示。φ4 mm×1 500 mm L型毕托管如图3所示。

图2 多功能差压仪

图3 φ4 mm×1 500 mm L型毕托管

Fig. 3 L-shaped Pitot tube with diameter of 4 mm and length of 1 500 mm

2.2.2 风量测算

测风方法与测风断面选择会直接影响风量测定精度。由于隧道施工通风中，风机布置在施工现场，故本次测试采用测定动压计算风量。

相关研究表明，在风机出口位置，风流以螺旋状高速流出风机，造成风机出口风管相当长度的范围内风流不稳定，故将测风断面等分成若干个小面积环，在每个小面积环上布置测点，用毕托管和差压仪测各点的动压，求断面的平均风速，然后求算风量。本次测定时采用各点分别测定法，即用1台差压仪依次测各点的动压，以避免采用多点联合测定法时，需大量连接胶皮管，测定比较繁琐，影响现场施工。

采用分别测定法测出各点动压hvi后，按下式求断面平均风速。

(2)

式中：vm为测风断面的平均风速，m/s；hvi为测点动压；n为测点数；ρ为空气密度，kg/m3。

风机风量

Qf=Avm。

(3)

式中：A为测风处断面积，m2；vm为平均风速，m/s。

2.2.3 风机转速测定

在风机性能试验中,常用电动机的额定转速来代替叶轮转速,这样处理显然存在很大的误差(特别是在风机偏离额定工况运行时)，最终造成风机性能分析及性能曲线绘制的极大误差； 所以在性能测试时，非常有必要对风机转速进行测定。但由于施工通风机的电机和通风机叶轮安装在一个整体机壳，风机叶轮轴不外伸，不能采用转速计进行直接测定，所以采用叶尖脉动压力法测定风机转速。其原理是在叶片叶尖机壳处钻一个直径2 mm左右的小孔,布置气压测点,测定叶轮旋转时叶片与空气质点周期性的作用,引起的空气压力脉动。脉动的频率是叶片每秒钟打击空气质点的次数,它与叶片数和叶轮转速有关。

n=60f/Z。

(4)

式中：n为风机转速，r/min；f为空气波动频率，s-1；Z为叶片数。

2.2.4 功率测定

用三相电力分析仪测出电动机输入功率Pm，通风机轴功率

P=Pmηmηtr。

(5)

式中：ηm为电动机效率，直接测定或根据电动机曲线查得；无性能曲线时，在0.9～0.94间选取，大功率电动机取大值；ηtr为传动效率，直连传动取1。

三相电力分析仪如图4所示。三相电力分析仪接线方法如图5所示。现场测试照片如图6所示。

图4 三相电力分析仪

2.2.5 噪声及振动测定

用声级计测风机噪声，检测方法和限值应该符合JB/T 8690—2014《通风机 噪声限值》的规定；用测振仪测风机振动，检测方法和限值应该符合JB/T 8689—2014《通风机振动检测及其限值》的规定。

图5 三相电力分析仪接线方法

图6 现场测试照片

2.2.6 效率计算

通风机装置效率

(6)

式中：Hf为风压，Pa;Qf为风量，m3/min；P为通风机的轴功率，kW。

2.2.7 数据整理和特性曲线的绘制

1)根据测定的原始记录计算测试条件通风机装置的风压Hs′或全压Ht′、风量Q′、轴功率P′。

2)把1)所得之参数换算至标准状态下的参数H、Q、P，为此需要计算下列校正系数。

①转速校正系数

(7)

式中：n0为通风机铭牌转速，r/min；ni为i工况时的转速，r/min。

②空气密度校正系数

(8)

式中： 1.2为在标准条件下的空气密度，kg/m3；ρi为i工况时的空气密度，kg/m3。

③计算校正后的H、Q、P：

Hi=Hi′·kρikni2；

Qi=Qi′kni；

Pi=Pi′·kρikni3。

(9)

3)根据校正计算后的数据，以Q为横坐标，H、P、η分别为纵坐标，将与Qi相对应的点Hi、Pi、ηi描在图上，即可得各个工况点，然后用光滑的曲线将各参数连接起来，便是通风机在标准状态下的个体特性曲线。

2.3 通风管参数测定

在隧道独头施工中，一般采用柔性正压风管进行通风，将新鲜空气送到施工作业面，把有害气体和烟尘等有害物质从工作面排出，以保证良好的作业环境，满足施工的需要[10-11]。通风管测定主要是测定通风管的阻力系数、测算出不同压力和不同形式接头情况下的漏风率、接头风阻和百米风阻，以供施工通风设计、优化时采用，并为合理使用风筒和加强施工通风管理提供可靠的技术资料。

2.3.1 测定系统和测定仪表

布置方式如图7所示。差压仪1—2台；毕托管2—3支；干、湿球温度计和空盒气压计各1台；2 m钢尺1把；胶皮管等。风管性能测定布置方式如图7所示。

图7 风管性能测定布置方式

2.3.2 风量测算

由于通风管存在漏风，故应分别在测段的两端A、B2断面上布置测点。测风断面应选择在风流稳定的区域，避免在风管拐弯、变径等流场突变的位置设置测点。一般采用测定动压hvi计算风速vi。

2.3.3 通风管参数的计算

1)通风管的有效风量率

(10)

2)A、B测定断面间通风管的漏风率

(11)式中：β为百米漏风率平均值；Qf为风机供风量，m3/min；Q0为管路末端风量，m3/min；L为管路长度，m。

3)若风管不是水平放置的，要测定AB段阻力，可分别测定A、B2断面中心点的相对静压hA、hB，或用胶皮管直接测定AB段的静压差hAB，测段通风阻力

hRAB=hA-hB+hVA-hVB=hAB+hVA-hVB。

(12)

式中hVA、hVB为A、B断面的平均动压，Pa。

当漏风分布均匀时，AB段总风阻

(13)

式中QA、QB为A、B断面的风量，m2/s。

4)包括摩擦阻力和接头局部阻力在内的风筒百米风阻

(14)

式中LAB为AB段风管长度。

5)通风管百米摩擦阻力(包括接头)系数

(15)

式中d为风管直径，m。

2.4 测定结果分析

根据现场测试及计算，风机测试结果如表1所示。

表1 风机测试结果表

根据现场测试，正洞SDF(C)-11.5(75×2 kW)风机实测工况点为1 687.0 m3/min、1 177.1 Pa； 根据风机样本曲线的计算工况点为1 875 m3/min、1 515 Pa。安全洞SDF(C)-11(55×2 kW)风机实测工况点为1 314.0 m3/min、2 000.9 Pa； 根据风机样本曲线的计算工况点为1 452 m3/min、2 492 Pa。安全洞风机样本曲线与实测工况点如图8所示。正洞风机样本曲线与实测工况点如图9所示。可以看出，2台风机的实测工况点都比根据样本曲线计算的工况点略低，其中风量偏差为10%左右，风压偏差则为15%～18%。测试表明2台风机的效率分别为67.1%和63.6%，其中正洞风机运行效率略高。

图8 安全洞风机样本曲线与实测工况点

Fig. 8 Curves of static pressure vs. air volume gained from sample test and field test in safe tunnel

图9 正洞风机样本曲线与实测工况点

Fig. 9 Curves of static pressure vs. air volume gained from sample test and field test in main tunnel

根据现场测试及计算，得出正洞和安全洞不同管段的漏风情况如图10所示。正洞和安全洞内布置的通风管百米漏风率大于1.5%，但未超过2%，维护较好，但仍需加强维护和管理。从不同管段的漏风率分布情况可以看出，靠近风机出口段漏风较大，而靠近开挖面附近的管段漏风率最大，通风管理时应该加强这2部分管段的管理，及时修复和更换破损管路。风管内风量变化如图11所示。风管内压力变化情况如图12所示。2趟风管内的风量和风压变化情况接近于线性分布规律，未出现较大幅度的变化，说明通风管路的维护较好，不存在较大的漏风情况或者局部阻力较大的情况。根据计算，正洞的百米风阻R100为0.179 9～0.193 7 N·S2/m8，安全洞的百米风阻R100为 0.429 8～0.464 7 N·S2/m8；正洞内风管的百米摩擦阻力(包括接头)因数为0.29～0.31，安全洞内风管的百米摩擦阻力(包括接头)因数为0.31～0.38。

图10 不同管段漏风率情况

3 隧道内作业环境检测

根据TZ 204—2008《铁路隧道工程施工技术指南》规定，隧道施工作业环境应达到以下标准。

1)隧道中氧气含量按体积分数计不得小于20%。

2)粉尘最高容许质量浓度： 空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg/cm3； 空气中含有10%以下游离二氧化硅的粉尘质量浓度为4 mg/cm3。

3)有害气体最高允许质量浓度： ①一氧化碳最高容许质量浓度为30 mg/m3，在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，质量浓度可为100 mg/m3，但工作时间不得超过30 min；②二氧化碳，按体积分数计不得大于0.5%；③氮氧化物(换算成NO2)为5 mg/m3以下。

4)隧道内气温不得大于28 ℃。

5)隧道内噪声不得大于90 dB。

6)隧道施工通风的风速，全断面开挖时不应小于0.15 m/s，在分部开挖的坑道中不应小于0.25 m/s。

根据GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》规定，SO2质量浓度应低于10 mg/m3，硫化氢最高允许质量浓度为10 mg/m3。

图11 风管内风量变化情况

图12 风管内压力变化情况

现场检测时首先对洞内关键作业区域进行了检测，然后对开挖面有害物质进行了炮后连续检测。检测按照参照GBZ/T 159—2004《工作场所空气中有害物质监测的采样规范》进行采样。环境检测仪器见表2，洞内关键作业区域检测结果见表3。

表2 环境检测仪器

表3 洞内关键作业区域检测结果(2014年)

根据洞内关键作业区域的检测结果可以看出, SO2、H2S和CO2质量浓度均未超过规范规定限值，O2质量浓度也未出现质量浓度不达标情况； 故只对开挖面区域的CO质量浓度，NOx质量浓度和粉尘质量浓度进行了连续检测。其中粉尘质量浓度为2 min采样测试结果的平均值。

正洞开挖面有害物质连续检测情况如图13所示，安全洞开挖面有害物质连续检测情况如图14所示。

(a) CO (b) NOx (c) 粉尘

(a) CO

(b) NOx

(c) 粉尘

Fig. 14 CO, NOxand dust monitoring results on excavation face of safe tunnel

图13和图14检测结果表明，爆破后有害物质质量浓度随着扩散的影响和通风后的对流置换作用影响迅速降低，在10～15 min内能有效排出有害气体和粉尘，说明当前的作业面通风效果良好，通风布置是可以满足通风需要的，通风设计是合理的。

4 结论与建议

1)对甘姆奇克隧道通风系统的测试表明： 通风机工况测试能有效反映通风机的实际状况，能为优化通风方案设计提供有效技术参数；通风管漏风测试能准确反映隧道施工通风的管理状况，也能为其他项目的方案设计提供参考。

2)根据通风机工况测试表明，通风机的实测工况要低于风机样本曲线的的计算值，其中风量偏差为10%左右，风压偏差为15%～18%，在通风设计时应考虑一定的裕度系数。

3)不同管段的漏风率测试结果表明，靠近风机出口段漏风较大，而靠近开挖面附近的管段漏风率最大，通风管理时应该加强这2部分管段的管理。

4)目前隧道通风系统测试缺乏相关技术指南，有待进一步深入研究。

[1] 杨立新， 洪开荣， 刘招伟， 等. 现代隧道施工通风技术[M]. 北京： 人民交通出版社，2012. YANG Lixin, HONG Kairong, LIU Zhaowei, et al. Modern tunnel construction ventilation technology[M]. Beijing: China Communications Press， 2012.

[2] 苟红松，李永生，罗占夫. 高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型研究[J]. 隧道建设, 2012, 32(1): 53. GOU Hongsong, LI Yongsheng, LUO Zhanfu.Study of air volume calculation and fan selection for tunneling ventilation in plateau area[J]. Tunnel Construction, 2012, 32(1): 53.

[3] 苟红松, 吴元金, 李永生， 等. 隧道施工通风分风三通位置选择研究[J]. 隧道建设, 2016,36(4): 384. GOU Hongsong， WU Yuanjin， LI Yongsheng, et al. Selection of location of ventilation T-junction in tunnel construction[J]. Tunnel Construction, 2016,36(4): 384.

[4] 罗占夫， 肖元平. 南水北调西线隧洞独头通风14 km方案研究[J]. 隧道建设, 2011, 31(增刊1): 354. LUO Zhanfu, XIAO Yuanping. Case study of ventilation for 14km-long single-direction tunneling on west route of South-to-North water transfer project[J]. Tunnel Construction, 2011, 31(S1): 354.

[5] 刘石磊, 杨高华, 尹龙. 高瓦斯隧道工作面甲烷传感器布置研究[J]. 隧道建设, 2012, 32(6): 827. LIU Shilei, YANG Gaohua, YIN Long. Study of layout of methane sensors at working face of tunnels with high gas concentration[J]. Tunnel Construction, 2012,32(6): 827.

[6] 孙振川, 苟红松. 隧道长距离独头施工通风设备选型探讨[J]. 隧道建设, 2014,34(5): 408. SUN Zhenchuan, GOU Hongsong. Comments on equipment selection for ventilation during long-distance dead-end tunneling[J]. Tunnel Construction, 2014,34(5): 408.

[7] 李永生. 射流通风技术在圆梁山隧道施工中的应用与发展[J]. 现代隧道技术, 2004(3): 48. LI Yongsheng. Jet ventilation technique applied and developed in Yuanliangshan Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2004(3): 48.

[8] 谭信荣, 陈寿根, 周泽林. 钻爆法施工隧道空气质量现场测试[J]. 地下空间与工程学报, 2016(2): 567. TAN Xinrong，CHEN Shougen，ZHOU Zelin. Air quality field testing in tunnel construction with the drilling and blasting method[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016(2): 567.

[9] 王奇,王志杰. 风景区隧道施工粉尘对大气环境影响评价研究[J]. 水利与建筑工程学报,2016(5): 155. WANG Qi, WANG Zhijie. Atmospheric Impact evaluation for tunnel construction dust in scenic area[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2016(5): 155.

[10] 陈红超.长距离引水隧洞TBM施工通风数值模拟[D]. 天津： 天津大学，2007. CHEN Hongchao. Numerical simulation of TBM construction ventilation in long diversion tunnel[D]. Tianjin: Tianjin University,2007.

[11] 朱齐平， 刘进志， 赖涤全. 特长隧洞TBM施工通风系统设计[J]. 现代隧道技术，2007，44(4): 50. ZHU Qiping, LIU Jinzhi, LAI Diquan. Ventilation system design for TBM bored super long tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2007，44(4): 50.

Experimental Study of Construction Ventilation of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan

ZHANG Zhongai1, XIONG Wenan2, JING Guirong3

(1.TheFirstEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;3.GuangyuanLizhouSecondarySpecializedSchool,Guangyuan628000,Sichuan,China)

The experiment and test are carried out for ventilation system at entrance section and working environment of Qamchiq Railway Tunnel so as to test the ventilation effect of ventilation system, learn the basic knowledge of ventilation equipments and provide correct design parameters for optimization and adjustment of ventilation system. The results show that the ventilation effect and ventilation system maintenance at entrance section of Qamchiq Tunnel are good.

Qamchiq Tunnel; construction ventilation; ventilation system; working environment; experiment

2016-12-20;

2017-05-22

张忠爱(1975—)，男，内蒙古乌兰察布人，2000年毕业于武汉科技大学，采矿专业，硕士，高级工程师，现从事工程项目管理及市场开发工作。E-mail： saiwailang@sohu．com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.007

U 45

A

1672-741X(2017)08-0958-08