棠棣岭隧道通风系统设计及施工设备选型优化

金 鹏,刘感争,王卓君,包崇昊,杨 雪

(1.中交路桥南方工程有限公司,北京 101101;2.吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130012)

长大隧道施工中的通风设计始终是保障隧道施工安全的重要事项。近年来我国铁路里程迅速增长,使得隧道里程不断增加,同时随着施工环境的卫生控制标准越来越高,隧道施工通风设计的重要性也与日俱增。在隧道设计时进行通风设计计算和损耗因素的分析,也是设备选择及通风优化中必不可少的内容。毛锦波等[1]以天山胜利隧道为案例,通过通风计算和工序管理研究了隧道通风方案和设备选型措施。郭世荣[2]通过对梨花顶隧道通风方案分析,研究了具体的设备选型及通风优化依据和措施。蔡厚强等[3]在乐红特长隧道通风设计方案的基础上研究了隧道通风系统运营策略。通过对目前各类长大隧道设计方案的研究可以发现,通风施工方案的确定对通风计算具有关键影响,继而决定通风设备的选择[4-7]。以棠棣岭隧道为研究对象,对通风施工方案的确定进行介绍,通过通风计算分析,确定设备选型方式并提出相应的改进措施,给出了棠棣岭隧道施工中的通风优化方法。

1 工程概况

棠棣岭隧道位于安徽省黄山市黄山区,隧道长9 038.225 m。隧道采用“正洞+斜井”掘进方案,从左向右按进口工区、牛角洞斜井工区、溪头斜井工区及出口工区4个工区共5个工作面组织施工,各工区均采用无轨运输。牛角洞斜井与线路大里程方向夹角为90°,综合坡度6.68%,长858 m,采用无轨运输双车道断面;溪头斜井与线路大里程方向夹角为51°,综合坡度7.38%,长756 m。进口工区施工段主体工程长1 435 m;牛角洞斜井工区施工段主体工程长3 478 m,斜井长858 m;溪头斜井工区施工段主体工程长1 953 m,斜井长756 m;出口工区施工段主体工程长2 172.225 m。

2 通风方案的确定

由于棠棣岭隧道有较长的里程,仅凭隧道进出口两侧压入式通风以及自然风无法达到供风需求,因此隧道中间设置两处斜井,并在斜井出口处设置轴流风机提高隧道中段的通风效果,保证隧道内空气与外界新鲜空气的流通和交换。同时,以斜井划分的三段隧道主体工程的通风长度均超过1 500 m,在这种情况下依靠压入式通风有可能无法满足预期要求,在风管通风距离较长的情况下会产生过多的摩阻损失,因此为满足洞内施工和爆破作业的排烟需求,需要在斜井、斜井与主洞交口处分别架设1台射流风机,与压入式的轴流风机配合控制洞内气流的流动方向一致,以确保隧道内的通风和空气质量。各工作面通风方式如表1所示。

表1 棠棣岭隧道各工作面通风方式

3 施工通风计算

隧道通风设计时需要计算从工作面稀释炮烟需风量、施工人员和器械的需风量以及允许最小风速等,并考虑风流在通风设施中流动时存在的风阻损失。

3.1 需风量计算

(1)按排出的炮烟计算工作面需风量。

鉴于放炮后的瞬间作业面周围一段时间内就已经产生了炮烟,且在炮烟抛掷时间内已有气体的含量可以稀释炮烟,故按下式进行估算

(1)

式中:Q1为工作面需风量,m3/min;t为通风时间,取30 min;b为炸药在爆破时的危险空气产生量,岩层中爆炸破碎取40 L/kg;G为一次爆破的炸药量,kg,本次按Ⅱ类围岩全段面开挖考虑,断面面积为147 m2,每循环进尺3.0 m,炸药单耗0.7 kg/m3,同时起爆药量为3.0×0.7×147=308.7 kg;A为已掘进隧道开挖的断面积,m2,本隧道取147 m2;l0为炮烟抛掷长度,m,l0=15+G/5=76.7 m。

经计算,得Q1=1 682 m3/min。按照上述方法计算各个工作面排出的炮烟需风量如表2所示。

表2 不同工作面排出炮烟的需风量

(2)按洞内同时工作的最多人数计算需风量。

Q2=kMQ

(2)

式中:k为风量备用系数,取1.2;M为在洞里同时工作的最多人数,取60人;Q为洞内每人每分钟需要的新鲜空气量,取3 m3/min。

最终计算得Q2=1.2×60×3=216 m3/min。

(3)按洞内允许最小风速计算需风量。

Q3=60VS

(3)

式中:V为洞内允许最小风速,m/s;S为隧道断面面积,m2。

全断面工区断面面积取147 m2,最小风速取0.15 m/s。经计算,得Q3=1 323 m3/min。按上述方法计算不同工作面的需风量如表3所示。

表3 不同工作面的需风量

(4)按稀释和排出内燃机废气的需风量。

采用自卸汽车出碴,功率180 kW,采用装载机装碴,其功率165 kW。重车负荷率按0.8,空车负荷率按0.3,装载机负荷率按0.7,所有设备利用率0.9。施工机械设备功率参数如表4所示。

表4 施工机械设备功率参数表

按稀释和排出内燃机废气的需风量

Q4=3×N

(4)

(5)

式中:Ki为对应机械的负荷率;Kt为对应机械的利用率;Ni为对应机械设备的额定运行输出功率,kw。

隧道内的每辆车装碴循环停留时间约为6 min,隧道内车速为12 km/h,重车的有效长度为1 200 m。隧道内施工机械数量及稀释施工机械尾气的需风量如表5所示。

表5 棠棣岭隧道内稀释施工机械尾气需风量

(5)设计供风量。

风管百米漏风率取1.5%。由于风管的长度不一致,不同工作面漏风系数值不同,如表6所示。

表6 不同工作面漏风系数值

压入式通风以满足掌子面最大风量需求为主,不同工作面需风量计算结果如表7所示。同时满足稀释隧道内施工机械尾气需风量要求。

表7 不同工作面需风量

3.2 风阻损失计算

(1)沿程阻力损失计算。

沿程的阻力损失按公式(6)计算,管道的沿程摩擦阻力按公式(7)计算

hf=Rf×Q2

(6)

(7)

式中:hf为沿程阻力损失,Pa;Rf为沿程摩擦风阻力,N·s2/m3;Q为计算几何平均风量,m3/s;α为管道摩擦阻力系数,取2.0×10-3kg/m3;L为最大供风距离,m;D为风筒直径,取1.8 m。

计算结果如表8所示。

表8 沿程摩擦风阻力

几何平均风量按公式(8)计算。由于长距离通风系统管路的泄漏问题难以忽视,在估计沿程阻力损失时,管道风量取风机风量和工作面风量之间的几何平均值

Q=(Qj×Ql)1/2

(8)

式中:Q为几何平均风量,m3/s;Qj为风机需风量,m3/s;Ql为工作面风量,m3/s。

由表1计算可以得到单桩承载力极限平均值为10 635 kN，极差与平均值的比为6.4%(<30%)，故单桩承载力极限为10 635 kN，远超过设计单桩承载力极限值8 000 kN。

计算出的Q值如表9所示。

表9 各工作面几何平均风量 单位:m3/s

由几何平均风量计算沿程阻力损失hf,结果如表10所示。

表10 各工作面沿程阻力损失

(2)局部阻力损失计算。

局部阻力损失按公式(9)计算

hx=∑ξ×Q2/d4

(9)

式中:ξ为管道局部阻力系数;Q为管道风阻处风量;d为管道直径,m,取1.8 m。

管道局部阻力类型有:管道入口处,局部阻力系数为0.6,为棠棣岭隧道进口及各斜井工区;管道出口处,局部阻力系数为1.0,为棠棣岭隧道出口及各斜井工区;管道转弯时,ξ=0.008a0.75/n0.8。式中a为转弯角度;n=R/d,R为转弯处的曲率半径,d为管道口径。牛角洞斜井转弯角度为90°,转弯处曲率半径R取6.5 m,经计算,牛角洞斜井ξ为0.08;溪头斜井转弯角度为51°,转弯处曲率半径R取6.5 m,经计算溪头斜井ξ为0.05。经计算各处局部阻力损失值如表11所示。

表11 各工作面局部阻力损失

总阻力损失计算结果如表12所示。

表12 各工作面总阻力损失

4 隧道通风施工设备选型优化改进措施

(1)轴流风机:轴流风机布置在洞口30 m处空气质量较好的位置,以保证压入气流的新鲜度,防止与排出气流混合形成循环流动。按照以上部分的需风量计算,在实际施工中需要通过轴流风机性能与隧道施工计算需风量的对比,保证风机性能和实际通风需求的匹配。如表13所示,隧道需风量和轴流风机供风能力对比,考虑1.5 %的漏风率以及摩阻损失,目前所选型号的技术性能均能满足要求。

表13 各工作面风机计算需风量、风压及风机选型

所选风机在洞内不同位置的风量沿程变化,当漏风率由1.5%升至2%时,隧道内各型号风机的通风能力将明显下降,使得极限风速下的风量依然无法满足要求。因此,在实际施工中仍需要加以辅助措施如架设射流风机和降低风管沿程摩阻损耗以提高洞内的通风水平。

(2)射流风机:射流风机布置在衬砌台车、斜井与主洞相交位置及距离斜井洞口300 m处,在洞顶安装预埋件,将射流风机安装在洞顶位置。棠棣岭进口与牛角洞斜井小里程段贯通后,进口停止供风,在主洞内每1 000 m布置一台射流风机,向外输送污风。棠棣岭隧道大里程段,根据施工进展情况进行处理,对先施工完的段落在主洞内每1 000 m布置一台射流风机,向外输送污风。通过射流风机的增设,实现隧道洞内通风水平的进一步提升。

(3)风管:①合理选择风管型号和材质。由于隧道采用压入式通风,加大风管直径对降低摩阻损耗有显著作用,风管相应选择为1.8 m的拉链式软质风管,以降低通风管的变形和沿程摩阻损耗。风管末端接10 m长的旧风管,以减少爆破冲击和飞石造成的风管损坏。②优化风管安装位置。洞内风筒分别布置在隧道调平层以上6 m的墙体上,距离掌子面的距离为5 m,防止对其他施工作业的影响。③风管采用拉链接长。每节风管的接头有高强拉链,在风管接长时提高风管施工效率并保证连接强度。④改进风管安装形式。洞内风筒分别布置在隧道调平层以上6 m的墙体上,在洞身纵向每

3 m处打入膨胀螺栓,锚固深度不小于7 cm,安装1个挂钩。并在挂钩上沿着隧道纵向通长拉设一根Φ8 mm钢丝绳,以对风管进行保护。

5 结 论

(1)棠棣岭隧道全长约9 km,采用“正洞+斜井”的压入式通风可以提高隧道内的通风效果,并搭配射流风机降低了斜井与主洞连通处的风阻损失,有效改善了隧道各工作面的通风质量。

(2)确定了棠棣岭隧道工作面在1.5%的漏风率下的最小需风量为1 596 m3/min,与所选风机性能相匹配,满足了施工需求并降低了施工成本。

(3)隧道风压损失随通风距离而上升,在通风距离最长的两段增设射流风机可以有效提升隧道内各施工段的通风效果,同时选用的1.8 m直径风管进一步降低了风压的沿程损失。