隧道施工通风技术

隧道施工通风技术中铁一局四公司科技部朱汝威2006-8-1内容提要一、国内隧道施工通风现状及存在问题；二、隧道施工通风的任务和要求；三、隧道施工通风的主要方式；四、通风设计计算；五、通风设计案例。一、国内隧道施工通风现状及存在问题国家相关规定要求越来越高，对作业环境的要求与对安全、质量的要求同等重要，构成了三位一体的体系；隧道通风技术越来越专业化，已经出现专门的隧道通风作业队伍，提供通风设计、设备配套、通风检测、通风管理等分包业务；施工单位对通风重视不足，所具有的通风技术水平低下，即使想搞好通风也只是有心无力；通风管理工作由承担隧道开挖作业的民工队伍担当，某种意义上成了应付检查的摆设；对此，项目部出了钱却没有办成任何事情，最后还要承担由此带的后果。一、国内隧道施工通风现状及存在问题目的：针对上述存在的问题，通过交流，提高通风设计技术水平，制定出经济合理的设计方案，不管执行结果如何，首先可以免去方案制定者的责任。其次如果方案有经济合理的前提，才可以坚持按照方案去执行，才可以从理论的角度去说服执行者。二、隧道施工通风的任务和要求1、任务：给隧道内作业人员提供足够的新鲜空气；稀释并排出各种有害气体和粉尘；调节隧道内空气的温度、湿度；创造良好的作业环境，为保证安全、质量、进度奠定基础。二、隧道施工通风的任务和要求2、隧道内有害气体的浓度要求：序号名称最高允许浓度（％）1一氧化碳CO0.00242二氧化氮NO20.000253二氧化硫S020.00054硫化氢H2S0.000665氨NH30.004二、隧道施工通风的任务和要求3、隧道气候条件要求：有研究表明，当体温维持在36.5℃~37℃并保持平衡时，人就会感觉到舒适。而保持平衡的条件是人体的生热和散热相同，影响人体散热的主要因素是空气的温度、湿度、风速三者的综合状况。二、隧道施工通风的任务和要求温度隧道内最适宜作业人员的温度是15℃~20℃，掌子面的温度不宜大于26℃湿度空所相对湿度低于30%时，水份蒸发过快，会引起身体粘膜干裂；空气相对湿度大于80%时，水份蒸发困难，使人烦闷；比较舒适的湿度应是50%~60%左右；二、隧道施工通风的任务和要求风速风速过高，易致感冒，尘土飞扬，对作业人员的健康不利；风速过低，汗水不易蒸发，易造成有害气体积聚，不利洞内施工设备散热，对安全生产不利；隧道施工过程中，空气温度、湿度、风速应调配得当，以形成良好的施工气候条件。一般施工过程中，湿度不易调节，主要从温度、风速两方面进行调节，即维持温度、风速有一个得当的对应关系。很多资料对此对应关系均有介绍，此处不再赘述。二、隧道施工通风的任务和要求4、隧道内粉尘的含量要求：含游离的二氧化硅大于10%，空气中粉尘含量不得大于2mg/m3；含游离的二氧化硅小于10%，空气中粉尘含量不得大于10mg/m3；最优排尘风速：在产尘量一定的情况下，当风速处于某一数值时（一般在1.5~2m/s之间），作业点的粉尘浓度降低到最小值，此时的风速即称为最优排尘风速。三、隧道施工通风的主要方式分类如下：隧道施工通风机械通风混合式通风自然通风压入式通风抽出式通风巷道式通风混合式通风竖井通风斜井通风三、隧道施工通风的主要方式压入式通风：风管轴流风机掘进方向说明：应用范围广，目前国内隧道施工中依靠独头压入式通风在3km独头掘进距离上依然可以保证隧道内的空气质量。三、隧道施工通风的主要方式抽出式通风风管轴流风机掘进方向说明：抽出式通风依靠风机将洞内的污浊空气抽走，洞内形成负压，洞内外空气在压差的情况下产生流动。因为漏风的存在，没有压入式通风效率高，排污效果没有压入式通风好，易造成洞内气压低，空气质量差。三、隧道施工通风的主要方式巷道式通风掘进方向风管轴流风机说明：在煤矿系统中应用较多，要求有导坑、相邻隧道用作回风巷。通风所需能耗最小。三、隧道施工通风的主要方式混合式通风风管轴流风机掘进方向三、隧道施工通风的主要方式竖（斜）井通风掘进方向三、隧道施工通风的主要方式几种辅助通风措施：局扇：用于局部风流死角的空气混合，使局部风速增加，防止有害气体集聚。射流风机：克服局部风阻，引导风流方向，有局扇的部分功能。引射器；水力引射器、空气引射器。高压风。三、隧道施工通风的主要方式引射器原理：压缩空气由进气管进入环形均压室，以超音速从环隙喷出，沿凸缘表面流动，并在凸缘表面形成负压区，使外界空气沿集风器流入，与高速射流混合后通过扩散器进入风筒，形成风流。空气引射器四、通风设计计算1.假设条件：假设空气无粘性假设空气不可压缩假设空气在隧道内流动是稳定流动通过三个假设，就可以把隧道内的空气流动看成流体力学中所研究的理想不可压缩流体的稳定流动。可以采用流体力学的计算方法对隧道内的空气流动进行计算。经过实践验证，上述假设对计算结果的准确性影响不大，可以满足施工的要求。四、通风设计计算2.流动状态流体具有层流和紊流两种流动状态判定流动状态依据雷诺数Re当Re＜2300时，为层流；当Re＞2300时，为紊流。四、通风设计计算3.风流的速度分布：平均风速：四、通风设计计算4.基本方程连续性方程：V1A1ρ1=V2A2ρ2已假设空气是不可压缩的，则ρ1=ρ2，所以Q1=Q2能量方程可见理想状态下，没有任何能量损失，但在实际情况下，风管内壁、隧道洞壁粗糙，会有能量损失。公式如下：由于隧道高差较小Z1≈Z2，势能差可忽略，管道内径变化不大时，V1≈V2，动能差可忽略，所以：P1-P2=h12。说明隧道内的压降等于两点处的静压之差。通风机所提供的全压（动压、静压之和）大于h12时，即可实现风流。222221112121vgZPvgZP12222221112121hvgZPvgZP四、通风设计计算5.通风阻力5.1沿程磨擦阻力（以下简称磨擦阻力）通过已有计算可知：在通风满足要求的情况下，空气在风管中、隧道中的流动大都为紊流，即雷诺数Re大于2300。磨擦阻力计算公式为达西公式。达西系数与雷诺数和管道内壁的粗糙度有关系，目前只能通过试验的方法确定。22vDLhfh—磨擦阻力，Pa；λ—达西系数，无因次；L—管道长，m；D—管道直径，m；ρ—流体密度，kg/m3；v—管内平均流速，m/s。四、通风设计计算将代入达西公式得：上式说明，在供风量确定的情况下，通风磨擦阻力与管道长度成正比，与管道半径（直径）的5次方成反比。众所周知，通风阻力×风量=消耗功率，为了节能，就要降低通风阻力，而降低磨擦风阻最为有效的方式是加大风管直径。目前在长大隧道施工中多采用大直径风管，但风管直径受到制造技术、隧道洞径、绕避模板台车、安装等一系列条件的限制，往往不能过大，眼下多为1.5~2.0米。目前，隧道通风往往占用隧道施工用电的大部分，通风耗电费用很高，往往也是造成通风不良的主要原因。2RQAQV52242224222RLQRQRLvDLhf隧道中磨擦阻力的计算：对于隧道，水力半径为A/U，当量直径为4A/U，代入达西公式得：令α=λρ/8，则α称为磨擦阻力系数，它与达西系数成正比，常见隧道的α可在资料中查得。四、通风设计计算28vALUhf2vALUhf四、通风设计计算各类巷道磨擦阻力系数表四、通风设计计算5.2局部阻力实验表明，局部阻力可以表示为动能的倍数，即：式中ξ称为局部阻力系数。在紊流的状态下，ξ值只取决于巷道的粗糙度及几何形状，产生局部阻力的原因很复杂，只有几种情况的局部阻力系数可用理论计算，其余的只实测确定。常用的ξ可在资料中查表选取。22vhx四、通风设计计算光滑管道局部阻力系数四、通风设计计算5.3交通通风阻力计算公式：2)(2)()(2)(2rtrmrtrmtvvnAAvvnAAhht—交通通风阻力，Pa；Am—汽车等效阻抗面积，m2；Ar—隧道净空断面积，m2；Vr—隧道内设计风速，m/s。n+—隧道内与vr同向的车量数；n-—隧道内与vr反向的车量数；vt（+）—与vr同向的车速；vt（-）—与vr反向的车速。根据以往算例，在当前隧道施工中，磨擦阻力、局部阻力及交通通风阻力三者比较，磨擦阻力占隧道全部阻力的绝大部分，局部阻力变化较大，不可忽视，交通通风阻力因行车速度低，车流量少，其值很小，可忽略。四、通风设计计算6.需风量隧道施工中,掘进工作面所需的风量与施工方法、施工作业的机械配套条件关系很大，且在一个作业循环中，不同作业工序对风量的要求也有圈套差别。进行风量计算的目的是为正确选择通风设备和为设计通风系统提供依据。通风系统的供风能力应能满足工作面对风量的最大需求。掘进工作面所需风量可按下列方法计算，并取其最大者作为供风标准。四、通风设计计算6.1按排除炮烟计算风量压入式通风的风量计算方法一：322)(25.2PbALGtQQ—工作面风量，m3/min；t—通风时间，min；G—同时爆炸的炸药量，kg；A—掘进巷道的断面积，m2；L—巷道全长或临界长度，m；φ—淋水系数，查表选取；b—炸药爆炸时的有害气体生成量，煤层中爆破取100，岩层中爆破取40；P—风管漏风系数。长距离巷道掘进时，炮烟在沿巷道流动过程中与巷道内的空气混合，在未到达巷道出口时已被稀释到允许浓度，从工作面至炮烟已稀释到允许浓度处的距离称为临界长度。在这种情况下，公式中的L应用临界长度代入计算。四、通风设计计算临界长度计算公式：式中K为紊流扩散系数，其余符号意义同前。25.12APGbKL四、通风设计计算漏风系数公式：式中p为百米漏风率，由风管自身确定，使用前要求厂家提供数据。目前一般在1%~2%之间，百米漏风率越小，系统工作效率越高。抽出式通风风量计算计算公式：式中符号意义同前。说明：以上公式只适用于爆破后立即开始通风的情况。否则，由于炮烟不断向外扩散，增大了炮烟区的容积，上述计算的风量将偏小，会延长通风排烟时间。10010011LpP)515(13.2GGbAtQ四、通风设计计算混合式通风风量计算在混合式通风系统中，使用2台工作方式不同的通风机，它们的风量应分别计算。压入式风机供到工作面的风量：式中：L—抽出式风管口到工作面的距离，m；其余符号意义同前。抽出式风机从工作面抽走的风量：Q1=Q+Av式中：v—隧道内允许最低平均风速，m/min。其它符号意义同前。32)(25.2bALGtQ四、通风设计计算6.2按排出粉尘计算风量计算公式：Q=v·A式中：v—排尘风速，一般取0.15-0.3m/s。其它符号意义同前。6.3按施工隧道内的最多人数计算风量计算公式：Q=4N式中：N—隧道内最多人数。4为规范中规定每人每分钟消耗空气量6.4按最低允许风速计算风量计算公式：Q=v·A式中：v—允许最低风速，m/s。四、通风设计计算6.5按瓦斯涌出量计算风量计算公式：6.6按稀释和排除内燃机废气计算风量计算公式：KBBQQPCCCH4iiiNkQ1QCH4—工作面瓦斯涌出量，m3/min；BC—工作面允许瓦斯浓度，取0.5%；BPC—送入工作面的风流中瓦斯的浓度；K—瓦斯涌出不均衡系数，K=1.5-2。k—计算系数，我国规定2.8-3.0m3/minHP；N—某工区内柴油设备总台数；Ni—各台柴油设备的额定功率，HP；五、通风设计案例董家山隧道施工通风计算隧道施工通风技术由于本人水平有限，难免出现不足甚至错误之外，请各位同仁批评指正。谢谢！