CN104405430B - 一种单洞大断面特长隧道施工通风***及通风方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单洞大断面特长隧道施工通风***和通风方法，所述通风***包括设置在所述隧道中心线一侧的施工通风临时隔墙(2)，保证施工通风临时隔墙(2)与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为输送新鲜风的新鲜风进风巷道(4)，掌子面回流的污染风则从断面面积较大的污染风排出巷道(5)内排出隧道外；在隧道洞口出口处，施工通风临时隔墙(2)延伸出洞外，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离；本发明采用射流巷道式通风方式，解决了单洞大断面特长隧道施工时超长距离送风的难题，有效提高对掌子面送风效率，并节约了成本，取得了较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道内的施工通风***及通风方法，尤其涉及一种用于解决单洞大断面特长隧道施工的通风***及通风方法。
背景技术
由于隧道结构的封闭性，隧道施工过程中机械作业产生的尾气、***产生的硝烟、地层溢出的有毒有害气体等将会在隧道内积聚，威胁作业人员健康和施工安全。为改善隧道施工作业环境，保障作业人员的健康，必须采取有效的通风措施。
在现有隧道的施工通风设计中，几乎所有的隧道都采用强制机械通风方式。机械通风包括压入式、抽(排)出式、混合式和巷道式。如图1所示，压入式通风是将轴流风机安设在距离洞口30m以外的新鲜风区，轴流风机提供掌子面需要的风量和风压，通过风管将新鲜风压送到开挖工作面，并将稀释的污风沿隧道排出洞外。此通风方式中轴流风机安装在固定位置，随着掌子面的推进只需要接长通风管即可，基本不受施工条件限制。排出式通风(图2所示)是将通风机安设在开挖工作面污染源附近，通过通风管将污风排出洞外，新鲜风沿隧道进入到开挖工作面，洞外通风管出风口需在距离洞口30m以外的下风向。此通风方式中轴流风机安置在掌子面附近，对工作面附近污染源稀释效果较压入式通风好，但是轴流风机需要随着掌子面的推进而改变安装位置，不利于现场的施工管理。这两种通风方式在单洞隧道和平行双洞隧道施工通风中均可采用，但是随着隧道掘进长度的增加，风管压入长度和隧道内风流的流动距离距均会增加，通风阻力将迅速增大，为达到通风长度的要求，只能采取并联或串联轴流风机的方式，此时，在造成能源过大消耗的同时，对通风设备和技术的要求也大大提高，通风效果也会大打折扣。
巷道式通风分为主扇巷道式和射流巷道式。目前施工通风应用较多的是射流巷道式通风。如图3所示，射流巷道式通风方式中采用射流风机为动力，利用平行双洞或辅助坑道将新鲜风引导至洞内，再由安设在新鲜风区的轴流风机利用通风管将新鲜风送到掌子面附近，可以有效的缩短送风距离，提高通风效率，有效地解决了长距离双洞隧道的施工通风问题。巷道式通风受施工条件影响较大，一般只能应用在有联络通道的平行双洞条件下，辅助坑道贯通的情况下有时也局部采用。
但是，随着高速公路和高速铁路的快速发展，在隧道建设中涌现出大量的长距离大断面及超大断面单洞隧道。在此类隧道的施工建设中，传统的巷道式通风不在适用，当掘进距离较小时，压入式通风尚能有效的解决施工通风问题，当掘进距离较大时，如何经济有效地解决施工通风问题成为焦点。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于解决单洞大断面特长隧道施工的通风***。
本发明采用如下技术方案：
一种单洞大断面特长隧道施工通风***，包括设置在所述隧道中心线一侧的施工通风临时隔墙(2)，保证施工通风临时隔墙(2)与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为输送新鲜风的新鲜风进风巷道(4)，掌子面回流的污染风则从断面面积较大的污染风排出巷道(5)内排出隧道外；在隧道洞口出口处，施工通风临时隔墙(2)延伸出洞外，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离；在所述新鲜风进风巷道(4)、污染风排出巷道(5)内，根据射流风机升压力总和大于隧道阻力的原则下选择射流风机的台数，并布置安装射流风机用以提供均匀风速。
所述的通风***，在新鲜风进风巷道(4)入口端L6位置处设置第一射流风机(7)、距离射流风机(7)L5的位置设置第二射流风机(8)，在污染风排出巷道(5)内，距离二衬台车L1位置设置第三射流风机(11)，距离污染风排出巷道(5)出口端L7位置处设置第四射流风机(3)；在新鲜风进风巷道(4)内，在距离二衬台车L3为100m位置处设置压入式轴流风机(9)，压入式轴流风机(9)距离施工通风临时隔墙(2)一端为L4，压入式轴流风机(9)连接通风管(10)，通风管(10)将新鲜风输送到距离掌子面L2处，为隧道掌子面输送新鲜风，此时即形成射流巷道式通风的施工通风***；其中，第三射流风机(11)与二衬台车距离L1取20m；在瓦斯隧道施工通风中，通风管(10)出风口与掌子面距离L2控制在4m；压入式轴流风机(9)与二衬台车的距离L3取100～200m；轴流风机向内缩进距离L4取30m；射流风机至隧道洞口的距离L6及L7取100m；施工通风临时隔墙(2)延伸出隧道洞口的距离L8至少为100m。
所述的通风***，所述大断面特长隧道指三车道及三车道以上高速公路隧道或高速铁路隧道，其断面面积为50～100m2，隧道长度在3km以上。
采用任一所述的通风***的通风方法，在所述隧道中心线一侧设置施工通风临时隔墙(2)，施工通风临时隔墙(2)与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为输送新鲜风的新鲜风进风巷道(4)，掌子面回流的污染风则从断面面积较大的污染风排出巷道(5)内排出隧道外；在隧道洞口出口处，施工通风临时隔墙(2)延伸出洞外，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离；在所述新鲜风进风巷道(4)、污染风排出巷道(5)内，根据射流风机升压力总和大于隧道阻力的原则下选择射流风机的台数，并布置安装射流风机用以提供均匀风速。
所述的方法，在新鲜风进风巷道(4)入口端L6位置处设置第一射流风机(7)、距离第一射流风机(7)L5的位置设置第二射流风机(8)，在污染风排出巷道(5)内，距离二衬台车L1位置设置第三射流风机(11)，距离污染风排出巷道(5)出口端L7位置处设置第四射流风机(3)；在新鲜风进风巷道(4)内，在距离二衬台车L3为100m位置处设置压入式轴流风机(9)，压入式轴流风机(9)距离施工通风临时隔墙(2)一端为L4，压入式轴流风机(9)连接通风管(10)，通风管(10)将新鲜风输送到距离掌子面L2处，为隧道掌子面输送新鲜风；其中，第三射流风机(11)与二衬台车距离L1取20m；在瓦斯隧道施工通风中，通风管(10)出风口与掌子面距离L2控制在4m；压入式轴流风机(9)与二衬台车的距离L3取100～200m；轴流风机向内缩进距离L4取30m；射流风机至隧道洞口的距离L6及L7取100m；施工通风临时隔墙(2)延伸出隧道洞口的距离L8至少为100m；第一射流风机(7)和第二射流风机(8)运转使新鲜风进风巷道(4)内形成负压，洞外新鲜风因负压的存在会运动到压入式轴流风机(9)附近，压入式轴流风机(9)通过通风管(10)穿过二衬台车将新鲜风进风巷道(4)内新鲜风压入到隧道开挖掌子面附近，稀释了由于隧道施工产生的污染物，并转变为污染风；在污染风排出巷道(5)内，第四射流风机(3)和第三射流风机(11)运转将掌子面附近的污染风沿污染风排出巷道(5)引出洞外。
本发明所述通风***是利用隧道断面大的特点，在隧道内设置临时隔墙，从而得到新鲜风送风巷道，达到应用射流巷道式通风方式的目的。为了避免隧道洞口处新鲜风与污染风的相互影响，临时隔墙需延长至洞外至少100m的距离，根据现场环境和气象条件，在隧道断面高度的基础上合理选择临时隔墙的高度。
本发明的有益效果在于：
本发明利用设置在大断面隧道中的临时隔墙，在单洞大断面特长隧道施工中开辟出射流巷道式通风方式所需要的送风巷道，并采用射流巷道式通风方式，通过对射流风机数量的优化和设置位置的合理分布，使轴流风机的送风距离缩小为100～200m(约为二衬台车到掌子面的距离)左右，避免了单洞大断面特长隧道施工时超长距离送风的难题，有效提高对掌子面送风效率，并节约了成本，取得了较好的经济效益。
附图说明
图1是压入式通风方式示意图；
图2是排出式通风方式示意图；
图3是射流巷道式通风方式示意图；
图4是本发明所述通风***的俯视结构示意图；
图5是图1中C1-C1方向的断面结构示意图。
图6是图1中C2-C2方向的断面结构示意图。
图7是图1中C3-C3方向的断面结构示意图。
图8是图1中C4-C4方向的断面结构示意图。
图9是应用本发明所述通风***的隧道洞口正视图。
图10是应用本发明所述通风***的隧道洞口侧视图。
图11是应用本发明所述通风***的隧道洞口俯视图。
1大断面特长隧道，2施工通风临时隔墙，3、7、8、11射流风机，4新鲜风进风巷道，5污染风排出巷道，6临时隔墙洞外延伸部分，9轴流风机，10通风管。
具体实施方式
下面结合某工程实例对本发明作进一步具体介绍，并对进行经济效益对比，说明该施工通风***的优越性。
本发明中所谓大断面特长隧道指三车道及三车道以上高速公路隧道及高速铁路隧道，其断面面积为50m2以上，隧道长度在3km以上。
依托某单洞大断面三车道特长公路隧道，在III级围岩条件下，隧道最大开挖面积为135m2，隧道二次衬砌完成后最大净空面积为110m2。隧址区穿越煤系地层，综合所有地质勘察资料及调查资料确定该隧道为低瓦斯隧道。
1)理论基础部分
(1)确定需风量
确定开挖面需风量时要综合考虑掌子面附近同时工作的最多人数需风量、防止隧道内瓦斯积聚的最小风速需风量、掌子面附近***排烟需风量和稀释洞内内燃机排放尾气的需风量，并取以上需风量中的最大值作为最终标准需风量。
①掌子面附近同时工作的最多人数需风量
Q＝q·n·k (1)
式中：q-洞内作业人员的需风量，高瓦斯取4m3/min·人；n-作业面同时作业的最多人数，90人；k-备用系数，取1.5。
②防止隧道内瓦斯积聚的最小风速需风量
Qv＝S·V (2)
式中：S-隧道的开挖面积，m2；V-隧道内的最小瓦斯积聚风速。
③掌子面附近***排烟需风量
式中：t-通风时间；A-同时******量；b-每公斤***产生的CO；L-排烟安全距离；Pq-风管始末端风量之比；C-通风要求达到的CO浓度。
④稀释洞内内燃机排放尾气的需风量
Qs＝H·q·k (4)
式中：H-内燃机械总功，kW；q-内燃机械单位功率供风量，4.5m3/(min·kW)；k-功率系数，取0.63。
(2)确定轴流风机供风量
Q风机＝Qmax/k1 (5)
式中：η100-百米漏风率，取1％；k1-有效风量率；L-风管压入长度，m。
(3)确定风筒阻力和隧道阻力
H＝(Rf+Rx)Q1*Q2 (7)
式中：Rf-摩擦风阻；Rx-局部风阻；α-摩擦阻力系数；ζb-局部阻力系数。
当计算风筒阻力时，取风管参数：Q1-轴流风机供风量；Q2-风管出口风量，L-风管压入长度；U-风管周长；S1-风管截面积；。
当计算隧道阻力时，取隧道参数：Q1与Q2相同，为风筒出口风量；L-污风回风距离度；U-隧道断面周长；S1-隧道断面截面积；
隧道壁面沿程阻力系数，即摩擦阻力系数α计算公式：
式中：Δ-隧道壁面绝对粗糙度，mm；d-隧道的内径，mm。
(4)确定射流风机升压力
式中：vj-射流风机的出口风速(m/s)；S射-射流风机的出口面积(m2)；η-射流风机位置摩阻损失折减系数，取0.85；S-隧道净空断面积；v-隧道设计风速。
(5)轴流风机所需配用的电机功率
式中：Skw-轴流风机轴功率(kW)；M1-电机功率(kW)；ηm-电机效率(％)，可取90％～95％；k-电机容量安全系数，可取1.15；Qa-轴流风机的风量(m3/s)；ptot-轴流风机的全风压(N/m2)；η-风机效率(一般取80％)；t0-标准温度(℃)，取20℃；t1-风机环境温度(℃)；p0-标准大气压(N/m2)，取101.325N/m2；p1-风机环境大气压(N/m2)。
2)实施案例
如图4-图11所示，以所述隧道中心线方向为纵向，所述中心线的一侧的设置施工通风临时隔墙2，保证施工通风临时隔墙2与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为新鲜风进风巷道4，掌子面回流的污染风则从两个行车道宽的封闭巷道即污染风排出巷道5内排出隧道外，在所述新鲜风进风巷道4、污染风排出巷道5内，根据射流风机升压力总和大于隧道阻力的原则下选择射流风机的台数，并布置安装射流风机用以提供均匀风速。本实施例中，在新鲜风进风巷道4入口端L6位置处设置射流风机7、距离射流风机7L5的位置设置射流风机8，在污染风排出巷道5内，距离二衬台车L1位置设置射流风机11，距离污染风排出巷道5出口端L7位置处设置射流风机3。
在新鲜风进风巷道4内，在尽量缩短通风的距离情况下，为减小二衬台车对施工通风的影响，在距离二衬台车L3为100m左右位置处设置轴流风机9，轴流风机9距离施工通风临时隔墙2一端为L4，轴流风机9连接通风管10，通风管10将新鲜风输送到距离掌子面L2处，为隧道掌子面输送新鲜风，此时即形成射流巷道式通风的施工通风***。
在隧道洞口出口处，由施工通风临时隔墙2延伸出洞外长度为L8，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离，然后射流风机7和8运转使新鲜风进风巷道4内形成负压，洞外新鲜风因负压的存在会运动到轴流风机9附近，轴流风机9通过通风筒10穿过二衬台车将新鲜风进风巷道4内新鲜风压入到隧道开挖掌子面附近，稀释了由于隧道施工产生的污染物，并转变为污染风。在污染风排出巷道5内，射流风机3和射流风机11运转将掌子面附近的污染风沿污染风排出巷道5引出洞外。
其中，局部射流风机11与二衬台车距离L1取20m为宜；在瓦斯隧道施工通风中，风筒10出风口与掌子面距离L2控制在4m左右；压入式轴流风机9与二衬台车的距离L3根据现场实际在避免相互影响的同时，尽量缩短独头压入式通风管长度，可取100～200m；轴流风机向内缩进距离L4取30m为宜；根据公式(7)(8)(9)和(10)计算确定送风巷道***流风机间距L5；射流风机至隧道洞口的距离L6及L7取100m；施工通风临时隔墙2延伸出隧道洞口的距离L8至少为100m。
3)经济效益对比
该隧道为单洞大断面特长隧道，在未采用本通风***前只能采用压入式通风，采用本通风***后为巷道式射流通风，现对两种通风***在经济和效果方面进行比较，说明本通风***的优越性。
该隧道需风量确定为2100m3/min，采用Φ1500的通风管，隧道掘进长度为3km，轴流风机选用SDF(c)-No14，射流风机选用SDS-7.1-2P-6-30°。
采用压入式通风***时，风管长度为3km，风机供风量为3000m3/min。
二衬台车与掌子面的距离一般为100m左右，在射流巷道式通风***中压入式通风管长度取为200m，风机供风量为3000m3/min.
压入式通风***与巷道式通风***的经济效益对比结果如下表。
注：局部射流风机的作用是防止局部瓦斯积聚。
从以上经济效益对比结果可以清晰的看到本发明的实用性和优越性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种单洞大断面特长隧道施工通风***，其特征在于，包括设置在所述隧道中心线一侧的施工通风临时隔墙(2)，保证施工通风临时隔墙(2)与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为输送新鲜风的新鲜风进风巷道(4)，掌子面回流的污染风则从断面面积较大的污染风排出巷道(5)内排出隧道外；在隧道洞口出口处，施工通风临时隔墙(2)延伸出洞外，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离；在所述新鲜风进风巷道(4)、污染风排出巷道(5)内，根据射流风机升压力总和大于隧道阻力的原则下选择射流风机的台数，并布置安装射流风机用以提供均匀风速。
2.根据权利要求1所述的通风***，其特征在于，在新鲜风进风巷道(4)入口端L6位置处设置第一射流风机(7)、距离射流风机(7)L5的位置设置第二射流风机(8)，在污染风排出巷道(5)内，距离二衬台车L1位置设置第三射流风机(11)，距离污染风排出巷道(5)出口端L7位置处设置第四射流风机(3)；在新鲜风进风巷道(4)内，在距离二衬台车L3为100m位置处设置压入式轴流风机(9)，压入式轴流风机(9)距离施工通风临时隔墙(2)一端为L4，压入式轴流风机(9)连接通风管(10)，通风管(10)将新鲜风输送到距离掌子面L2处，为隧道掌子面输送新鲜风，此时即形成射流巷道式通风的施工通风***；其中，第三射流风机(11)与二衬台车距离L1取20m；在瓦斯隧道施工通风中，通风管(10)出风口与掌子面距离L2控制在4m；压入式轴流风机(9)与二衬台车的距离L3取100～200m；轴流风机向内缩进距离L4取30m；射流风机至隧道洞口的距离L6及L7取100m；施工通风临时隔墙(2)延伸出隧道洞口的距离L8至少为100m。
3.根据权利要求1所述的通风***，其特征在于，所述大断面特长隧道指三车道及三车道以上高速公路隧道或高速铁路隧道，其断面面积为50～100m2，隧道长度在3km以上。
4.采用权利要求1-3任一所述的通风***的通风方法，其特征在于，在所述隧道中心线一侧设置施工通风临时隔墙(2)，施工通风临时隔墙(2)与隧道两侧边墙分别围绕成封闭巷道的断面面积比接近2∶1，将其中断面面积较小的封闭巷道作为输送新鲜风的新鲜风进风巷道(4)，掌子面回流的污染风则从断面面积较大的污染风排出巷道(5)内排出隧道外；在隧道洞口出口处，施工通风临时隔墙(2)延伸出洞外，将洞口附近区域的新鲜风源与污染风分离；在所述新鲜风进风巷道(4)、污染风排出巷道(5)内，根据射流风机升压力总和大于隧道阻力的原则下选择射流风机的台数，并布置安装射流风机用以提供均匀风速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在新鲜风进风巷道(4)入口端L6位置处设置第一射流风机(7)、距离第一射流风机(7)L5的位置设置第二射流风机(8)，在污染风排出巷道(5)内，距离二衬台车L1位置设置第三射流风机(11)，距离污染风排出巷道(5)出口端L7位置处设置第四射流风机(3)；在新鲜风进风巷道(4)内，在距离二衬台车L3为100m位置处设置压入式轴流风机(9)，压入式轴流风机(9)距离施工通风临时隔墙(2)一端为L4，压入式轴流风机(9)连接通风管(10)，通风管(10)将新鲜风输送到距离掌子面L2处，为隧道掌子面输送新鲜风；其中，第三射流风机(11)与二衬台车距离L1取20m；在瓦斯隧道施工通风中，通风管(10)出风口与掌子面距离L2控制在4m；压入式轴流风机(9)与二衬台车的距离L3取100～200m；轴流风机向内缩进距离L4取30m；射流风机至隧道洞口的距离L6及L7取100m；施工通风临时隔墙(2)延伸出隧道洞口的距离L8至少为100m；第一射流风机(7)和第二射流风机(8)运转使新鲜风进风巷道(4)内形成负压，洞外新鲜风因负压的存在会运动到压入式轴流风机(9)附近，压入式轴流风机(9)通过通风管(10)穿过二衬台车将新鲜风进风巷道(4)内新鲜风压入到隧道开挖掌子面附近，稀释了由于隧道施工产生的污染物，并转变为污染风；在污染风排出巷道(5)内，第四射流风机(3)和第三射流风机(11)运转将掌子面附近的污染风沿污染风排出巷道(5)引出洞外。
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