趙軍喜

(中鐵隧道集團技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隧道施工通風是指在隧道施工過程中利用流體機械或自然風壓為動力，使地面空氣進入施工隧道內(nèi)，并在施工隧道內(nèi)做定向和定量流動，為隧道施工作業(yè)場所送入新鮮風、排出有害氣體和粉塵、調(diào)節(jié)隧道內(nèi)熱濕環(huán)境的全過程。在隧道施工過程中，施工通風是制約施工進度、影響經(jīng)濟效益的重要因素，良好的通風布置和管理不僅能有效改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率，同時還能降低通風能耗，節(jié)約成本。

在相關(guān)的研究中:文獻［1］應(yīng)用氣體流動的能量方程建立了公路長隧道平行導坑通風的計算模式，對其基本作用力和阻力調(diào)節(jié)進行了分析;文獻［2］介紹了隧道施工射流通風中進入隧洞風量的計算方法，并結(jié)合具體算例分析研究了射流風機位置及局扇對進洞風量的影響等問題;文獻［3］為解決斜井進入正洞以后通風難度大，通風效果較差的難題，引入了單斜井雙正洞射流通風技術(shù);文獻［4］對關(guān)角隧道施工通風斜井分隔技術(shù)進行了介紹;文獻［5］從隧道氣候3要素(溫度、濕度和風速)入手，對比分析了國內(nèi)外與隧道施工環(huán)境舒適性相關(guān)的標準和規(guī)范，重點分析了隧道氣候3要素對隧道施工環(huán)境舒適性的影響，總結(jié)提出了隧道施工環(huán)境舒適性建議標準，并對隧道施工環(huán)境舒適性檢測與評價方法進行了比較，確定了合理的檢測與評價方法，同時提出了隧道施工環(huán)境舒適性的主要調(diào)控方法。

雖然以上文獻對平行導坑通風計算、射流風機的安裝位置以及隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境舒適性等進行了研究，但是隨著電子技術(shù)的不斷進步和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，有必要進一步對平行導坑超前多作業(yè)面平行施工通風的節(jié)能技術(shù)進行研究，以提高隧道施工通風水平。

本文依托貴廣客運專線三都隧道，對進口工區(qū)施工通風方案及通風設(shè)備選型的合理性和節(jié)能控制技術(shù)進行研究分析，以實現(xiàn)通風方案的優(yōu)化和通風設(shè)備的節(jié)能。

1 工程概況

三都隧道位于貴州省黔南州都勻市境內(nèi)，全長14 598 m，最大埋深約600 m。隧道進口沿前進方向左側(cè)設(shè)有平行導坑，距離正洞30 m，長2 270 m，設(shè)4個橫通道與隧道相連。其運輸為無軌運輸。

2 通風方案的合理性及節(jié)能研究

三都隧道進口施工開挖采用平導超前、通過橫通道增開正洞工作面的施工方法。風管壓入式通風不適用的原因是:正洞和平導作業(yè)面需風量大，風管的直徑大，平導斷面不能滿足多趟風管的布置，且壓入式通風耗電量大?；旌鲜讲贿m用于無軌運輸。因此，必須采用主扇通風或射流通風來解決通風問題。三都隧道進口工區(qū)的施工通風共分為4個階段，難度最大的是第2階段。以第2階段的通風方案進行分析比較。

2.1 射流巷道通風方案

在第2階段，隧道的二通和三通與正洞和平導貫通，此時平導超前開挖，在正洞形成2個開挖工作面，平導有1個開挖工作面，需要3個管路分別向3個掌子面送風，形成射流巷道式的通風。其通風系統(tǒng)布置見圖1。

經(jīng)計算，第2階段通風設(shè)備配置見表1。

圖1 第2階段施工通風系統(tǒng)布置示意圖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階段通風設(shè)備配置表Table 1 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with jet flow gallery ventilation mode

2.2 采用主扇通風方案

根據(jù)原設(shè)計的通風方案，采用主扇通風時，第2階段需要的新風量最大。其通風布置見圖2。

經(jīng)計算比選，第2階段通風設(shè)備配置見表2。

2.3 射流巷道式和主扇式通風方案技術(shù)經(jīng)濟比較

2.3.1 技術(shù)方面

從技術(shù)上講，射流通風和主扇通風2種方法都是可行的。射流巷道通風是在華鎣山公路隧道創(chuàng)造的新方法，是通過射流風機把新風從平導引入，污濁空氣從正洞排出，各開挖作業(yè)面送風的局扇放置在新鮮風流中，通過局扇和軟風管為其送風，射流風機安裝方便、靈活，阻力小。主扇通風是在平導旁邊修建送風道，建主扇房，安裝大功率通風機，同時在平導口安裝自動風門，以防止漏風，但影響平導交通。通過主扇經(jīng)平導壓入新風，污風從正洞排出，各開挖作業(yè)面需要的新風由放在平導新風內(nèi)的局扇通過軟風管送入。射流巷道式通風的先進性很明顯。

2.3.2 經(jīng)濟方面

采用射流通風和主扇通風時，其局扇的功率和軟風管數(shù)量及直徑都是一樣的。采用射流通風時，其射流風機的總功率僅僅為110 kW，如采用主扇通風，其功率為330 kW，采用射流通風比采用主扇通風電機功率節(jié)省220 kW，僅此一項1年節(jié)省電費154.18萬元，射流巷道通風更經(jīng)濟、節(jié)能。

圖2 主扇通風第2階段通風布置示意圖Fig.2 Layout of ventilation system during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

表2 主扇通風式第2階段通風設(shè)備配置表Table 2 Ventilation equipment needed during the second phase of construction of Sandu tunnel with main fan ventilation mode

射流通風與主扇通風所用風機功率和風管數(shù)量對比見表3。

表3 射流通風與主扇通風對比Table 3 Comparison and contrast between jet flow gallery ventilation mode and main fan ventilation mode

3 通風設(shè)備節(jié)能研究

在隧道施工過程中，不同的施工工序所需要的風量是不同的，如出渣、噴漿作業(yè)需要的風量大，打鉆、支護作業(yè)需要的風量相對要小，而風機出口風量往往是按隧道內(nèi)最大需風量來設(shè)計的。各工況需風量統(tǒng)計見圖3。

圖3 各工況需風量統(tǒng)計Fig.3 Quantities of air needed under different construction conditions

在隧道施工過程中，風機連續(xù)運行，造成電能大量浪費。采用隧道施工通風自動控制系統(tǒng)，運用模糊PID控制與變頻調(diào)速技術(shù)控制交流異步電動機的輸入頻率，以隧道掘進工作面有害物質(zhì)濃度與作業(yè)環(huán)境溫度等為控制對象來控制風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)掘進工作面風量的閉環(huán)控制，在保證隧道施工作業(yè)需風要求的情況下可有效節(jié)約能源。掘進工作面風量自動控制系統(tǒng)見圖4。

圖4 掘進工作面風量自動控制系統(tǒng)Fig.4 Air quantity automatic control system

3.1 節(jié)能原理

根據(jù)流體力學理論［6］，對于同一臺風機，當風機轉(zhuǎn)速有n1改變?yōu)閚2時，風機的風量、風壓、功率與轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系為:

式中:n1，n2為通風機調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min;H1，H2為通風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風壓，Pa;N1，N2為通風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，kW。

由以上的比例關(guān)系，可以看出，風機的風量與轉(zhuǎn)速成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這說明通過改變通風機的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風機的輸入功率，達到節(jié)省電能的目的。

3.2 施工通風自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及風量控制模式

各作業(yè)工序需要的風量大致為打眼裝藥120 m3/min，放炮排煙 250 m3/min，初噴 350 m3/min，出渣654 m3/min，初期支護350 m3/min。出渣運輸作業(yè)所需風量最大。隧道施工通風自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)由隧道通風機、自動控制柜、信號傳輸系統(tǒng)、傳感器組成。傳感器是用來實現(xiàn)對作業(yè)面相關(guān)參數(shù)的不間斷監(jiān)測，信號傳輸線是用來把傳感器所監(jiān)測到的信息傳輸給自動控制柜，自動控制柜根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動控制通風機的轉(zhuǎn)速，從而控制風量的大小，以此來達到根據(jù)作業(yè)面監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)通風機風量的目的。系統(tǒng)配置時，自動控制柜布置在風機附近，PLC及擴展模塊、變頻器、光端機以及電度表均設(shè)置在自動控制柜內(nèi);CO傳感器、粉塵傳感器、O2傳感器及NO2傳感器布置在掌子面附近，風速傳感器設(shè)置在風管內(nèi)距離出風口10 m處，傳感器通過光纖與自動控制柜連接;上位機監(jiān)控系統(tǒng)布置在洞外監(jiān)控室，并通過過程現(xiàn)場總線與自動控制柜連接。

圖5 三都隧道自動控制通風系統(tǒng)布置示意圖Fig.5 Layout of automatic-controlled ventilation system of Sandu tunnel

4 通風效果分析

三都隧道進口工區(qū)平導采用射流巷道通風方式和自動控制通風系統(tǒng)，不僅取得了很好的通風環(huán)境效果，而且也取得了良好的經(jīng)濟社會效益。圖6為自動控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。在試驗過程中，選擇一個施工循環(huán)進行分析。其施工工序為:8:10放炮—8:25開始出渣—10:55出渣結(jié)束、開始初期支護—12:55開始噴漿—13:25開始打鉆—15:25循環(huán)結(jié)束。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集的風速、粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度和O2濃度的變化繪制成曲線，如圖7—11所示。

圖6 自動控制系統(tǒng)設(shè)備圖Fig.6 Equipment of automatic control system

由圖7—11可以看出，除了放炮后存在短時間的CO濃度超標外，其他時間段未出現(xiàn)任何有害物質(zhì)濃度的超限、O2濃度不足的情況，在炮后15 min內(nèi)將CO濃度降到了規(guī)范允許值以內(nèi)。出渣階段，由于內(nèi)燃機械的運轉(zhuǎn)，氮氧化物濃度起控制作用，變頻器頻率一直保持在50 Hz的運行狀態(tài)。出渣結(jié)束進入初期支護階段時，各有害物質(zhì)濃度明顯降低，變頻系統(tǒng)輸出頻率也相應(yīng)降低，直到噴漿階段，系統(tǒng)檢測到粉塵濃度呈快速上升趨勢后，變頻系統(tǒng)輸出頻率又上升到50 Hz的運行狀態(tài)。噴漿結(jié)束后到打鉆階段，粉塵濃度逐漸下降，各有害物質(zhì)及O2濃度均為達標狀態(tài)，輸出頻率逐漸降到44 Hz，并一直以該頻率運轉(zhuǎn)直至該班結(jié)束。在整個開挖循環(huán)時間內(nèi)，有近40%的時間段系統(tǒng)以較低頻率運行。

期間對平導耗電量進行了統(tǒng)計，未采用自動控制通風系統(tǒng)時48 h內(nèi)耗電量為3 232 kWh，采用自動控制通風系統(tǒng)48 h內(nèi)耗電量為2 706 kWh?？梢?，采用自動控制通風系統(tǒng)時節(jié)省耗電量526 kWh，節(jié)能效率達 16.3%。

圖11 O2濃度隨時間變化的曲線Fig.11 Oxygen concentration VS time

5 結(jié)論與建議

在輔助導坑條件下多作業(yè)面平行施工時，通風問題往往是影響正常施工的一個主要問題，采用射流巷道式通風方法能有效地解決其通風問題;采用施工通風自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道施工作業(yè)面新鮮風量的自動調(diào)節(jié)，可有效地節(jié)約電能，提高經(jīng)濟效益。數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸受隧道檢底，對襯砌段的影響較大，建議對數(shù)據(jù)無線傳輸作進一步研究，以消除有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

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