楊威文 黃宇翔

廣州市市政集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510068

隨著經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)提升，我國(guó)城市化發(fā)展速度越來(lái)越快，交通壓力也就隨之增加，對(duì)城市地鐵進(jìn)行修建成為主要任務(wù)之一。城市地鐵大部分處于地下，最常用施工方法是盾構(gòu)法，盾構(gòu)施工過程中，空氣流通效果較差，同時(shí)施工環(huán)境中具有濕度大、有灰塵的特點(diǎn)，特別是多雨地區(qū)或多雨季節(jié)，施工環(huán)境中濕熱問題顯著。因此，隧道氣候好壞直接影響到隧道內(nèi)作業(yè)人員身心健康、安全、勞動(dòng)效率和舒適性以及機(jī)械設(shè)備故障率。所以每條盾構(gòu)隧道作業(yè)前，必須根據(jù)開挖隧道實(shí)際情況對(duì)通風(fēng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，防止隧道內(nèi)送風(fēng)量不足，提高作業(yè)效率，減小對(duì)作業(yè)人員身體健康影響，同時(shí)避免能源浪費(fèi)，提高單位能耗產(chǎn)值。

1 風(fēng)量設(shè)計(jì)

風(fēng)量指單位時(shí)間內(nèi)特定空間空氣流通量。隧道通風(fēng)關(guān)鍵是考慮通風(fēng)量對(duì)應(yīng)風(fēng)速對(duì)粉塵控制的影響及作業(yè)人員對(duì)新風(fēng)量需求，同時(shí)兼顧將隧道內(nèi)部分熱量及盾構(gòu)中產(chǎn)生有害氣體帶出到隧道外擴(kuò)散，以此保證作業(yè)人員工作環(huán)境及身心健康。

1.1 按照規(guī)范規(guī)定洞內(nèi)允許最小風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)量

（1）TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》，其中對(duì)隧道施工環(huán)境中溫度和風(fēng)速應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，要求在隧道施工過程中：“風(fēng)速在全斷面開挖時(shí)不小于0.15 m/s”。（2）國(guó)際隧協(xié)要求空氣的供給量或從作業(yè)面的排出量為：在任何時(shí)候全斷面隧道或豎井最小平均風(fēng)速應(yīng)在0.3 ～2m/s。（3）英國(guó)《建筑工業(yè)中隧道開挖作業(yè)安全實(shí)用規(guī)程》認(rèn)為：當(dāng)風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)，粉塵會(huì)逆風(fēng)擴(kuò)散。（4）美國(guó)的《煤炭礦井通風(fēng)法規(guī)》要求平均風(fēng)速為0.30m/s這個(gè)速度是基于全斷面來(lái)說(shuō)的，而不考慮設(shè)備擠占空間，并且0.30m/s是最低限度。從控制粉塵方面要求風(fēng)速為0.61m/s,因?yàn)檠芯孔C明這一風(fēng)速能很好地控制粉塵。

則按照規(guī)范滿足洞內(nèi)允許最小風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)量：

式中, V1為隧道風(fēng)量需求，m3/h；s為隧道斷面面積，m2;V為允許最小風(fēng)速,m/h。

1.2 按滿足規(guī)范規(guī)定人均新風(fēng)量計(jì)算所需送風(fēng)量

（1）鐵道部《隧規(guī)》規(guī)定按3m3/(p·min)計(jì)算。

（2）煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T634-1996煤礦礦井風(fēng)量計(jì)算方法中規(guī)定每人每分鐘 供給風(fēng)量不得小于4m3/(p·min);

則按滿足規(guī)范規(guī)定人均新風(fēng)量計(jì)算所需送風(fēng)量：

式中,V2作業(yè)人員所需新風(fēng)量，m3/h；q為每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3; m為隧道內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)；K為備用系數(shù)，1.1～1.15。

小結(jié)：據(jù)以上規(guī)范，無(wú)具體到對(duì)盾構(gòu)隧道規(guī)定。一般情況下，盾構(gòu)隧道比其它方式挖掘的隧道作業(yè)環(huán)境較好，較少粉塵。因此滿足要求情況下，為節(jié)約能量，通風(fēng)量在合理范圍內(nèi)越小越好，但從作業(yè)效率及身心健康出發(fā)，則應(yīng)保持隧道內(nèi)擁有必要的舒適度。在滿足人均新風(fēng)量條件下，盾構(gòu)隧道內(nèi)平均風(fēng)速為0.5～0.6m/s較為合理，結(jié)合隧道斷面，考慮臺(tái)車上設(shè)備擠占空間，計(jì)算出所需風(fēng)量。如在此計(jì)算風(fēng)速下，若無(wú)法滿足隧道內(nèi)降溫要求，應(yīng)增加相應(yīng)制冷設(shè)備，通過冷卻水將熱量高效地帶出到隧道。因隧道空間有限，盲目增加風(fēng)速，較多情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)并不經(jīng)濟(jì)，并增加有限空間內(nèi)噪音及揚(yáng)塵，影響正常施工健康作業(yè)。

隧道通風(fēng)大部分區(qū)域使用軟風(fēng)管，根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，柔性風(fēng)管[2]采用平均百米漏風(fēng)率取參考表中最大值的1.5%,根據(jù)風(fēng)管長(zhǎng)度,通風(fēng)機(jī)需考慮一定風(fēng)量余量，以滿足隧道前端通風(fēng)量要求。

2 風(fēng)壓設(shè)計(jì)

風(fēng)壓是克服風(fēng)流阻力產(chǎn)生的壓頭。管道通風(fēng)中，一般由氣體輸送機(jī)械對(duì)空氣提供動(dòng)力來(lái)克服風(fēng)壓，從而使空氣保持一定速度運(yùn)動(dòng)。通常所說(shuō)風(fēng)壓是動(dòng)風(fēng)壓與靜風(fēng)壓的總和,即:H=ΔP+ρgΔh+0.5ρΔu2；ΔP:靜壓, ρgΔh:位壓,0.5ρΔu2:動(dòng)壓, 單位一般都采用:Pa。一般情況下,位壓很小(因空氣的比重在常溫下很小)，動(dòng)壓稍大，靜壓最大。

通俗講：動(dòng)壓是帶動(dòng)氣體向前運(yùn)動(dòng)壓力，表現(xiàn)是使管內(nèi)氣體改變速度，動(dòng)壓只作用在氣體流動(dòng)方向恒為正值。

由于空氣分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而撞擊于管壁上產(chǎn)生的壓力稱為靜壓。計(jì)算時(shí)，以絕對(duì)真空為計(jì)算零點(diǎn)的靜壓稱為絕對(duì)靜壓；以大氣壓力為零點(diǎn)的靜壓稱為相對(duì)靜壓。靜壓主要用來(lái)克服沿途所有阻力，主要包括沿途摩擦阻力和局部阻力。隧道掘進(jìn)通風(fēng)中，除了考慮風(fēng)管摩擦阻力和局部阻力，還應(yīng)考慮利用隧道通、排風(fēng)摩擦阻力和局部阻力。因靜壓對(duì)通風(fēng)影響最大，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮好通風(fēng)管道實(shí)際布置情況，在允許條件下，盡可能降低靜壓損失。

2.1 風(fēng)管、隧道摩擦損失

式中△Pf—摩擦損失（Pa）；f—摩擦系數(shù)，無(wú)因次；L —管道長(zhǎng)度；Dh—水力直徑（mm）；V — 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）

在層流范圍內(nèi)（雷諾數(shù)Re＜2000）,摩擦系數(shù)是Re的函數(shù)；對(duì)紊流，摩擦系數(shù)取決于雷諾數(shù)、管子內(nèi)表面粗糙度及內(nèi)部突出物。

摩擦系數(shù)的簡(jiǎn)化公式為：

式中ξ- 管壁絕對(duì)粗糙度（0.03～3.0mm）

如果f′≥0.0 1 8,f=f′；如果f′≤0.0 1 8,f=0.85f′+0.0028

雷諾數(shù)：

式中ν—?jiǎng)恿φ扯龋╩2/s）;對(duì)標(biāo)準(zhǔn)空氣,R e=66.4Dh·V。

式中Dh－水力直徑（mm）; A －風(fēng)管截面積（mm2）;P－ 橫截面周長(zhǎng)（mm）。

2.2 局部阻力損失

式中△Pf—摩擦損失（Pa）；ξ—局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；V— 速度（m/s）；ρ— 密度（kg/m3）；

小結(jié)：參考以上公式，可計(jì)算出隧道通風(fēng)風(fēng)阻，包括不同位置阻力情況，進(jìn)而指導(dǎo)在實(shí)際布置中是否對(duì)通風(fēng)管道進(jìn)行改進(jìn)或增加接力風(fēng)機(jī)，提高通風(fēng)效率。風(fēng)機(jī)風(fēng)壓降低，可以大大減小風(fēng)機(jī)噪音，對(duì)于有限空間，噪音降低則提高了作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而提高作業(yè)效率。在實(shí)際運(yùn)用中，通風(fēng)須要保證一定動(dòng)壓，這樣才能保證風(fēng)在管道內(nèi)流速及突破排出口背壓。

3 風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)匹配

3.1 風(fēng)機(jī)特性

風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)或性能曲線是根據(jù)試驗(yàn)確定的。在試驗(yàn)時(shí)，吸風(fēng)全開，具有均勻氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)，而排出側(cè)接至相當(dāng)長(zhǎng)的直管段，能有效回收靜壓。如果在實(shí)際使用中不能提供良好的風(fēng)機(jī)進(jìn)出口側(cè)條件，則風(fēng)機(jī)性能受到損害，在計(jì)算阻力中應(yīng)予考慮。

風(fēng)機(jī)制造廠提供的性能數(shù)據(jù)表通常是在推薦的使用范圍內(nèi)，即效率比較髙范圍內(nèi)。提供風(fēng)機(jī)性能曲線,則所選擇的運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)位于風(fēng)機(jī)曲線上具有高效率和克服系統(tǒng)能達(dá)到的阻力，如下圖經(jīng)濟(jì)使用范圍所示。

圖1 風(fēng)機(jī)特性曲線示意圖

3.2 風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)的匹配

風(fēng)機(jī)性能必須與系統(tǒng)要求相匹配，只有一個(gè)最值運(yùn)行點(diǎn)，即系統(tǒng)特性曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓力正好與系統(tǒng)阻力相匹配，流經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)量等于風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

如果風(fēng)量不等于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)定值，則需改變風(fēng)機(jī)特性（改變轉(zhuǎn)速、尺寸或葉片角度）或改變系統(tǒng)特性（改變管件尺寸或用風(fēng)閘設(shè)定）使之相匹配。而這種情況在隧道掘進(jìn)作業(yè)是必然發(fā)生的，因掘進(jìn)作業(yè)必使整個(gè)系統(tǒng)處在變化之中，所以必須根據(jù)實(shí)際情況使用雙速或三速風(fēng)機(jī)，如需更高控制精度要求，則可以采用變頻風(fēng)機(jī)。

隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度變化時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)是變化的，所以必須尋找一個(gè)合適的范圍，使風(fēng)機(jī)高效區(qū)域能覆蓋通風(fēng)系統(tǒng)范圍，這種分析對(duì)變阻力系統(tǒng)是必須的，因?yàn)橄到y(tǒng)阻力的變化，所以風(fēng)機(jī)運(yùn)用工況點(diǎn)也在變動(dòng)中，應(yīng)計(jì)算出系統(tǒng)中實(shí)際損失，如下圖所示。

圖2 管網(wǎng)特性曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線分析圖

根據(jù)所需掘進(jìn)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)及通風(fēng)機(jī)、風(fēng)管布置情況，通過以上公式可以計(jì)算出隧道掘進(jìn)時(shí)不同通風(fēng)效果時(shí)通風(fēng)機(jī)參數(shù)配置，風(fēng)壓應(yīng)留20%左右裕量。

4 通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制

通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源主要有兩部分：一是風(fēng)機(jī)噪聲，二是管道噪聲。兩者都是空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

4.1 風(fēng)機(jī)噪聲

風(fēng)機(jī)噪聲主要為空氣動(dòng)力性噪聲，由旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲等組成。研究表明旋轉(zhuǎn)噪聲強(qiáng)度與風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量、形狀、幾何尺寸、葉輪轉(zhuǎn)速、機(jī)內(nèi)風(fēng)流速度以及流量等各因素有關(guān)。因此風(fēng)機(jī)噪聲關(guān)鍵在于設(shè)備性能或設(shè)備型號(hào)，所以關(guān)鍵在于正確選型。以下公式可對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）離心通風(fēng)機(jī)總聲功率級(jí)為：

式中 L v——通風(fēng)機(jī)的總聲功率級(jí)(dB)；L w c——通風(fēng)機(jī)的比聲功率級(jí)(dB};q vv——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量(m3/h);P v——通風(fēng)機(jī)的全壓(Pa).

同一臺(tái)風(fēng)機(jī)最佳工況點(diǎn)是最高效率點(diǎn),最低比聲功率級(jí)點(diǎn)。一般,中低壓離心通風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)的比聲功率級(jí)值可取為24dB。

（2）軸流式風(fēng)機(jī)聲功率級(jí)為：

式中 Lw——軸流風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)(dB);qvv ——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量;Pv——全壓(Pa)；δ——修正值。

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通風(fēng)機(jī)噪聲應(yīng)以制造廠提供的噪聲數(shù)據(jù)或曲線為準(zhǔn)。采購(gòu)前，請(qǐng)制造廠提供提前提供數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算，正確選型采購(gòu)風(fēng)機(jī)。

4.2 管道噪聲

由流體流動(dòng)過程中的相互作用，或氣體和固體介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生的噪聲。降低流速，減少管道內(nèi)和管道口產(chǎn)生擾動(dòng)氣流的障礙物，適當(dāng)增加導(dǎo)流片，減小氣流出口處速度梯度，改進(jìn)管道連接處密封性等措施，可以降低管道動(dòng)力性噪聲。正常條件下，直管道與彎頭氣流噪聲聲功率級(jí)可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)直管道氣流噪聲聲功率級(jí)

式中 Lw— 直管道氣流噪聲聲功率級(jí)(dB);L w c — 直管比聲功率級(jí),一般取10dB；V — 直管內(nèi)氣流速度(m/s);F —風(fēng)管截面積(m2);

(2)彎頭氣流噪聲聲功率級(jí)

式中Lw—彎頭氣流噪聲聲功率級(jí)(dB);L w c—彎頭比聲功率級(jí)(dB);fD— 頻帶低限頻率(Hz),;fz—頻率帶中心頻率(Hz);d—風(fēng)管直徑或當(dāng)量直徑(m);V—風(fēng)管內(nèi)流速(m/s)。

5 降低通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的措施

盡可能使風(fēng)管布置最佳、阻力損失小，從而使選用風(fēng)機(jī)壓力小一些，即轉(zhuǎn)速低一些，風(fēng)機(jī)噪聲也低一些。

將風(fēng)機(jī)安裝在單獨(dú)的隔聲室中，或?qū)L(fēng)機(jī)裝在消聲箱內(nèi)。將風(fēng)機(jī)安裝在減振器或彈性墊片上，風(fēng)機(jī)逬口安裝軟接管。在風(fēng)機(jī)進(jìn)、排風(fēng)管路上裝消聲器,在噪聲要求嚴(yán)格的艙室進(jìn)風(fēng)管上裝消聲器或消聲管段及消聲軟管；風(fēng)管隔振，風(fēng)管壁和固定吊架扎箍之間裝彈性橡皮墊圈；采用圓截面風(fēng)管,因在相同流量條件，矩形風(fēng)管比圓截面風(fēng)管周圍噪聲高20dB～25dB。在矩形風(fēng)管外表敷阻尼消振材料(如福樂斯材料)，可大大降低噪聲，尤其在高頻段，可降低15dB～ 20dB；風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速不宜太高，實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)風(fēng)速＜25m/s時(shí)（對(duì)于施工作業(yè)通風(fēng)而言），空氣流速對(duì)噪聲的影響不大，但空氣還是發(fā)生了紊流，為使氣流在層流范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)管內(nèi)送風(fēng)速度一般不高于13m/s；通風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處風(fēng)道保持一定長(zhǎng)度直管并裝設(shè)柔性接管；盡量避免采用90直角變徑管，減少風(fēng)閥產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲；出風(fēng)口選擇合適出風(fēng)截面積，避免末端裝置產(chǎn)生噪聲。

6 風(fēng)管漏風(fēng)防止措施

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，風(fēng)管漏風(fēng)是影響掘進(jìn)通風(fēng)距離的主要因素，會(huì)產(chǎn)生不可控噪聲，因此風(fēng)管漏風(fēng)在作業(yè)過程中應(yīng)及時(shí)修復(fù)。盾構(gòu)隧道內(nèi)一般采用柔性風(fēng)管，防止風(fēng)管漏風(fēng)主要從以下三個(gè)方面采取措施：

6.1 減少風(fēng)管接頭漏風(fēng)

提高接頭質(zhì)量，改進(jìn)風(fēng)管接頭方法，由雙交邊接頭改為三環(huán)套反接法。在采用三環(huán)套反接法同時(shí)，對(duì)每一個(gè)接頭粘補(bǔ)了一層風(fēng)管條,盡最大可能降低接頭漏風(fēng)。

6.2 處理針眼漏風(fēng)

針眼都會(huì)產(chǎn)生大量漏風(fēng)。因此，裁剪風(fēng)管細(xì)條，對(duì)風(fēng)管露出的每一排針眼都用風(fēng)管條一一粘補(bǔ)，此法基本上控制了針眼的漏風(fēng)。

6.3 防止風(fēng)管破口漏風(fēng)

風(fēng)管破口產(chǎn)生主要有風(fēng)筒老化受風(fēng)壓影響出現(xiàn)風(fēng)管破裂、運(yùn)輸過程中渣土車載料超高掛破風(fēng)筒。為了防止破口漏風(fēng)，可指派專人對(duì)風(fēng)筒管進(jìn)行檢査維護(hù)，發(fā)現(xiàn)破口及時(shí)縫補(bǔ)或更換。對(duì)風(fēng)管易被掛破位置采用金屬風(fēng)管。

7 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)隧道施工中通風(fēng)效果，直接影響到隧道內(nèi)作業(yè)人員身心健康、安全、勞動(dòng)效率和舒適性。當(dāng)前我國(guó)地鐵隧道施工之中人性化設(shè)計(jì)仍然相對(duì)落后，隧道施工作業(yè)人員多數(shù)以農(nóng)民工為主，但這一情況正在向好的方向發(fā)展，畢竟經(jīng)濟(jì)水平比之前有了質(zhì)的飛躍，現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員專業(yè)水平也有較高提升，新一代作業(yè)人員對(duì)健康意識(shí)有了更強(qiáng)認(rèn)識(shí)。在不造成能源浪費(fèi)前提下，必須滿足盾構(gòu)隧道通風(fēng)量及風(fēng)速最低要求，是對(duì)以人為本理念實(shí)施。本文通過系統(tǒng)梳理，供工程現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員設(shè)計(jì)參考使用，以促使城市地鐵盾構(gòu)機(jī)作業(yè)中通風(fēng)系統(tǒng)效果得到提升，提高盾構(gòu)作業(yè)效率，同時(shí)提高作業(yè)環(huán)境人性化設(shè)計(jì)。