隧道施工通風(fēng)方式的選擇.doc

隧道施工通風(fēng)方式的選擇李永生(中鐵隧道集團(tuán)有限公司科研所 洛陽 471009)摘 要：本文對隧道施工通風(fēng)的方式進(jìn)行了歸納總結(jié)，就如何針對不同的施工條件選擇相應(yīng)的通風(fēng)方式進(jìn)行了介紹，并提出了一些發(fā)展建議。關(guān)鍵詞：隧道 施工通風(fēng) 通風(fēng)方式 選擇1 前言無論是在隧道施工開挖時，還是在并巷工程的巷道掘進(jìn)中，為了稀釋和排出巖體涌出的有害氣體、爆破產(chǎn)生的炮煙和粉塵，保持良好的空氣條件，必須對開挖工作面進(jìn)行通風(fēng)，即向工作面送人新鮮風(fēng)流，稀釋和排出污濁空氣。但是，如何才能充分利用現(xiàn)有條件，使通風(fēng)效果達(dá)到最佳、成本降到最低呢?這就需要首先對通風(fēng)方式進(jìn)行合理的選擇。2 通風(fēng)方式的分類與選擇通風(fēng)方式按照通風(fēng)的動力劃分，可分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)。2.1 自然通風(fēng)在氣壓、溫度和自然風(fēng)力等各種自然因素的作用下，使空氣獲得能量，并沿并巷流動的現(xiàn)象，稱為自然通風(fēng)。而借助于自然因素產(chǎn)生的使空氣流動的能量，稱為自然風(fēng)壓。在圖1所示的地下井巷中，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的標(biāo)高差為Z1-2，此高差內(nèi)空氣密度平均值為1-2；3至4段為最低標(biāo)高的水平巷道；2至3段和4至5段的標(biāo)高差分別為Z2-3和Z4-5，空氣密度平均值分別為2-3和p4-5。根據(jù)能量變化方程可知1至5點的阻力為：hr=d+12-52+(Z1-2+Z2-3-Z4-5)g2式中：hr通風(fēng)阻力；d單位質(zhì)量空氣靜壓；空氣密度；1進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速；5出風(fēng)口風(fēng)速；g重力加速度。上式中，因v1=0；Z1-2+Z2-3-Z4-5=0則有hr=d-52 （1）2因出風(fēng)口處5點的單位質(zhì)量速壓(52/2)為出口的能量損失，可計為通風(fēng)總阻力的一部分，而可服通風(fēng)總阻力所需要的能量即為自然風(fēng)壓，則自然風(fēng)壓為：hn=d （2）則單位體積空氣所產(chǎn)生的自然風(fēng)壓為：hn=ad （3）式中：a空氣平均密度；當(dāng)把井巷內(nèi)空氣視為不可壓縮流體時，其靜壓與深度成正比，即d=dz，則(3)式可改寫為：式中：0大氣平均密度；由于溫度隨四季變化的地表空氣進(jìn)入井下必與各種熱源進(jìn)行熱交換，致使井下的空氣密度不斷發(fā)生變化，造成進(jìn)回風(fēng)兩列空氣柱的重力不平衡。因而產(chǎn)生能量差克服通風(fēng)阻力，推動氣流沿井巷流動。產(chǎn)生的能量差就是自然風(fēng)壓，其大小主要取決于進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)空氣的溫度差和井巷深度，空氣溫度對其影響較小。溫差越犬、井巷越深，自然風(fēng)壓越大。自然通風(fēng)方式因受自然條件和施工方法的影響和限制很大，所以在隧道施工中很少應(yīng)用，主要應(yīng)用于礦山開采的井巷工程和部分短隧道的運營通風(fēng)中。選擇此方式通風(fēng)必須掌握氣候條件和自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，防止風(fēng)流反向。此方式一旦得以應(yīng)用對于節(jié)能是非常有利的。另外，有些極短的隧道開挖完全依靠空氣擴散來換氣通風(fēng)，此方式換氣時間長，一般不宜采用。2.2 機械通風(fēng)機械通風(fēng)包括多種方式，一般根據(jù)隧道的長短、是否存在輔助坑道和自然地質(zhì)條件來選擇不同的通風(fēng)方式。2.2.1 管道式通風(fēng)管道式通風(fēng)考慮到漏風(fēng)和風(fēng)阻的變化影響，一般只適用于獨頭通風(fēng)較短的隧道，可供選擇的方式有三種。即壓人式、抽出式和混合式。a 壓人式通風(fēng)其布置如圖2所示，風(fēng)機和啟動裝置安裝在距離隧道口30m以外的新鮮空氣處，風(fēng)機把新鮮風(fēng)流經(jīng)風(fēng)管壓送到開挖工作面，污風(fēng)沿隧道排出。風(fēng)管出風(fēng)口距開挖工作面的距離根據(jù)理論分析和實踐證明可以用下式確定：lp=(45)S ，m (4)式中：lp風(fēng)管出風(fēng)口距開挖工作面距離；S隧道凈斷面積。此通風(fēng)方式采用的是柔性風(fēng)管，成本比較低，但其缺點是污風(fēng)經(jīng)整條隧道后排出洞外。一般無軌運輸施工的隧道多采用此通風(fēng)方式。b抽出式通風(fēng)其布置如圖3所示，風(fēng)機和啟動裝置安設(shè)在距隧道口30m以外的下風(fēng)向，新鮮風(fēng)流沿隧道流入污風(fēng)經(jīng)風(fēng)管由風(fēng)機抽出。風(fēng)管吸風(fēng)口距開挖工作面的距離可用下式確定：le=1.5S ，m (5)式中：le風(fēng)管吸風(fēng)口距開挖工作面距離；S隧道凈斷面積。此通風(fēng)方式將工作面的污風(fēng)直接經(jīng)風(fēng)管抽出洞外，保證了整條隧道的空氣清潔，對保護(hù)人體健康有利，較適用于有軌運輸施工的隧道。但其缺點是采用剛性風(fēng)管，并且在瓦斯隧道中需要配備防爆風(fēng)機，成本比較高。另外，與抽出式相仿的使用柔性風(fēng)管的通風(fēng)方式還有壓出式，如圖4所示，但此方法在開挖時風(fēng)機隨工作面的推進(jìn)需不斷前移，并且放炮時飛石易擊壞通風(fēng)設(shè)備，一般不宜采用。c混合式通風(fēng)它是由壓人式和抽出式聯(lián)合工作，兼有二者的優(yōu)點，具體的布置方式又分為長壓短抽方式和長抽短壓方式，而后者又分為前壓后抽式和前抽后壓式。 長壓短抽方式如圖5所示，以壓人式通風(fēng)為主，靠近工作面一段用抽出式通風(fēng)，抽出式通風(fēng)要配備除塵裝置。一般用在開挖工作面粉塵特別多的工點，主要使用柔性風(fēng)管，成本較低，但除塵器要經(jīng)常隨風(fēng)管移動，并且增大了通風(fēng)阻力，除塵效果差時，未除掉的微塵和污風(fēng)會使全巷道受到污染。在隧道施工中很少應(yīng)用此通風(fēng)方式。 前壓后抽方式如圖6所示，以抽出式通風(fēng)為主，靠近工作面設(shè)一段壓人式通風(fēng)。此通風(fēng)方式可使整條隧道不受煙塵污染，但主要使用剛性風(fēng)管，成本較高。此通風(fēng)方式也較適用于有軌運輸施工的隧道。 前抽后壓方式如圖7所示，以抽出式通風(fēng)為主，抽出風(fēng)管口靠近工作面，巷道中設(shè)一段壓人式風(fēng)管，其出風(fēng)口在抽出風(fēng)口后面。其優(yōu)缺點與前壓后抽式相同，只是此通風(fēng)方式一般在并巷工程中應(yīng)用。在混合式通風(fēng)中，壓人式風(fēng)機的風(fēng)量要比抽出式小，有時可用引射器代替；壓人式風(fēng)管出風(fēng)口距工作面的距離按(4)式計算；為避免污風(fēng)循環(huán)，壓人式風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口距抽出式風(fēng)管吸風(fēng)口(或壓出式風(fēng)機吸風(fēng)口)的重合距離不得小于10m，并且盡量使排出的污風(fēng)處于下風(fēng)向。各種通風(fēng)方式的風(fēng)管口距工作面距離都較近，放炮時經(jīng)常炸破風(fēng)管，裝拆和維護(hù)風(fēng)管很麻煩，目前還沒有很好的解決辦法。以上所介紹的通風(fēng)方式可根據(jù)投入的資金和設(shè)備不同、通風(fēng)所要達(dá)到的要求和地質(zhì)條件(是否存在易燃、易爆、有毒、有害氣體等)的不同來進(jìn)行合理選擇。2.2.2 巷道式通風(fēng)巷道式通風(fēng)主要是針對在長大隧道施工中開設(shè)有各種輔助坑道的情況，如平行導(dǎo)坑(簡稱平導(dǎo))、斜井、豎井和鉆孔等。如果沒有輔助坑道，施工通風(fēng)只能選擇前面所介紹的幾種管道式通風(fēng)；如果設(shè)有輔助坑道，則施工通風(fēng)就要針對不同的輔助坑道并根據(jù)施工方法和設(shè)備條件等選擇不同的通風(fēng)方式。充分利用輔助坑道進(jìn)行施工通風(fēng)，將會大大縮短獨頭通風(fēng)的距離，降低施工成本。a利用斜井、豎井或鉆孔進(jìn)行施工通風(fēng)如圖8和圖9所示，為軍都山隧道斜并施工通風(fēng)示意圖。在圖8中采取混合斜井進(jìn)風(fēng)，抽出式通風(fēng)，設(shè)有兩道風(fēng)管分別通向兩個開挖工作面，風(fēng)機和啟動裝置可設(shè)在井口之外。也可串聯(lián)在井底或隧道內(nèi)的風(fēng)管中間?；旌闲本部刹捎脡喝耸酵L(fēng)，但均以斜井內(nèi)排除的污風(fēng)不回流至隧道內(nèi)為宜；圖9為主、副斜井通風(fēng)布置，通風(fēng)機均布置在主斜井并底，并且新鮮風(fēng)流經(jīng)主斜井壓人隧道工作面，主斜井井底還設(shè)有輔助風(fēng)門，平時關(guān)閉，過往運輸時打開，工作面產(chǎn)生的污濁空氣由副斜井排出。為使隧道內(nèi)空氣狀況更好些，此處也可應(yīng)用到抽出式或混合式通風(fēng)，將抽風(fēng)機安設(shè)在副斜井內(nèi)即可。豎井或鉆孔的通風(fēng)布置與斜井基本相似，這里不再贅述。需要特別指出的是，當(dāng)隧道與地面的高差較大或豎井(或斜井或鉆孔)井口與隧道口的標(biāo)高差較大時，可以利用自然風(fēng)壓通風(fēng)，不用安設(shè)抽出式風(fēng)機，如圖10所示。但由于自然風(fēng)壓隨季節(jié)和地面氣候變化較大，此方式要慎重采用，多數(shù)情況下必須安設(shè)抽出式風(fēng)機，且風(fēng)量應(yīng)大于壓人式風(fēng)機的風(fēng)量。b利用平行導(dǎo)坑進(jìn)行施工通風(fēng)正洞與平導(dǎo)開挖初期還沒有橫通道聯(lián)通時，其通風(fēng)與管道式通風(fēng)相同，均為獨頭通風(fēng)。當(dāng)開挖到一定長度，正洞與平導(dǎo)通過橫通道聯(lián)通時才能形成一個完整的通風(fēng)系統(tǒng)，如圖11和圖12所示，為渝懷鐵路圓梁山隧道施工過程中的通風(fēng)示意圖。在圖11中新風(fēng)由平導(dǎo)流人，平導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生的污濁空氣經(jīng)3通由正洞排出。這里的通風(fēng)系統(tǒng)采用了射流通風(fēng)技術(shù)，在平導(dǎo)中2通與3通之間布置了兩臺射流風(fēng)機，利用其射流、卷收和誘導(dǎo)作用使巷道中的氣流升壓，將工作面產(chǎn)生的污濁空氣壓人3通，再經(jīng)正洞排出。0通是為方便運輸而開設(shè)的，為防止污風(fēng)循環(huán)采用了小功率射流風(fēng)機進(jìn)行封堵。此通風(fēng)方式中風(fēng)機是隨著前面橫通道的貫通逐漸前移的，后面的橫通道可根據(jù)需要選擇射流風(fēng)機、風(fēng)墻、風(fēng)帳或風(fēng)門封堵，應(yīng)盡量減小漏風(fēng)、避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)，為了有利通風(fēng)和方便施工，一般風(fēng)機都安設(shè)在平導(dǎo)內(nèi)，即平導(dǎo)進(jìn)風(fēng)、正洞回風(fēng)。此通風(fēng)方式通過利用平導(dǎo)大大縮短了風(fēng)管的長度，降低風(fēng)阻和漏風(fēng)率、保證充足的風(fēng)量；其缺點是正洞長期處于污風(fēng)之中。要改善這種狀況，可增加除塵裝置或?qū)⑶懊娼榻B的混合式通風(fēng)（即抽、壓結(jié)合）應(yīng)用于此，但成本會提高很多。圖12是在圖11的基礎(chǔ)上，當(dāng)施工有所進(jìn)展而形成的，其形式大同小異，不再贅述。另外，利用平導(dǎo)進(jìn)行施工通風(fēng)還有一種方式，是將平導(dǎo)洞口設(shè)一風(fēng)門，在平導(dǎo)外側(cè)通過另設(shè)風(fēng)道來安設(shè)大功率主扇，平導(dǎo)和橫通道內(nèi)再通過安設(shè)局扇來向各工作面送風(fēng)。如圖13為大瑤山隧道進(jìn)口施工過程中的通風(fēng)示意圖。此通風(fēng)方式與前面介紹的圓梁山隧道施工通風(fēng)有相似之處，只是其缺點除了正洞長期處于污風(fēng)之中外，應(yīng)用大功率主扇耗電量非常大，風(fēng)門漏風(fēng)和橫通道封閉不嚴(yán)使部分風(fēng)流短路，浪費的能量過多。考慮到節(jié)能、降低成本和操作的方便性，此通風(fēng)方式現(xiàn)已很少采用。3 結(jié)束語隨著隧道施工技術(shù)和井巷工程技術(shù)的不斷發(fā)展，其施工通風(fēng)技術(shù)也在不斷提高，并向著綜合通風(fēng)技