基于隔板式通风的高海拔隧道施工需风量修正计算方法

2022-06-19郭佳城卢春浩

四川建筑 2022年2期

郭佳城卢春浩

摘要：当隧道开挖掌子面较多时，所需风量急剧增加，一般推荐采用隔板式通风方式。对于高海拔隧道，设计需风量的合理与否对于保障隧道内正常通风和作业人员施工安全意义重大。文章依托于川藏铁路采用隔板式通风的某高海拔隧道，进行施工通风需风量的海拔高度修正计算，同时考虑隔板式风道漏风率的影响，最终得到该隧道的设计需风量为1376.2 m3/min，研究成果可为类似高海拔隧道施工通风需风量修正计算提供一定的参考价值。

[基金项目]西南交通大学2020年大学生创新创业训练计划项目（项目编号：200137）

[作者简介]郭佳城（1996—），男，硕士，研究方向为隧道通风节能及防災;卢春浩（2000—），男，本科，研究方向为隧道通风。

高海拔地区通常具有“三低”的环境特征，即“低温、低氧、低压”，在该区域内进行隧道施工时，保障隧道内作业面空气质量面临着巨大挑战。施工通风作为隧道内外空气热交换的唯一手段，其对于满足隧道内充足供风和作业人员施工安全起着至关重要的作用。当隧道开挖断面过大或开挖作业面过多时，其会导致需风量剧增。若采用常规风管（直径一般为1.8～2.2 m）通风，当风管直径一定时，需风量的增大将使得风管内风速过大，而沿程阻力与风速平方成正比，从而大大增加风机的通风功率和经济成本。基于此，考虑到高海拔隧道施工的特殊环境和需风量的剧增，施工通风一般采用较大断面的隔板式通风方式。而需风量修正计算是高海拔隧道隔板式通风中必须考虑的关键性问题之一。

针对高海拔隧道施工通风需风量修正计算，国内众多学者已开展了一系列研究。苟红松等[1]在考虑海拔高度和空气性质的关系基础上对高海拔隧道施工通风需风量计算、通风阻力变化及风机选型展开分析，并进行修正计算;肖元平等[2]在隧道施工引入单斜井双正洞射流通风技术，并通过对风机选型及风机和风管配套选型进行理论计算说明这种通风模式的科学性，并成功解决了由斜井进入正洞多工作面同时施工的通风难题;赵冬波等[3]通过对隔板风道通风技术的通风原理、布置方式、适用条件和操作要点等进行分析，提出合理的需风量计算方法，并通过案例试算证明隔板式通风的节能优势;曹传文[4]针对大坂山隧道通风技术参数难以满足施工通风要求的问题，在考虑海拔变化因素基础上展开通风风量和通风阻力的系数修正计算并验证其可行性。

本文依托川藏铁路某高海拔隧道工程，该隧道采用隔板式通风方式，对其施工通风需风量修正计算方法展开研究，研究成果可为类似隧道施工通风设计提供有益的借鉴价值。

1 工程概况

川藏铁路某隧道工程海拔3 500 m，全长为37 958 m，最大埋深可达1 673 m。隧道主洞结构形式为曲墙式隧道，采用双洞单线行车模式，其左、右线断面面积为80 m2，单斜井长度为3 789 m，斜井断面面积60 m2。该隧道具有超特长、埋深大的特点，为了满足工期需要，需利用斜井进行长隧短打，并兼顾隧道左、右线施工。由于施工作业掌子面较多，其所需需风量较大，且无论采用分修还是合修，隧道施工断面面积均较大，施工通风面临着巨大的挑战。隧道利用斜井进行多掌子面分段施工示意如图1所示。

当隧道施工通风需风量较大时，采用现有的柔性拉链式风管已明显不能满足施工通风需求，故需采用断面较大且密闭性较好的隔板式通风方式，其隔板式通风横断面示意图和通风流程图分别如图2、图3所示。

2 海拔高度对大气参数的影响

隧道需风量主要是由满足施工人员呼吸、稀释施工机械排污废气、爆破排烟、最小风速需风量四者中的最大值决定。而高海拔地区环境因素和平原地区相比，其发生了明显的改变，故需要在考虑影响需风量的环境因素基础上进行需风量修正。本节主要研究海拔高度对大气氧含量和重度的影响。

2.1 海拔高度对氧含量的影响

根据理想气体状态方程计算公式：

式中：P为气体压强，Pa;V为气体体积，m3;n为气体物质的量，mol;T为体系温度，K;R为理想气体常数，J/mol·K。

克拉伯龙方程设摩尔体积为Vm，则有：

假设有1 m3空气，则可将体积浓度转化成质量浓度为：

式中：C为质量浓度，g/m3;X为氧气的体积分数。

故氧气的质量浓度转换公式为：

根据式（4）可得氧气质量密度（即质量浓度）随海拔的变化规律如表1所示。

通过计算，可得出氧气质量密度随海拔高度变化计算结果如图4所示。

综上所述，氧气质量密度随着海拔高度的增加下降较为明显，海拔高度从0 m上升至6 000 m时，氧气质量密度从182.8 g/m3降低至152.4 g/m3。相同体积下海拔高度6 000 m处氧含量相当于0 m处氧含量的53.8 %。

2.2 海拔高度对重度的影响

随着隧道所处的海拔变高，大气重度将逐渐减小，其重度与海拔高度的关系式[5]为：

式中：γh为高度h处的大气重度，N/m3;γ0为高度0处的大气重度，N/m3;h为海拔高度，m。

大气重度海拔修正系数为：

随着海拔高度的逐渐升高，大气重度γh将逐渐降低，大气重度海拔修正系数小于1。

综上所述，海拔高度对大气氧含量浓度和大气重度均会产生较大影响，施工通风需风量计算需考虑这两种因素的影响。

3 考虑海拔高度的隧道需风量修正计算

高海拔环境条件对人员、机械排污以及爆破烟尘均有影响，而最小风速主要考虑的是对粉尘浓度的影响，海拔因素影响较小，故本节主要针对前述三者进行需风量的海拔高度修正计算。

3.1 施工人员需风量修正

隧道内作业施工其人员需风量计算公式为：

式中：Vp为隧道施工人员呼吸所需需风量，m3/min;m为隧道内各工序最多作业人员数量，主洞按80人计;K为风量备用系数，常取1.1。

平原人员需风，按照每人3 m3/min，依托工程为3 500 m的高海拔隧道，根据环境影响规律，计算采用4 m3/min进行海拔修正。

3.2 稀释爆破排烟需风量修正

本隧道采用钻爆法施工，以全断面开挖的最大耗药量进行计算，分别考虑周边眼、掏槽眼以及辅助眼的炸药用量。本文综合考虑选择使用按照排出炮烟计算风量，其公式[6]为：

式中：Q为爆破排烟需风量，m3/min;t为爆破后排烟通风时间，20 min;G为断面爆破所需炸药量，250 kg;b为断面所用炸药每1 kg所产生的CO量，一般取为40 L/kg;A为断面面积，该隧道断面为80 m2;L0为风管通风长度，取为100 m;Pq为各区间末端的风量比，此处取为1;Ca为CO設计浓度，根据TB 10204-2002《铁路隧道施工规范》CO浓度取为80 ppm即0.008 %。

而在高海拔地区，随着大气重度下降，同等条件下产生的有害气体体积增大，此时需要更多的需风量。本依托工程隧道海拔高为3 500 m，由式（6）可计算得到大气重度海拔修正系数Kγ=0.705，代入需风量修正计算公式为：

3.3 稀释施工机械尾气排放需风量修正

隧道施工中当进行掌子面开挖、立架、出渣以及二衬等工序施工时，其施工机械较多将产生大量的有害废气，必须及时将其排出隧道从而保障隧道内卫生标准，其需风量计算为：

式中：Q为稀释施工机械尾气排放所需总需风量，m3/min;α为各施工机械作业利用率;均取为0.65;Q1为稀释单位功率内燃机产生废气需风量，m3/（min·kW）;Ni为隧道内所有施工机械功率，kW。

隧道洞内内燃设备在出渣时假定有1台侧卸式装载机和3台自卸汽车，其中侧卸式装载计算功率为145 kW;自卸车计算功率100 kW。

平原地区稀释1 kW功率排放有害气体所需风量定为3 m3/（min·kW），随着海拔高度的增加，考虑有害体积增大，3 000～4 000 m海拔地区的隧道施工稀释1 kW功率排放有害气体所需风量定为6 m3/（min·kW）。

3.4 施工断面最小风速需风量

根据JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技术规范》相关规定，隧道全断面开挖时通风风速不应低于0.15 m/s，导洞风速不宜低于0.25 m/s，但均不应大于6 m/s[7]。隧道施工通风应满足洞内各项作业所需要的最小风量。则隧道掌子面按最小风速计算的风量计算式为：

式中：Qv为最小风速需风量，m3/min;v为允许最低风速，m/s;A为开挖断面积，m2。

4 隔板式通风漏风率现场实测

高海拔隧道隔板式通风中的漏风现象主要受到隔板材料的施作方式和材料性能的影响。根据关角隧道、六盘山隧道、引汉济渭引水隧道、长洪岭铁路隧道等采用隔板式通风的隧道调研可知，目前主要有2种施作方式：隔板材料（薄铁皮）拼装以及现浇式混凝土结构。由于现浇混凝土结构具有完全密封性，其漏风率为0，若采用该施作方式，计算需风量海拔修正的最大值即为设计需风量，此时不需考虑漏风率的影响;当采用隔板材料拼装时，由于通风管道并非完全密闭，故需对需风量进行漏风率修正。

本文对长洪岭隧道隔板风道不同位置处的风量进行现场测试，采用式（12）计算得到该隧道隔板式风道的平均百米漏风率。长洪岭隧道施工中的隔板风道布置如图5所示。

隧道平均100 m漏风率计算式为：

式中：P100为管路平均100 m漏风率;Qf为风机供风量，m3/s;Q0为管路末端风量，m3/s;L为管路长度，m。

通过实测，长洪岭隧道的漏风率现场测试结果位于0.97 %～2.95 %之间，平均100 m漏风率取为2.28 %，故可将长洪岭隧道平均100 m漏风率测试值作为本文隧道施工通风需风量修正计算的漏风率取值。

5 隔板式通风设计需风量确定

本文以川藏铁路某隧道为例进行计算，隧道海拔高度3 500 m，隧道采用斜井隔板式通风方式，隧道结构型式为双洞单线上、下行分离，单洞隧道面积为80 m2，施工通风考虑人员、机械排污、爆破排烟以及最小风速（排尘）四者需风量，同时考虑高海拔环境因素对需风量的影响，其计算结果如表2所示。

根据上述最大需风量计算结果，同时考虑隔板式通风沿程平均100 m漏风率为2.28 %，则计算得到该隧道最终的设计需风量为1 376.2 m3/min。

6 结论

本文基于隔板式通风的高海拔隧道展开施工通风需风量修正计算方法研究，主要得到结论：

（1）探究了高海拔环境下海拔高度对于空气氧含量和重度的影响。其中，氧气质量密度随海拔高度的增加下降较为明显，当海拔高度从0 m上升至6 000 m时，氧气质量密度从182.8 g/m3降低至152.4 g/m3;同时大气重度γh也随海拔高度的升高逐渐降低，大气重度海拔修正系数小于1。

（2）计算得到平原地区施工人员呼吸、稀释爆破排烟需风量、稀释施工机械尾气排放需风量及最小风速需风量的计算公式，并针对前三者进行考虑海拔高度的需风量修正。

（3）通过对长洪岭隧道隔板式通风进行漏风率现场实测，得到该隧道平均100 m漏风率为2.28 %，并将其作为本文需风量修正计算的漏风率取值。