特长隧道斜井施工段通风优化_王朋.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(;)作者简介:王朋(),男,陕西渭南人,高级工程师,:。通讯作者:任锐(),女,陕西渭南人,副教授,工学博士,:。第 卷第期 年月长安大学学报(自然科学版)()王朋,潘红伟,程锋,等特长隧道斜井施工段通风优化长安大学学报(自然科学版),():,(),():特长隧道斜井施工段通风优化王朋,潘红伟,程锋,贾润枝,贵珊,任锐,龙葳(中铁北京工程局集团第一工程有限公司,陕西 西安 ;长安大学 公路学院,陕西 西安 )摘要:为解决特长隧道斜井施工段存在的主洞粉尘浓度高、作业环境差等问题,以中兰(中卫兰州)铁路香山特长隧道工程为依托,在斜井施工段小里程方向开展现场
2、测试,采集主洞内各测试断面的风速、风流方向和不同工况下的粉尘浓度,反映现场实际通风情况;利用 软件建立斜井施工段压入式通风的三维数值模型,研究各作业工况下主洞内风流场特征和粉尘扩散规律;并结合通风数值计算,优化斜井施工段通风结构,提出相应改善措施。研究结果表明:原设计通风系统送风量不足,隧道洞身段平均风速较低,仅为 ,且在二衬台车处和主洞与斜井交叉口处存在大量涡流区,出渣作业和喷混作业产生的粉尘大量滞留在隧道主洞内,粉尘聚集现象明显;出渣作业时洞内粉尘浓度最高,可吸入式粉尘浓度和全尘浓度最大值为 和 ,喷混作业次之,立架作业时洞内粉尘浓度较低,可吸入式粉尘浓度和全尘浓度最大值为 和 ,种工况下
3、洞内粉尘浓度均超过规范允许值且达到人体可呼吸到的高度;二衬台车处和斜井与主洞交汇处风流组织混乱,存在大量涡流区,粉尘颗粒在上述地点聚集,无法顺利排出洞外;针对上述问题,采用增设送风接力风机、射流引导风机和防尘帘等措施,增大风管送风量,提高隧道内回风风速,引导风流排出洞外。关键词:隧道工程;施工通风;现场测试;数值模拟;通风优化中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,(),:;引言随着中国交通基础设施投资持续增长和高速铁路建设的蓬勃发展,特长山岭隧道的建设规模日益增加。据统计,截至 年底,长度超过 的特长公路隧道已建成 座,在建 座。铁路隧道的建设也正处于高峰期,截至 年底,在建高
4、速铁路特长隧道总长约 ,处于规划阶段的高速铁路特长隧道总长约 。在特长山岭隧道的建设中,为缩短工期,加快施工进度,多采用竖井、斜井或平行导洞等开辟多个辅助工作面,以实现长隧短打。目前在建的新疆天山胜利特长公路隧道,采用隧道掘进机()超前施工平行中导洞并开辟主洞辅助工作面,进、出口高峰期均保持个主洞工作面同时施工。施工通风作为特长隧道施工的关键组成部分,国内外很多学者进行了大量研究。目前隧道施工通风方式有独头压入式、抽出式、巷道式和混合式等,其中独头压入式通风是隧道施工通风中使用最为广泛的通风方式。在压入式通风参数计算方面,等假设风沿着管道是均匀泄露的,并对管道内空气压力和体积流量的常微分方程进
5、行推导和求解,从而得出了风沿着风管泄漏路径阻力系数的精确表达式。等通过对辅助通风系统缓解掘进通风有效性评价的数据结果进行研究,建立稳态计算流体力学()模型,并将模拟结果与某巷道内通风试验所得到的数据进行比较,验证了 模型在研究工作面掘进循环中通风系统通风特性的适用性。仇玉良等依托秦岭终南山特长公路隧道,采用高精度压差法对喷射混凝土的通风阻力系数进行现场测试,并基于此提出了喷射混凝土衬砌通风阻力系数。谭信荣等对兰渝(兰州重庆)铁路座高瓦斯隧道的通风参数进行现场测试,验证了穿山甲风机配合螺旋式风管可适用于长距离独头压入式施工通风。王明年等采用 数值模拟和多项式拟合数值分析方法,对施工中风管出口到掌
6、子面的距离,以及风管出口风量对施工通风时间的影响规律进行了研究。李琦等利用风管开口处流量理论和能量守恒原理推导出高海拔地区风管漏风率修正系数。骆阳等采用三维数第期王朋,等:特长隧道斜井施工段通风优化值模拟建立“风机风管隧道”施工通风系统模型,计算了不同半径、不同风速条件下的曲线隧道及风管沿程阻力损失系数。等采用考虑浮力效应的 数值模型,评估了初始岩石温度、隧道的隔热性能和室外空气温度对热压通风效果的影响。除此以外,隧道施工期间粉尘的迁移特性和分布规律也是研究人员关注的重点。雷帅等以南大梁高速公路华蓥山隧道为工程背景,利用 软件研究了隧道内的通风流场,以及隧道穿越煤矿采空区时硫化氢涌出情况下,有
7、毒有害气体在隧道内的分布。赵树磊等依托米拉山特长隧道,采用现场测试和数值模拟等方法,研究了独头压入式通风极限距离下的 、粉尘等通风污染物的运移规律,研究表明粉尘扩散距离与通风时间满足三次函数关系,气体扩散距离与通风时间呈线性关系。张欣等依托米拉山高海拔隧道,对施工过程中氧气含量及通风风速进行现场测试,并基于测试数据提出相应的优化措施。曹正卯等采用 软件,对高海拔隧道施工期间粉尘质量浓度在隧道内的分布特性及其浓度随海拔高度变化规律进行了分析。等利用 作为示踪气体模拟污染迁移的特性,通过小比例尺模型研究了阻塞率和出风口与掌子面之间的距离对压入式通风效果的影响,还讨论了隧道几何形状、斜井与施工段之间
8、的夹角、斜井坡度等对风机能耗的影响。等采用数值模拟、现场实测和爆破通风模型试验等相结合的研究方法,分析了地铁隧道压入式通风下人员呼吸区粉尘的扩散特征,并深入研究了不同粉尘浓度下送风流量和炸药总质量对通风时间的影响。为解决特长隧道压入式通风距离长、粉尘浓度过大的问题,工程技术人员引入了中继风仓系统和细水雾降尘系统。等开发了一种新型的风仓通风系统,并通过建立 数值模型,讨论了风仓长度、隔板长度和风机布置等对轴流通风机通风效率的影响。为了利用切煤机除尘风机实现采煤作业面的有效抑尘,等首先对综采作业面气流扬尘规律进行了数值模拟,然后将仿真结果、室内测试试验和现场试验相结合,研制了一种新型水力轴流式采煤
9、除尘风机,现场实测表明,使用该除尘风机可有效降低综采作业面粉尘浓度。等建立了在液压支架之间安装喷淋系统,对综采作业面进行降尘降温,并建立了试验平台进行喷雾降尘试验,确定了喷淋系统最经济的水温和有效冷却距离分别为 和,并相应提出了多组喷淋系统。综上,目前,采用数值模拟和工程类比法,在一定程度上解决了隧道主洞施工通风中一些规律性问题。但由于隧道斜井施工段通风结构复杂,独头通风距离过长,现场情况冗杂不一,受限于模型的简化和计算参数选取的理想化,在施工通风效果的研究中,仅依靠数值模型计算难以得出准确的结果。本文依托香山特长隧道,针对斜井施工段在施工过程中存在的主洞内污染物浓度高、作业环境差等问题,对主
10、洞内风速、风流方向、可吸入式粉尘浓度和全尘浓度进行现场测试,并建立数值模型,研究特长隧道斜井施工段独头压入式通风下,主洞内风流场分布规律以及粉尘运移特性,并依据研究结果提出相应的通风改善建议,为特长隧道斜井施工段独头压入式通风方案的设计提供参考。工程概况香山隧道位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区,穿越香山山脉,是中卫兰州高速铁路项目的控制性工程,起讫里程为 ,全长 ,为双线单洞隧道,最大埋深约 。为满足工期需要,香山隧道共设座斜井,其中号斜井全长 ,位于线路前进方向右侧,受隧址区地形地质条件的影响,香山隧道斜井整体向兰州(出口)方向偏移 ,与线路右线交叉对应里程为 ,与线路中卫端方向平面夹角 ,
11、斜井小里程方向独头通风距离为 。斜井开挖面采用钻爆法开挖,独头压入式通风方式,洞口外设置咸阳风机厂产 轴流风机,配置功率为 ,配置直径 抗静电柔性风管,斜井与主洞交汇处设置咸阳风机厂产 型射流风机,如图所示。现场初步观测结果显示,隧道主洞内整体风速较小,粉尘浓度较高,喷混和出碴作业时主洞内能见度较低,作业环境整体较差。香山隧道斜井通风现场测试 通风测试方案 测试项目及测点布设针对香山隧道斜井施工通风中所遇到的问题,现场测试的主要内容为隧道内各断面的风速、风流方向、呼吸性粉尘浓度和全尘浓度。此次现场测试沿程设置 个测试断面,如图所示。掌子面挂布台车区域每 设置个测试断面(),二衬台车后每 设置个
12、测试断面()。考虑到掌子面处和台车附近作业人数较多,分别在长安大学学报(自然科学版)年图斜井通风设备 距掌子面、和 处增设个测试断面(、)。根据现场实际情况,在斜井与主洞交叉口位置增设个测试断面(、)。每个测试断面内布设个测点,测点高度选定为,测点布设情况如图所示。测试仪器所有测试仪器均满足防爆要求,可在含有易燃易爆气体的环境中进行测试。风速测试采用 便携式风速计,每个测点的测试时间为,测试记录该测点 的平均风速。呼吸性粉尘及全尘测试采用 型直读式粉尘浓度测试仪,流量为 ,各测点采样时间为 。考虑到隧道内粉尘的主要危害是对现场施工人员的影响,故将测定高度选定为。采样流程为:先将滤膜固定在夹片上
13、,滤膜安装完成后分别安装呼吸性粉尘测试探头和全尘测试探头,随后打开粉尘仪电源开关,选择“定时测试”,时间设定为 ,测试结束后记录采样结果,每次测试均需更换滤膜,测试仪器如图所示。测试工况为减轻施工车辆行驶对风流场测试的影响,风速和风向测试选取掌子面处立架作业时进行,此时图测点布设示意 图测试断面布设示意 隧道内施工作业车辆较少,风流方向相对稳定。粉尘浓度测试共分为个工况:喷混工况、立架工况和出碴工况。为减轻上一工序施工作业对测试工况测量结果的影响,粉尘浓度测试分别在种工况开始作业后进行,图为测试现场。测试结果分析 隧道内各测点风速现场测试结果表明,隧道风管出风口风速约为 。风速沿程变化曲线如图
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