隧道施工通风计算

隧道施工通风计算

妹子娘冲斜井长2686m，大里程最长达1100m，其压入式通风距离最长可达3736m。以妹子娘冲斜井大里程方向作为控制标准，若此工作面能达到要求,则其余工作面均可。 4.3.1 计算参数

表4.1 通风计算参数

计算参数 计算开挖断面积 一次开挖最大长度 一次爆破用药量 洞内同时工作的最多人数

内燃机功率 洞内最大内燃机数量

通风管直径 风管百米漏风率 漏风系数 风量备用系数 炮烟抛掷长度 空气密度 风管弯曲处曲率半径

风管拐角 转弯管道风速 风管直径 风道摩擦阻力系数

风道长度

符号 S Lp G m N n Φ P100 P k LS

量值 130.19 m2 3.5m 319.97kg 150人 173kW 7台 1.8m 1.25% 0.019 1.15 78.79m 1.2kg/m3 50m



R

 vs D

120o

20m/s 1.8m

3104kgs2/m3



L

3736m

4.3.2 需风量计算

（1）需风量的计算

风量计算从四个方面予以考虑，即按洞内要求最低风速计算得Q1；按洞內最多工作人员数计算得Q2；按排除爆破炮烟计算得Q3；按稀释内燃机废气计算得Q4。

1） 最低风速需风量Q1

Q160vs

（4-1）

式中：Q1——最低风速需风量

v——《铁隧规》要求最小风速，取0.15m/s

60——1min=60s

2） 按洞内最多工作人员数计算得Q2

Q2qkm

式中：Q2——隧道内作业人员总需风量

（4-2）

q——一般标准每人每分钟需要新鲜空气量3m3/人 3） 按排除爆破炮烟计算得Q3 又有

v1sLs v2aG Ls15G/5

k100v1tQ3v11v2（4-3）

（4-4） （4-5） （4-6）

式中：Q3——排除爆破烟尘需风量

v1——每次爆破产生的炮烟体积

v2——每次爆破产生的有害气体

a——单位重炸药爆破产生的有害气体换算成的CO体积，取0.04m3/kg k100——允许浓度值，取100ppm

4） 按稀释内燃机作业废气计算得Q4

Q41k0Ni

式中：Q4——内燃机械作业所需风量

k0——单位功率内燃机作业所需风量，取3m3/（min.kW）

n（4-7）

5） 隧道需风量Q计：

Q计maxQ1,Q2,Q3,Q4

故正洞工作面需风量由稀释内燃机作业废气控制，需风量为： （2）考虑漏风的风量计算

（4-8）

通风机的供风量除满足上述计算的需要风量外，还应考虑漏失的风量(风管最长状态下的漏风系数)。

QPQ计

4.3.3 风压计算

通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在风流的全部流程内存在，如拐弯、分支及风流受到其他阻碍的地方，为保证将所需风量送到工作面，并达到规定的风速，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h>h

阻

（4-9）

。H

总阻

=

Σh摩+Σh局

（1）局部压力损失：

在斜井通风方案中，主要有转弯引起的局部压力损失，按下列公式计算： 其中：

式中：h局——局部压力损失

v2h局=2（10）

4-

0.008nRD0.750.6n（4-11） （4-12）

——局部阻力系数 （2）沿程压力损失计算：

h摩RfQ2（4-13）



111P100100（4-14）

Rf式中：h摩——沿程摩擦阻力，pa

LUA3（4-15）

Rf——风流沿管路流动时的摩擦风阻，NS2/m8

 ——通风管道沿程阻力损失 U ——通风管路断面周长

（3）斜井进正洞沿程压力损失计算

h阻=h局+h摩

式中：h阻——斜井进入正洞沿程压力损失，即通风风压，pa

（4-16）

4.4 隧道施工通风分类

根据施工通风过程中不同的通风动力，将其分为自然通风和机械通风，自然通风一般仅限于短直隧道，通风效果较差，是利用温差或风压差产生空气流动来实现通风的一种方式[57]。目前，特长隧道、大型地下工程均采用机械通风。机械通风主要有巷道通风、管道通风以及近年来在长大隧道斜井多工作面施工条件下

逐渐得到广泛应用的风管风仓式通风、隔板风道式通风、隔板风道与风仓联合通风方式[66]。巷道式通风方式是利用隧道本身成洞和辅助坑道组成主流和局部风流两个系统互相配合的一种通风方式。管道式通风分为压入式通风方式、抽出式通风方式、混合式通风方式。

（1）压入式通风

独头压入式通风为最常用的方式，即在隧道洞口设置轴流风机提供风压，将新鲜空气由风管输送至隧道掌子面处，洞内污浊空气经隧道洞身排出。通常使用柔性风管，在此通风方式下，风管口距掌子面的距离可按下式确定[80]。

L1=（4~5）A 式中：L1——有效射程，m A——隧道断面积，m2

图4.1 压入式通风示意图

（4-

17）

压入式通风的优点有：新鲜空气有效射程大，排出和稀释掌子面污浊空气效果好；污浊空气从风机外排出，对风机影响小，瓦斯气体隧道用这种方式比较安全；可以用柔性风管，运输、拆装都很方便。掌子面的污浊空气流出隧洞的同时带走洞内的粉尘、有害气体，改善工作环境能力强。

缺点:当长距离独头掘进，掌子面需要的风量增大，长距离通风风管压力增大，新鲜空气到掌子面的时间较长，污浊空气回流就会污染整条通道。

（2）抽出式（或压出式）通风

图4.2 抽出式通风示意图 图4.3 压出式通风示意图

抽出式(压出式)通风的优点是:在有效工作范围内排烟效果好，能吸走大部分粉尘、有害气体，而且工作时需要的风量小，污浊空气从风管排出不污染隧道[81]。

缺点是:有效吸程很短，排烟、除尘效果差，当风筒口到掌子面的距离很近时才能有效果。但是当风机或风筒距掌子面很近时，必然会给掌子面开挖带来一定影响，如图5.3、图5.4，抽出式通风方式必须采用硬质风管，硬质风管的运输、安装工作量会大大增加，掌子面爆破还可能会将风机、风管破坏。高原环境氧气含量偏低，隧道内的氧气含量更低，抽出式通风方式不能将新鲜空气送到掌子面，因此这种通风方式不适应高原隧道。

（3）混合式通风

图4.4 混合式通风示意图

混合式通风方式中抽出式风机功率相对较大、压入式风机功率较小。这种方式在大断面隧道施工中效果最佳，结合了前面两种通风方式的优点。大型隧道中也有用单机混合式通风方式，就是同一台通风机爆破后先将新鲜空气压入，然后风机反转排出炮烟，但是这样就需要使用硬质风管，安装和运输的工作量就会大大增加[82]。

（4）斜井分隔式通风

斜井分隔式通风近年来新型通风方式，主要应用于斜井辅助施工的双洞特长隧道，其原理为利用分隔板将斜井内部空间分隔为上、下两部分，隔板以上空间输送新鲜空气至风仓，隔板下空间为排污通道兼交通运输通道。

在双洞特长隧道的施工中，往往有四个工作面同时施工，若使用以上三种通风方式，则需要至少四条通风管道，以此方式一方面增加施工成本，一方面影响斜井运输。若改用斜井分隔式通风方案，不仅风道通风面积增大，保障掌子面供

风量，为长距离隧道施工通风创造了优良条件，又能有较好的经济效率，同时可以保证斜井内交通流畅。目前施工中应用隔板风道式通风的实例较少[83]。

图4.5 斜井分隔式通风示意图

4.5 施工通风方案制定

4.5.1 施工通风设计原则

（1）考虑隧道高机械化快速施工影响，在参数取值方面适当增加供风量，提高供风标准。

（2）黄岩隧道作为大断面特长隧道，辅助坑道众多，通风设备需求量大，在保证通风效果的前提下尽量考虑经济效益。

（3）风机选型方面，优先选用双级调速轴流风机，根据现场需要，当需风量大时风机以高转速运行；当需风量小时，风机可以较低转速运行；能够较好的达到节能降耗的效果。通风管选择要考虑百米漏风率和摩擦系数，柔性风管最佳，易于搬运、安装和维护。

（4）整个项目使用的风机品牌、规格型号不宜过多，便于在使用过程中维护。

（5）进入主洞施工，各个掌子面爆破、出碴时间错开，然后核算通风量，以控制系统的设计规模，均衡供风。 4.5.2 黄岩隧道施工通风方案比选

黄岩隧道拟采用适合大断面隧道的独头压入式通风方案与适合长距离辅助坑道的斜井分隔式通风方案，现对两方案就通风效果与经济性两方面做出比选。

独头压入式通风方案与斜井分隔式通风方案异同点如下： 相同点：两方案正洞段施工通风均采用风管通风方式。 区别点：两方案却却别对比见下表4.6：

表4.2 独头压入式与斜井分隔式方案区别

区别项目 风机位置 送风通道 出风通道

独头压入式方案 斜井入口处 斜井内管道 斜井其余空间

斜井分隔式方案

斜井入口处、斜井-正洞交叉处

斜井上部空间 斜井下部空间

上表可见，两方案主要区别点是斜井段通风方式。独头压入式方案采用管道通风，斜井分隔式方案采用斜井内空间通风。以黄岩隧道最不利通风工况妹子娘冲斜井算例对两方案进行比选。

妹子娘冲斜井全长2686m，车道宽7.5m，洞内净高6.2m。独头压入式方案管道直径1.8m，通风管道布置如下图4.6所示。斜井分隔式方案正洞下部预留4m交通空间，斜井断面示意图如下4.7所示：

图4.6 独头压入式斜井断面示意图

4.7 斜井分隔式断面示意图图

妹子娘冲斜井正洞两个工作面同时开挖时，最大需风量为7629.3 m3/min，独头压入式方案两条管道通往两个工作面，每条管道通风量3814.7 m3/min。斜井分隔式方案上部风道通风量7629.3 m3/min。两方案风阻对比如下表4.3。

表4.3 斜井分割式方案与独头压入式方案风阻对比

斜井分隔式通风

项目

上风道

断面积A（m3） 周长U（m） 长度L（m） 通风量Q（m3/min） 壁面摩阻系数α（Ns2/m4）

风阻系数Rf（Ns2/m8）

阻力 合计

10.15 15.86 3686 7629.3 0.009 0.380 5114.02

下风道 31.11 22.98 2686 7629.3 0.009 0.020 274.19 5388.21

独头压入式通风 风管 2.54 5.65 2686 3814.7 0.0025 1.802 6070.47

6184.91

斜井 41.26 24.68 2686 3814.7 0.009 0.008 114.44

由上表可以看出，两方案通风风阻差异不大，斜井分隔式通风风阻比独头压入式通风风阻少796.70Pa，减少耗能12.88%。然而，相较于斜井分隔式方案，独头压入式方案材料费及施工费的消耗将少很多，因此，本工程选用独头压入式是通风方案。风机布置图如下图4.8所示：

图4.8黄岩隧道风机布置图

4.5.3 风机选型

独头压入式通风方案需风量及风压计算见下表：

表4.4 黄岩隧道施工通风需风量

需风量类型

Q1 Q2 Q3 Q4 Q计

风量（m3/min）

1171.71 517.5 626.503 3633.01 3633.01 3814.65

表4.5 黄岩隧道施工通风风压

Q

风压类型

h局 h摩

风压（Pa） 10.58 6070.47 6081.85

h阻

通过计算掌子面工作风量不得小于3814.65m3/min，风机全压大于6081.85Pa，综合计算数据及现场实际施工需要，对比隧道施工常用风机技术性能参数（表4.6），选用SDF(B)-No14轴流风机，通风管采用直径1.8m，可以满足通风长度最长掌子面通风需。全隧道风机选用方案如下表4.7所示。

表4.6 隧道施工常用轴流风机技术性能参数

风机型号

风量（m3/min） 1015-1985 1171-2281

风压 （Pa） 624-4150 727-4628

高效风量

转速 最高点功率 最大配用电机

(kW) 107 135 216 259 300

功率(kW) 55×2 75×2 110×2 132×2 160×2

（m3/min） (r/min) 1550 1863 2385 2691 3361

1480 1480 1480 1480 1480

SDF(B)-No11 SDF(B)-No11.5 SDF(B)-No12.5 SDF(B)-No13 SDF(B)-No14

1550-2912 1378-5355 1695-3300

930-5920

2113-4116 1078-6860

表4.7 黄岩隧道施工通风风机配置

施工工区 黄岩隧道进口 唐家屋场斜井

风管直径 φ1.8m 1根 φ1.8m 2根（正

洞） φ1.8m 2根（正

洞） φ1.8m 2根（正

洞） φ1.8m 2根（正

洞） φ1.8m 2根（正

洞） φ1.8m 1根

风机数量（台）

1 2

型号

柑子山斜井 2

妹子娘冲斜井 2 SDF(B)-NO14

泗水湾斜井 2

长溪坑斜井 黄岩隧道出口

2 1

4.5.4 风管选型

风管主要有软风管和硬风管两种。从技术和经济角度上讲，软风管要优于硬风管。刚性风管具有摩擦阻力小、抗冲击、耐磨、不易变形、能承受负压等优点，不足之处是管节短、重量大、加工、搬运、存储、安装较麻烦，柔性风管具有管节长、接头少、重量轻、搬运、存储安装方便的等优点，缺点是强度及耐疲劳性较差，不能承受负压等。目前国产的刚性风管和柔性风管气密性一般均不理想，前者是由于管节短、接头及焊缝多造成的，后者是由于选材或加工工艺不好，管节较长造成的。另外在价格方面刚性风管较柔性风管高[36]。

比较而言，刚性风管的优缺点是由于其制作材料的性质决定的，而柔性风管在选择制作材料方面余地较大，在对风管接头连接形式及加大管节长度等方面进行改进后，其性能价格将大大优于刚性风管。

以前，我国的长隧洞施工一般采用刚性风管通风，在大瑶山隧洞施工时，开展了大直径柔性风管的研制工作。现在大直径柔性风管的应用己经非常广泛和成熟了，风管的直径可达3m，每节风管的长度可达百米以上。

黄岩隧道采用直径2m的柔性风管，每节长度5m。