一种基于超长储风室的长大隧道施工通风系统及方法与流程

1.本发明属于隧道施工通风领域，具体的说，涉及一种基于超长储风室的长大隧道施工通风系统及通风方法。


背景技术：

2.随着我国隧道施工技术水平的不断提高，长大隧道多采用设置斜井或横洞辅助施工的方式以实现“长隧短打”的工程需求，这导致洞内出现多支洞多工作面的复杂地下施工环境，施工通风成为影响施工安全和质量的突出难题。
3.在单斜井(横洞)双正洞多开挖面平行施工条件下，传统压入式通风及巷道式通风方法无法满足日益增加的通风需求，主要存在的问题是：随着通风长度的增加，通风长度大于3000m后，独头压入式通风无法满足作业段实际需风要求，且洞内难以形成巷道式通风条件，通风系统布置受限；受净空断面影响，各施工掌子面无法实现独立供风，繁冗的管线布置及风量分流致使掌子面供风效率进一步锐减；洞内多支洞多掌子面开挖的复杂施工环境下，交通输运组织与风流组织难以兼容，渣车携带弃渣所致粉尘及来往车辆内燃设备排污易在洞内形成二次污染；通风管路维护困难、通风能耗高，效果差。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.本发明还有一个目的是提供一种基于超长储风室的长大隧道施工通风方法，使用该通风方法对横洞进入双正洞多工作面施工的长大隧道进行长距离送风，能够实现多掌子面的独立供风，简化洞内风流路径，有效延伸极限通风长度，协同交通运输组织，规避二次污染，确保长大隧道多掌子面施工的工程环境及施工进度与安全。
6.本发明实现其发明目的及其他优点所采用的技术手段是，一种基于超长储风室的长大隧道施工通风系统，所述的隧道包括横洞、与横洞相连的平行导洞、通过多个辅助横通道与平行导洞相连的隧道主洞；所述的通风系统主要包括：
7.供风系统，所述的供风系统布置于隧道的横洞洞口外，将洞外大气环境中新鲜空气输送至洞内储风系统中以便后续对新鲜风的二次分配及利用；
8.储风系统，所述的储备系统由储风室构成，布置于平行导洞之中，起始于平行导洞与横洞交叉口处，止于洞内某一辅助横通道后方，负责新鲜风的洞内储备及二次分配利用；
9.分配系统，所述的分配系统由储风系统末端布置的轴流风机及平行导洞中布置的风流管路组成，用于将储风系统中的新鲜风按需求分配输送至各施工掌子面前。
10.本技术方案优选的，所述的供风系统包括至少一台布置于横洞洞外的轴流风机和至少一根与所述轴流风机相连并沿横洞布置最终接入储风系统的风管；本技术方案优选的，所述的轴流风机根据实际开挖掌子面数量及各掌子面需风量进行选型设计，以提供储风室足够风量供给分配；所述的风管选用pvc双抗软管，风管尺寸根据管路数量及横洞断面
净空限制综合选定；所述的风管末端通过储风室始端密封风墙预留孔洞接入储风系统；
11.本技术方案优选的，所述的储风系统位于平行导洞之中，包括始端加压区域及长储风室；本技术方案优选的，储风系统始末两端均做密封处理；优选的，所述的储风系统长度非固定值，由洞内现阶段最大掘进长大决定，储风室的搭建是一个不断变化适配的过程，本技术方案中，储风系统末端布置原则是，布置于多掌子面开挖过程中离风流出口最近处掌子面后两个辅助横通道处，所述的两个辅助横通道中离掌子面更近的辅助横通道用以布置风管以引导新风至掌子面，所述的两个辅助横通道中离掌子面更远的辅助横通道作为所有开挖作业面污染物排出通道；所述的储风系统末端布置原则是，随着距储风室最近端施工掌子面与下一掌子面负责施工段贯通，储风系统末端布置前移至与此刻最近施工掌子面相隔两个辅助横通道。
12.本技术方案优选的，所述的储风系统始端加压区域配置有升压装置，所述的升压装置接过渡段硬质风管，所述的过渡段硬质风管接供风系统软风管，以防止软管直连升压装置由负压作用所导致的断面内缩，致使风量变小降低通风效率。常压风流通风供风系统注入储风系统经升压装置升压后以高压气流形式向储风室推进新风。优选的，若工程所需风量较大，储风室过长，升压装置提供风压难以满足需求，可按所需在储风室中配置射流风机及做升压作用。
13.本技术方案优选的，所述的分配系统布置于储风系统及隧道主洞之中，包括中控室、至少两台及以上数量的轴流风机及与之相连的软风管；本技术方案优选的，所述的中控室布置在储风室段任一辅助横通道内；所述的中控室可集中控制储风室末端布置轴流风机开启数量及开启档位；所述的轴流风机以一定间距横向错开布置于储风室末端；优选的，最靠近储风室末端的轴流风机接软风管，所述的软风管穿过密封墙后沿平行导洞直线布置，最终中止于平行导洞施工掌子面前10～20m范围；优选的，除最靠近储风室末端的轴流风机外，其余至少一台及以上数量的轴流风机负责隧道主洞各掌子面的供风，分别独立接软风管，所述的软风管穿过密封墙后沿平行导洞布置，直至对应正洞施工掌子面前辅助横通道位置，沿辅助横通道进入正洞后沿正洞布置直至正洞施工掌子面前10～20m范围内。
14.另一方面，本发明还提供了一种采用所述的基于超长储风室的长大隧道施工通风系统的通风方法，包括以下步骤：
15.s1：分析隧道内污染源并确定通风标准；
16.s2：设计通风系统，计算配设风机，实施通风方案；
17.s3：随隧道主洞同时施工掌子面数量上升及通风距离的增长，核算系统风压，并增设射流风机。
18.所述的步骤s2中的通风系统具体包括：采用在横洞段布置供风系统，横洞进口处布设轴流风机，引导新风沿风管进入储风室；采用在平行导洞段布置储风系统，风室始末端均由密封墙封闭，始端位置存在升压设备，接过渡段硬质风管，加速风流流动至风室末端；采用在风室末端布置两台及以上数量的轴流风机做风流二次分配，风室任一适当位置辅助横通道内设备有中控室，根据洞内实际同时爆破的工作面数量及风流需求集中控制工作风机数量及档位；末端轴流风机接软风管沿平行导洞/平行导洞-辅助横通道-正洞布置直至掌子面前方。
19.所述的步骤s2中计算配设风机具体包括计算储风室末端布置轴流风机风量；计算
供风系统风机风量。
20.其中隧道平行导洞正洞同步施工，此时正洞共有n个掌子面正在工作，平行导洞1个掌子面正在施工，总共施工的掌子面为n+1个，假定平行导洞施工掌子面需风量为qb、正洞施工掌子面需风量为q
ai
＝q
a1
、q
a2
、q
a3
…qan
。
21.若按各施工掌子面同时施工爆破，同时供风，所需风仓储风量将异常的大，实际工程中受洞内交通限制及出渣车辆输运组织安排，洞内施工掌子面很难出现同时爆破的情况，假定1：洞内最大同时爆破数量为2，此时存在两种情况，一是共计两个正洞施工掌子面同时爆破；二是平行导洞施工掌子面与某一正洞施工掌子面同时爆破，根据工程经验，平行导洞断面多数情况下是少于正洞断面，在前方围岩等级差距不大的情况下，正洞需风量是大于平行导洞施工掌子面的，假定2：取洞内同一时刻所需最大需风量为2q
ai
，最大通风长度为平行导洞开挖长度l
p
，则储风室末端风量即储风室储风量为：
[0022][0023]
式中：qc为储风室储风量；n为同时爆破的施工掌子面；k为储风室储风富余量考虑；q
ai
为正洞施工掌子面需风量；β为风管平均百米漏风率；l
p
为平行导洞最大掘进长度。
[0024]
则供风系统风机的配置风量qg为：
[0025][0026]
式中：qg为供风系统风机配置风量；l
x
为横洞掘进长度；其余符号意义如上。
[0027]
所述的步骤s3中核算系统风压并增设射流风机主要包括：
[0028]
射流风机产生的推力与风机送风量以及风机风速与隧道内风流的相对速度有关。单台射流风机产生的推力按下式计算：
[0029][0030]
式中：δpj为射流通风升压力(pa)；k为喷流系数，取为0.85；vj为射流风机出口风速(m/s)；vi为隧道内风速(m/s)；为面积比，fj为射流风机的出风口面积(m2)；fs为隧道横断面积(m2)；ψ为速度比，ψ＝vi/vj。
[0031]
需要克服的通风抗力为：
[0032][0033]
需要添置的射流风机数量为：
[0034][0035]
本发明至少具有以下有益效果：
[0036]
1.本发明以平行导洞段作为储备风室，构建长大隧道多工作面协同施工下的施工
通风系统，以横洞进口-平行导洞-正洞段从外至内分别建立供风、储风、分配系统，结构层次清晰，合理利用既有空间，整体布局简单，针对不同工作点相应需求，设计指定设备及线路独立供风，有效解决传统长大隧道施工通风线路杂糅、线路交错、相互影响等问题；基于平行导洞先行的施工作业特点，利用平行导洞无作业段搭建储风系统，延长长大隧道施工极限通风距离，做到单平行导洞多正洞同步掘进施工工况下的快速通风衔接，提高作业效率，具有较高经济价值。
[0037]
2.本发明利用长洞室作为过渡引导新风，洞室始端配设升压装置，加速储备风室空气流动，提升末端环境压强，增大风室末端轴流风机工作效率，洞室内部设中控室，集中管理多设备联动通风，根据cfd流体动力学基本理论，仿真模拟风室内风机负压作用范围，合理规划轴流风机布置方式，规避风机之间相互席卷作用导致的风量不足等问题，采用至少两台及以上的轴流风机对新鲜风流进行二次分配，根据洞内实际同时作业掌子面数量，整体把控投入设备数量及功率，极大程度的降低能源消耗，实现平行导洞正洞良好工作环境下的同步施工。
[0038]
3.本发明采用升压环境下的超长储风室二次分配风流，融合针对指定掌子面通风的多条线路巷道式通风，合理规划风流路径，不同施工段掌子面爆破污染物均由统一路径排出，与施工作业交通组织具有较好的适配性，渣车等施工作业车辆由相同路径进出，减少作业车辆行驶时的碳污染或席卷扬尘处于新鲜风流上方所致的环境二次污染。规划合理，各施工阶段衔接良好，加大单次循环工作效率，有效缩短施工工期。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0040]
图1为本发明实施例第一阶段平面示意图；
[0041]
图2为本发明实施例第二阶段平面示意图；
[0042]
图3为本发明实施例实现污风排出的风流路径图；
[0043]
图4为轴流风机作业范围内的负压分布图。
具体实施方式
[0044]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0046]
实施例：
[0047]
图1～2示出，本发明的实施方式是一种基于超长储风室的长大隧道施工通风系统，所述的隧道包括横洞1、与横洞1相连的平行导洞2、通过多个辅助横通道与平行导洞2相连的隧道主洞4；所述的通风系统主要包括：
[0048]
供风系统5，所述的供风系统5布置于隧道的横洞1洞口外，将洞外大气环境中新鲜空气输送至洞内储风系统6中以便后续对新鲜风的二次分配及利用；储风系统6，所述的储备系统6由储风室6a构成，布置于平行导洞2之中，起始于平行导洞2与横洞1交叉口处，止于洞内某一辅助横通道3a后方，负责新鲜风的洞内储备及二次分配利用；分配系统7，所述的分配系统7由储风系统6末端布置的分配系统轴流风机及平行导洞2中布置的风流管路组成，用于将储风系统6中的新鲜风按需求分配输送至各施工掌子面前；
[0049]
图1示出，在一些实施例中，所述的供风系统5包括一台布置于横洞1洞外的供风系统轴流风机5a和一根与所述供风系统轴流风机5a相连并沿横洞1布置最终接入储风系统6的风管5b；
[0050]
所述的供风系统轴流风机5a根据实际开挖掌子面数量及各掌子面需风量进行选型设计，以提供储风室足够风量供给分配；所述的风管5b选用pvc双抗软管，风管5b尺寸根据管路数量及横洞断面净空限制综合选定；所述的风管5b末端通过储风室6a始端密封风墙6b1预留孔洞接入储风系统6；
[0051]
在一些实施例中，所述的储风系统6位于平行导洞2之中，包括升压装置6c及储风室6a；储风系统6始末两端均做密封处理；
[0052]
所述的储风系统6长度非固定值，由洞内现阶段最大掘进长大决定，储风室6a的搭建是一个不断变化适配的过程，本技术方案中，储风系统6末端布置原则是，布置于多掌子面开挖过程中离风流出口4a最近处掌子面后两个横通道处，所述的两个横通道中离掌子面更近的横通道用以布置风管以引导新风至掌子面，所述的两个横通道中离掌子面更远的横通道作为所有开挖作业面污染物排出通道；所述的储风系统末端布置原则是，随着距储风室6a最近端施工掌子面与下一掌子面负责施工段贯通，储风系统末端布置前移至与此刻最近施工掌子面相隔两个横通道。
[0053]
图1示出，一些实施例中，储风系统6末端布置于多掌子面开挖过程中离风流出口4a最近处掌子面后两个横通道处，即第一辅助横通道3a处后方5m范围内，所述的两个横通道中离第一掌子面4b更近的第二辅助横通道3b用以布置风管以引导新风至掌子面，所述的两个横通道中离掌子面更远的第一辅助横通道3a作为所有开挖作业面污染物排出通道；
[0054]
图2示出，随着隧道掘进距离的增加，平行导洞2先行后，正洞段可开辟多个施工作业断面即第二掌子面4c、第三掌子面4d、第四掌子面4e，随着距储风室6a最近端第一掌子面4b与第二掌子面4c负责施工段贯通，储风系统6末端布置前移至与此刻最近第二掌子面4c相隔两个横通道，即第二辅助横通道3b位置处，此时第二辅助横通道3b作为所有开挖作业面污染物排出通道；第一辅助横通道3a两端做密封处理，纳入储风室6a。
[0055]
图1、图2示出，一些实施例中，所述的储风系统6始端加压区域配置有升压装置6c，所述的升压装置6c接过渡段硬质风管6e，所述的过渡段硬质风管6e接供风系统5的风管5b，以防止风管5b直连升压装置6c由负压作用所导致的断面内缩，致使风量变小降低通风效率。常压风流通风供风系统5注入储风系统6经升压装置6c升压后以高压气流形式向储风室6a推进新风。
[0056]
图2示出，随着施工掘进长度的增加，正洞段内出现多个施工断面即第二掌子面4c、第三掌子面4d、第四掌子面4e，储风室6a过长，升压装置6c提供风压难以满足需求，可按所需在储风室6a中配置射流风机6d及做升压作用。
[0057]
图1示出，所述的分配系统7布置于储风系统6及隧道主洞4之中，包括中控室7c、第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2及分别与之相连的第一软风管7b1、第二软风管7b2；所述的中控室7c布置储风室6a段的第一个辅助横通道内；所述的中控室7c可集中控制第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2开启数量及开启档位；所述的第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2以一定间距横向错开布置于储风室6a末端；
[0058]
优选的，图4示出，根据cfd流体力学基本理论，通过数值仿真可知，风机作用负压范围内随着距风机端部越远负压作用越小，超过3m后，变化区域缓慢，为减小风机相互间的负压作用影响，将第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2错开布置，间隔距离5-10m。
[0059]
图1示出，所述的最靠近储风室6a末端的第一轴流风机7a1接第一软风管7b1，所述的第一软风管7b1穿过末端密封墙6b2后沿平行导洞2直线布置，最终中止于平行导洞施工掌子2a面前10～20m范围；优选的，除最靠近储风室末端的第一轴流风机7a1外，第二轴流风机7a2负责隧道主洞4第一掌子面4b的供风，独立接第二软风管7b2，所述的第二软风管7b2穿过末端密封墙6b2后沿平行导洞2布置，直至对应第一掌子面4b面前第二辅助横通道3b位置，沿第二辅助横通道3b进入隧道主洞4后沿隧道主洞4布置直至第一掌子面4b面前10～20m范围内。
[0060]
图2示出，随着施工掘进长度的增加，正洞段内出现多个施工断面第二掌子面4c、第三掌子面4d、第四掌子面4e，分配系统增设第三轴流风机7a3，第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2、第三轴流风机7a3横向错落布置，间隔5-10m；
[0061]
图2示出，所述的最靠近储风室6a末端的第一轴流风机7a1接第一软风管7b1，所述的第一软风管7b1穿过末端密封墙6b2后沿平行导洞2直线布置，最终中止于平行导洞施工掌子2a面前10～20m范围；优选的，除最靠近储风室6a末端的第一轴流风机7a1外；第二轴流风机7a2负责隧道主洞4第二掌子面4c的供风，独立接第二软风管7a2，所述的第二软风管7a2穿过末端密封墙6b2后沿平行导洞2布置，直至对应第二掌子面4c面前第三辅助横通道3c位置，沿第三辅助横通道3c进入隧道主洞4后沿隧道主洞4布置直至第二掌子面4c面前10～20m范围内；所述的第三轴流风机7a3负责隧道主洞4的第三掌子面4d、第四掌子面4e的供风，接第三软风管7b3，所述的第三软风管7b3穿过末端密封墙6b2后沿平行导洞2布置，在第四辅助横通道3d处分岔，分别由第四辅助横通道3d、第五辅助横通道3e进入隧道主洞4后沿隧道主洞4布置直至第三掌子面4d、第四掌子面4e面前10～20m范围内。
[0062]
图3示出，开启供风系统轴流风机5a，新鲜风8经由风管5b被推入储风室6a内，经升压装备6c升压后以高压状态向储备风室末端移动，经过第一轴流风机7a1、第二轴流风机7a2、第三轴流风机7a3对风流9进行二次分配，第一轴流风机7a1，将新鲜风8经由第一软风管7b1推送至平行导洞掌子面2a，与平行导洞掌子面2a污染物置换后污风随着平行导洞2向外排出，经过第二辅助横通道3b进入隧道主洞4，由隧道主洞4内布置的射流风机6d引流最终由风流出口4a排出洞外；第二轴流风机7a2将新鲜风8经由第二软风管7b2推送至第二掌子面4c，与第二掌子面4c污染物置换后污风10随着隧道主洞4向外排出；第三轴流风机7a3将新鲜风8经由第删软风管7b3分别推送至第三掌子面4d、第四掌子面4e，与第三掌子面4d、第四掌子面4e污染物置换后污风10分别经由第四辅助横通道3d、第五辅助横通道3e进入平行导洞2向外排出，经过第四辅助横通道3b进入隧道主洞4，由隧道主洞4内布置的射流风机6d引流最终由风流出口4a排出洞外。
[0063]
另外，本发明提供一种采用所述的基于超长储风室的长大隧道施工通风系统的通风方法，具体实施的方式是：某一隧道工程横洞长1000m，洞内最大风管长度为2000m，横洞断面大小30m2，断面周长取20m，风仓长度取2000m，正洞经计算需风量取1500m3/min，风管漏风率取1％，n取2，风仓末端风量设计富余为5％，摩阻系数取0.015；
[0064]
风仓末端风机选型参考风量根据下式计算得3851m3/min；
[0065][0066]
供风系统风机选型参考风量根据下式计算得4258m3/min；
[0067][0068]
随着通风长度的增加，超长风仓内增设射流风机，选用单机功率30kw、φ1120mm型射流风机作为计算样本，其出口风速38.2m/s，叶轮直径1120mm，超长风仓内最低风速按0.5m/s取值，升压装置按2倍作用效果计，经衰减，风仓初始风压推力按100pa算，最终数量按下式计算得2台；
[0069][0070]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。