竖井自然排风的隧道施工通风方法及排风模式确定方法

本发明属于隧道通风系统，具体涉及在高海拔超长隧道建设中，利用竖井自然排风的隧道施工通风方法及排风模式确定方法。

背景技术：

1、高海拔特长公路隧道的建设是我国隧道工程建设发展中的一个重要组成单元，它已经在公路交通运输体系中发挥着不可替代的作用。高海拔隧道的施工通风不仅仅是作为排除隧道内粉尘和有害气体的技术手段。它将直接影响着隧道线路勘测、工程设计、施工方案、施工机械设备的选择，甚至对隧道工程建设的全产业链都有重要影响。

2、常规的隧道掌子面的污染风均沿主洞的洞体排出至洞口外，一方面由于超长隧道的洞体较长，排出路径引起的风阻较大，故需要在洞口设置高能耗的风机才能将污染风排出；此外污染风沿洞体排出时，也影响了施工人员和车辆的进出调度，对人员的健康防护带来影响。

技术实现思路

1、本发明是为了解决高海拔特长公路隧道施工通风时的高能耗、以及对进出车辆和人员的影响问题，在隧道开通前将已经建成的竖井作为施工通风的通道，减少了经过污风的排出路径长度，从而达到节能的目的。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种竖井自然排风的隧道施工通风方法，所述的超特长隧道包括主洞、中导洞、第一竖井和第二竖井，主洞包括隧道左洞和隧道右洞，中导洞位于隧道左洞和隧道右洞之间，所述的第一竖井和第二竖井沿程设置于隧道中间段落，并分别通过联络风道与隧道右洞和隧道左洞连通；其特征在于：在隧道右洞、隧道左洞和中导洞的洞口处，分别设置第一风机、第二风机和第三风机，并经风管将新鲜风输送至隧道右洞、隧道左洞和中导洞的掌子面，掌子面的污染风由竖井独立排放或者竖井洞体混合排放。

4、上述竖井自然排风的隧道施工通风方法中，竖井独立排放模式中，右洞掌子面的污染风经第一竖井排出，左洞掌子面的污染风经第二竖井排出，中导洞掌子面的污染风分成两部分，一部分经第一横通道到达隧道左洞，通过第二竖井排出，另一部分经过第二横通道到达隧道右洞，通过第一竖井排出。

5、上述竖井自然排风的隧道施工通风方法中，竖井洞体混合排放模式中，右洞掌子面的污染风一部分经过隧道右洞的洞体排出，另一部分经第一竖井排出；左洞掌子面的污染风一部分经隧道左洞的洞体排出，另一部分经第二竖井排出；中导洞掌子面的污染风分成三部分，第一部分经中导洞排出；第二部分经第一横通道到达隧道左洞，通过第二竖井排出；第三部分经过第二横通道到达隧道右洞，通过第一竖井排出。

6、一种竖井自然排风的隧道施工通风方法中排风模式的确定方法，包括以下步骤：

7、【1】根据隧道施工中的排风路径和掌子面的需要风量参数，计算得到隧道排风口处的排风风压p；

8、【2】根据竖井的海拔高度以及当地的大气压强，计算得到隧道排风口的自然风压p0′；

9、【3】根据计算得到的隧道排风口处的排风风压p和自然风压p0′，计算得到污染风经过竖井独立排放或者竖井洞体混合排放的临界条件；其中隧道排风口即为竖井与隧道的联络口。

10、上述排风模式的确定方法中，隧道排风口处的排风风压的p计算步骤为：

11、【1.1】通风过程中的风管阻力和排风时隧道内的阻力计算：

12、分别测量隧道内风管的长度lf、主洞和中导洞掌子面距隧道排风口的距离lp，并根据步骤【1.2】和步骤【1.3】分别计算风管内的层流阻力hcf、紊流阻力hwf、局部阻力hx和隧道内的沿程阻力pλ、局部阻力pξ；

13、【1.2】根据风管长度计算其风管的层流阻力、紊流阻力、局部阻力，其中

14、hwf＝rcfq

15、

16、

17、rcf为层流摩擦阻力n·s2/m3；λ为达西系数，无因次；l为通风管长度，m；d为通风管直径，m；ρ为流体密度，kg/m3 v为通风管平均风速，m/s；q为需风量，m3；f为风管截面积，m2；

18、【1.3】根据隧道的掌子面距排风口距离计算沿程阻力、局部阻力，其中

19、

20、

21、q＝ve·a；pλ为沿程阻力，pa；ve为隧道断面平均风速，m/s；rλ为摩擦风阻，kg/m7；a为隧道截面面积，m2。pξ为局部阻力，pa；ξ为局部阻力系数；rξ为局部风阻，kg/m7；lr为风管长度，m；ρ为空气密度，kg/m3；

22、【1.4】隧道排风口处的排风风压计算：

23、p＝pk′-pλ1-pξ1

24、其中pk′是风管出风口风压，可根据风机供风风压及风管的阻力得到的：

25、p′k＝p0+npj-hcf-hwf-hx

26、pj为单个风机产生的风压，pa；n为需要的风机台数，无因次；p0为隧道洞口的自然风压，pa；pλ1为隧道掌子面到排风口处的沿程阻力，pa；pξ1为隧道掌子面到排风口处的局部阻力，pa。

27、上述排风模式的确定方法中，隧道排风口的自然风压阻力的计算步骤为：

28、根据排风口的海拔高度以及当地气象站的海拔高度，计算排风口的自然风压

29、

30、特别地，当通过竖井进行排风时，由于竖井到隧道的排风口有一定的高度差，所以需要考虑高度引起的气压差

31、

32、进一步地，将以上两式联立整理化简后得到

33、

34、式中ph为海拔高度为h处的气压，pa；p气为当地气象站的气压，pa；gp为气压梯度，gp＝800～1067pa/100mm；δh为海拔高度为h处与当地气象站气压海拔高度差；p0′为排风口风压，pa；m为摩尔质量；r为常量(理想气体中为常量，约为8.3144)；t绝对温度；p0′为高度差为△h处的气压，pa；△h为高度差，m。

35、上述排风模式的确定方法中，步骤【3】中，当p+δp-pλ2-pξ2≤p0时，污染风的排放方式为竖井独立排放模式，此时污染风全部从竖井排出；其中δp＝p0′-ph为竖井上下端口所产生的压力差；

36、当p+δp-pλ2-pξ2＞p0时，污染风的排放为竖井洞体混合排放模式，此时只有部分污染风从竖井排出。

37、本发明具有的有益技术效果如下：

38、一、本发明结合具体施工规范和流体力学相关理论，并针对目前高海拔特长公路隧道施工通风节能问题，创新地提出了在隧道施工时采用已建成竖井进行通风方式，一方面减少了经过污风的排出路径长度，降低了污风所受到的沿程阻力，从而可以控制隧道洞口风机风压和功率，提高隧道施工通风效果，达到节能和降低成本的目的；另一方面，全部或部分污染风从竖井排出，有利于现场对施工人员和车辆的进出调度，并减小对人员健康的影响。

39、二、本发明对竖井排风模式下的通风网络进行理论推导，结合空气动力学相关理论得到了竖井自然排风的影响因素，以及排风口风压风速的计算公式，对于竖井的充分利用提供了理论条件；同时计算得到了隧道施工中竖井独立排放或者竖井洞体混合排放两种模式的临界条件，对于隧道施工现场的应对方案及人员、车辆防护提供了指导，对指导高海拔特长公路隧道的施工通风具有重要意义。

40、三、本发明通风理论推导通俗易懂，且推导出的风压、风速公式以及中间过程公式中的字母意义明确，相关参数易于获取，具有较强的可操作性。