公路隧道施工通风结构及其通风量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及公路隧道施工领域，尤其是一种公路隧道施工通风结构及其通风量控 制方法。
【背景技术】
[0002] 双洞公路隧道或者开挖有平导隧道的公路隧道施工过程中，根据隧道施工通风需 风量计算，需风量由洞内作业机械需风量控制，而随着掘进距离的增加，洞内运输车辆的台 数逐渐增加，导致需风量增大，通风能耗逐渐增加，施工通风方式需由最初的独头压入式通 风转换为巷道式通风，即一条隧道为进风巷，另一条隧道为回风巷，开通靠近掌子面的横通 道，形成进风巷一一横通道一一回风巷单通道巷道式通风，目前隧道施工采用的是单通道 巷道式通风。
[0003] 如公开号为CN101215973A和CN101225746A的专利文件均公开了类似上述通风方 法，其即是采用上述单通道巷道式通风，随着隧道掘进，在隧道前端新开辟横通道，并封闭 原横通道，构成新的单通道通风。其只保留最前端的横通道通风而封闭其余横通道的目的 是为了防止出现漏风或者出现污染物二次循环。
[0004] 但经申请人研宄发现，在隧道施工工程中，隧道前端的掌子面作业机械可认为是 集中排污，回风巷作业机械可认为是均匀排污，采用上述通风方式，在回风巷中风速的分布 如图2所示，在回风巷的掌子面至隧道洞口风速恒定，相应地，C0等污染物浓度在回风巷中 分布如图3所示，污染物浓度从掌子面至隧道洞口逐渐增大，呈三角形分布，在洞口污染物 最大，要确保其在设计浓度范围内，则需使回风巷洞口风速达到一定强度，但实际在隧道前 段污染物浓度较小，无须很大风速就可使其达到设计标准，而采用上述通风方式，回风巷中 风速恒定，则无疑会造成很大地能源浪费，导致其通风能耗较高。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能耗较低的公路隧道施工通风结构。
[0006] 本发明公开的公路隧道施工通风结构，包括进风巷和回风巷，所述进风巷和回风 巷前端为掌子面，所述进风巷和回风巷前段连通有的前段横通道，所述进风巷中设置有朝 向隧道前端的风机，所述回风巷中设置有背向隧道前端的风机，所述前段横通道与隧道洞 口之间还设置有至少一个与前段横通道同时通风的中段横通道，所述中段横通道连接于进 风巷和回风巷之间，所述前段横通道和各中段横通道内均设置有朝向回风巷的风机。
[0007] 优选地，所述前段横通道和中段横通道均设置有用于调控通风量的风门。
[0008] 优选地，所述中段横通道与前段横通道的之间以及各中段横通道之间的间距为 800mm~1200m。
[0009] 优选地，所述进风巷中设置有两个轴流风机，所述两个轴流风机分别连接有风管， 两根风管分别延伸至进风巷和回风巷的掌子面。
[0010] 优选地，所述进风巷和回风巷的掌子面处均设置有背向隧道前端的风机。
[0011] 本发明还公开了一种所述公路隧道施工通风结构的通风控制方法，包括如下步 骤：
[0012] (1)建立最小树：根据风管（8)、进风巷（1)、回风巷（2)、中段横通道⑷和前端横 通道（3)的几何关系对每个节点及分支进行编号，形成通风网络图，G= (V，E)，|V| =m， E| =n，将链接所有节点并未形成网络的分支确定为最小树，形成最小树IT;
[0013] (2)确定余树弦：在通风网络中，除掉最小树分支即为余树弦，将风机所在分支作 为余树弦；
[0014] (3)建立回路矩阵：隧道通风网络分别具有m个节点，n条分支，若将网络各分支按 余树弦在前、树枝在后的次序排列，则可将基本关联矩阵Bk和独立回路矩阵Ck分块为：
[0015] Bk= (B11B12)
[0016] Ck= (C11C12) =(IC12)
[0017] 式中：Bll-(m- 1)X(n-m+1)阶矩阵；
[0018] B12-(m- 1)X(m- 1)阶方阵；
[0019] I一n-m+1阶单位矩阵；
[0020] C12-(n-m+1)X(m- 1)阶矩阵；
[0021] 则有C12因此，由基本关联矩阵Bk，可以算出独立回路矩阵Ck，即： Q={!-吣(Bt】)丨）? ?
[0022] (4)建立平衡方程：隧道横通道开启后，在两隧道之间形成在通风回路中风流速 度较低，视为不可压缩流体，各回路节点遵循流体力学基本定律，风量平衡和风压平衡原 理，
【主权项】
1. 公路隧道施工通风结构，包括进风巷（1)和回风巷（2)，所述进风巷（1)和回风巷 (2) 前端为掌子面（9)，所述进风巷（1)和回风巷（2)前段连通有的前段横通道（3)，所述 进风巷（1)中设置有朝向隧道前端的风机（5)，所述回风巷（2)中设置有背向隧道前端的 风机（5)，其特征在于：所述前段横通道（3)与隧道洞口之间还设置有至少一个与前段横通 道（3)同时通风的中段横通道（4)，所述中段横通道（4)连接于进风巷（1)和回风巷（2)之 间，所述前段横通道（3)和各中段横通道（4)内均设置有朝向回风巷（2)的风机（5)。
2. 如权利要求1所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述前段横通道（3)和 中段横通道（4)均设置有用于调控通风量的风门（6)。
3. 如权利要求1所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述中段横通道（4)与 前段横通道（3)的之间以及各中段横通道（4)之间的间距为800mm~1200m。
4. 如权利要求2所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述进风巷（1)中设置 有两个轴流风机（7)，所述两个轴流风机（7)分别连接有风管（8)，两根风管（8)分别延伸 至进风巷⑴和回风巷⑵的掌子面（9)。
5. 如权利要求1、2、3或4所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述进风巷（1) 和回风巷（2)的掌子面（9)处均设置有背向隧道前端的风机（5)。
6. 如权利要求4所述的公路隧道施工通风结构的通风控制方法，其特征在于，包括如 下步骤： (1) 建立最小树：根据风管（8)、进风巷（1)、回风巷（2)、中段横通道（4)和前端横通道 (3) 的几何关系对每个节点及分支进行编号，形成通风网络图，G= (V，E)，|V| =m，|E| = n，将链接所有节点并未形成网络的分支确定为最小树，形成最小树IT ; (2) 确定余树弦：在通风网络中，除掉最小树分支即为余树弦，将风机所在分支作为余 树弦； (3) 建立回路矩阵：隧道通风网络分别具有m个节点，η条分支，若将网络各分支按余树 弦在前、树枝在后的次序排列，则可将基本关联矩阵Bk和独立回路矩阵Ck分块为： Bk = (BH B12) Ck = (CU C12) = (I C12) 式中：Bll -（m - I) X (η - m+1)阶矩阵； B12 - (m - I) X (m - 1)阶方阵； I一η - m+Ι阶单位矩阵； C12 -（η - m+1) X (m - 1)阶矩阵； 则有C12 =-5^(5^，因此，由基本关联矩阵Bk，可以算出独立回路矩阵Ck，即： Cjt =(/ (4) 建立平衡方程：隧道横通道开启后，在两隧道之间形成在通风回路中风流速度较 低，视为不可压缩流体，各回路节点遵循流体力学基本定律，风量平衡和风压平衡原理， 根据回路矩阵，建立相关分支向量及有关权向量： 分支向量 E=(el，e2，"'.,en) 风阻向量 R=(R1，R2，.....，Rn) 风量向量 Q=(ql，q2，"Vuqn) 阻力向量 H=(hl，h2，"'.,hn) 因此平衡方程为：
(5)求解平衡方程：对于一个具有m个节点，η条分支的隧道通风网络图G= (V，E)来 说，独立回路为b = n-m+1个，因此在给定通风网络中的各分支风阻及风向的条件下，选出 该图的b个独立回路，标定独立回路的风量及风向，并设独立回路风量的向量为： Qy = (qyl，qy2，......，qyb) 则在以独立回路风量为变量的条件下，由独立回路风压平衡方程式即可列出以下的非 线性方程组：
式中：Rif第i回路和第j回路的公共分支的风阻（即树枝风阻），N · s2/m3; Rii-第i回路中独立分支的风阻，N · S2Ai3; qyi、qyj-第i回路和第j回路的风量，m3/s ; pi-第I回路的通风能量的代数和，即pi = pf pf-风机工作风压，Pa ; 设方程组式的第k次近似解为： fi = ......., (i = 1，2,.......，b) 利用非线性方程组线性化方法来解算方程组式，将该式按泰勒级数展开，并将二次及 二次以上的高阶微分部分忽略不计，可得回路风量校正值的计算式为：
则第k+Ι次独立回路风量值为： ql^q^+Aql (i = 1, 2,……,b) ② 按①和②反复计算，依次求出独立回路风量修正值，如果满足以下条件： π^χ{|δ<+1|}<《(i = 1, 2,......,b) 式中ε 预先给定的精度， 即可停止计算，这第k+Ι次近似风量就是自然分配的风量，通过不断调整风机布置及 风门开启角度重复上述计算过程，直至风量满足隧道各段需要为止。
【专利摘要】本发明涉及公路隧道施工领域，公开了一种公路隧道施工通风结构及其通风量控制方法。该通风结构包括进风巷和回风巷，所述进风巷和回风巷前端为掌子面，所述进风巷和回风巷前段连通有的前段横通道，所述进风巷中设置有朝向隧道前端的风机，所述回风巷中设置有背向隧道前端的风机，所述前段横通道与隧道洞口之间还设置有至少一个与前段横通道同时通风的中段横通道，所述中段横通道连接于进风巷和回风巷之间，所述前段横通道和各中段横通道内均设置有朝向回风巷的风机。采用该通风结构及其通风量控制方法在保证污染物浓度保持在设计范围内的基础上，可极大程度地降低能耗，并且通过各横通道的进风量，还可实现回风巷污染物浓度的分段控制。
【IPC分类】G06F17-11, G06F17-16, E21F1-00
【公开号】CN104879157
【申请号】CN201510304502
【发明人】周仁强, 李玉文, 郑金龙, 林国进, 蔚艳庆, 王联, 田尚志, 李蔚磎, 韦远飞, 朱长安, 唐协
【申请人】四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月4日