一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法
【专利摘要】本发明公开了一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法，包括建立以既有竖井作为新鲜空气入口，以施工通道口作为污浊空气排出口的通风模型；根据洞段的通风距离、洞段的总需风量、洞段内通风总阻力和轴流风机的电机功率选取不同洞段所需的风机的型号；最后再将洞段的除了污浊空气排出口外的全部横向施工通道口进行封堵，防止风流短路。本发明通过为不同通风距离的洞段匹配最合适的风机数量和风机型号，利用既有竖井作为新鲜空气入口，可以在提高洞库的通风效果的同时，还减少了能源消耗，降低工程投资成本。
【专利说明】
一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法。
【背景技术】
[0002] 大型地下洞库或洞库群(地下厂房、地下储备库等)施工期间的通风问题，是一个 十分复杂的问题，对施工成本、进度、环境、职业健康等方面影响较大。而国内对此问题的研 究仍处在探索阶段，尚无一套系统的方法，在实际施工中还存在许多问题。国内工程基本仍 停留在采用压入式通风，并按经验设计专门的通风竖井采取机械抽排或自然通风(利用烟 囱效应)排污的方法。但此方法具有明显的缺陷和局限性，主要表现在以下几点：
[0003] (1)大型地下洞库施工通常采取分层开挖方式，其上层施工时为压入式通风;而随 即进入中下层开挖时，因其污染源一般要大于上层开挖(一次开挖量增加、工作面增多都将 增加爆破烟尘、内燃机废弃等污染源），而再继续维持压入式通风，就必须加大风管与供风 量，但受横向施工通道尺寸限制又无法增大或增加风管供风，结果会导致通风恶化。
[0004] (2)尽管一些项目利用竖井进行辅助通风，但由于通风方法不当，存在如下问题：
[0005] ①竖井设计缺乏科学性，多依经验或场地情况在洞库埋深较浅的位置设置，风网 构成混乱，出现通风短路，一是导致局部通风质量更加差;二是对洞内通风效果改善也十分 有限。
[0006] ②竖井自然通风受内外温差、竖井深度等影响非常大，在洞内外温差较小而竖井 深度较深的情况下，竖井自然通风基本无作用，总体通风效果差。
[0007] ③设计增加的通风竖井，在工程竣工后，均需要封堵，特别是对于地下储备库，则 需要全井严密封堵，由于增设竖井开挖和封堵工作，既增大施工期安全风险，同时还加大工 程投资.
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法，以解决洞库 内通效果差，通风工程成本高的问题。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供一种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方 法，包括：
[0010] 1、建立以洞段的既有竖井作为新鲜空气入口，以洞段的施工通道口作为污浊空气 排出口的通风模型；
[0011] 2、当洞段的通风距离大于2km时，采用射流巷道式通风设计，选取射流风机作为通 风风机(通常采用75kW射流风机），并根据各洞段内的通风阻力和各洞段内的单台射流风机 产生的推力，计算出各洞段内所需的射流风机台数，并将所有射流风机以200~400m为间距 均衡布置在各洞段内；
[0012] 其中，根据各洞段内的通风阻力和各洞段内的单台射流风机产生的推力，计算出 各洞段内所需的射流风机台数的具体方法为：
[0013]采用下列公式计算得到各洞段内所需的射流风机台数m:
[0015] 其中，Ag各洞段内的通风阻力，Δ&为各洞段内的单台射流风机产生的推力。
[0016] 各洞段内的通风阻力根据各洞段的沿程摩擦阻力，以及各洞段的局部摩擦阻力总 和计算得出；各洞段内的单台射流风机产生的推力根据射流风机出口风速、各洞段面积比、 各洞段风速以及各洞段内的喷流系数和空气容重计算得出，其具体计算方法为：
[0017] 采用下列公式计算得到各洞段内的通风阻力和洞段内的单台射流风机产生的 推力;
[0020] 其中，^为各洞段的沿程摩擦阻力，为各洞段的局部摩擦阻力总和;G为射 流风机出口风速，的为各洞段面积比，队为各洞段风速比，Κ为各洞段内的喷流系数，Ρ为空气 容重。
[0021] 各洞段的局部摩擦阻力总和根据洞段入口阻力系数、洞段出口阻力系数、各洞段 的设计风速和各洞段内的空气容重计算得出；各洞段的沿程摩擦阻力根据不同洞段沿程摩 擦阻力系数、各洞段的长度、各洞段内的水力直径、各洞段的设计风速和各洞段内的空气容 重计算得出：其具体计算方法为：
[0022] 采用下列公式计算得到各洞段的局部摩擦阻力总和1%和各洞段的沿程摩擦阻 力ΔΡ :
[0025]其中，Σξ为洞段入口阻力系数和洞段出口阻力系数之和，为各洞段的设计 风速，Ρ为各洞段内的空气容重(取lJkg/m3);^为洞段沿程摩擦阻力系数，其根据各洞段内 的水力直径cU和隧道壁面粗糙度Δ计算得出，即
[0027] 3、当洞段的通风距离小于等于2km时，采用轴流巷道式设计，在每个竖井位置各安 装一台轴流风机，并根据洞段的总需风量、洞段内通风总阻力和轴流风机电机功率选取不 同洞段的每个竖井所需的轴流风机的型号；
[0028] 洞段的总需风量根据各洞段的设计风速和各洞段的净空断面得出，其具体计算方 法为：
[0029] 采用下列公式计算得到各洞段的总需风量& ;
[0030]
[0031 ]其中，为各洞段的设计风速&，为各洞段的净空断面4。
[0032]各洞段内的通风阻力根据各洞段内的沿程摩擦阻力，以及各洞段内的局部摩擦阻 力总和计算得到，其具体计算方法为：
[0033]采用下列公式计算得到各洞段内的通风阻力Δ钱.··
[0037] 其中，为各洞段内的沿程摩擦阻力，为各洞段内的局部摩擦阻力总和，G 为洞段局部摩阻损失系数，％为各洞段的设计风速，Ρ为各洞段内的空气容重(取1.2kg/m3); U为各洞段的长度，为各洞段内的当量直径
，为各洞段湿周周长。
[0038] 轴流风机电机功率根据轴流风机轴功率、轴流风机电机效率和轴流风机电机容量 安全系数计算得出，其具体计算方法为：
[0039]采用下列公式计算得到轴流风机电机功率施：
[0042] 其中，Skw为轴流风机轴功率，Qa为轴流风机风量，ptclt为轴流风机全风压，η为轴流 风机效率，to为标准温度（取201：)，。为轴流风机环境温度，为标准大气压（取101.325Ν/ m2)，P1为轴流风机环境大气压。
[0043] 4、将洞段的除了污浊空气排出口外的全部横向施工通道口进行封堵，防止风流短 路。
[0044] 本发明的有益效果为：
[0045] 1、通过为不同通风距离的洞段匹配最合适的风机数量和风机型号，利用既有竖井 作为新鲜空气入口，可以在提高洞库的通风效果的同时，还减少了能源消耗，降低工程投资 成本。
[0046] 2、本设计使风流方向清晰可控，通风效果远优于传统方法，保证了洞段内的空气 质量;并且，可根据施工需要随时改变风流方向，交替组织洞内多工序作业，极大方便了施 工快速组织，而传统方法却难以实现换向。
[0047] 3、洞段内无风管，极大地方便了洞内施工;可以解决任何复杂的网络通风，只要满 足有进出风口的任何网络，均可实现有效通风。
[0048] 4、利用各洞段的既有竖井作为通风进口和施工巷道作为通风出口推动洞内外空 气的交换，不需要另外增加通风竖井，充分发挥了巷道式通风的优势，提高了施工通风距 离，大大减少了工序干扰问题，降低了能源消耗，简化了现场操作，增加了可靠性，保证了隧 道施工的安全性，具有十分重要的工程意义。
【附图说明】
[0049] 图1为轴流巷道式通风水平示意图；
[0050] 图2为轴流巷道式通风纵断面示意图；
[0051 ]图3为射流巷道式通风水平示意图；
[0052] 图4为射流巷道式通风纵断面示意图。
[0053] 其中：1、轴流风机;2、竖井;3、新鲜风;4、污风;5、上层横向通道;6、下层横向通道； 7、施工通道口； 8、射流风机。
【具体实施方式】
[0054]下面对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发 明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易 见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0055] -种地下大型洞库群网络巷道式施工通风方法，包括：
[0056] 1、建立以洞段的既有竖井2作为新鲜空气入口，以施工通道口7作为污浊空气排出 口的通风模型。
[0057] 2、当洞段的通风距离大于2km时，如图3和图4所示，采用射流巷道式通风设计，选 取射流风机8作为通风风机（以75kW射流风机8为主），并将所有射流风机8按照间距为200~ 400m均衡布置在各洞段内。在射流风机8的作用下，新鲜风3由洞段的既有竖井2进入洞段 内，并将洞段中污风4由施工通道口7排出达到通风的目的。
[0058] 在施工过程中，可根据各洞段内的通风阻力和各洞段内的单台射流风机8产生 的推力，计算出各洞段内所需的射流风机8台数m，其中
[0059] 其中，根据各洞段的沿程摩擦阻力，以及各洞段的局部摩擦阻力总和2>心，分 别计算得到各洞段内的通风阻力，即
[0061]根据洞段入口阻力系数ξιη、洞段出口阻力系数ξ。#、紧急停车带的局部阻力系数ξ (可忽略不计）、各洞段的设计风速&和各洞段内的空气容重Ρ(取1.2kg/m3)，计算得到各洞 段的局部摩擦阻力总和，即
[0063] 上式中：Σξ为三项之和。
[0064] 根据不同洞段沿程摩擦阻力系数h、各洞段的长度U、各洞段内的水力直径ck、各洞 段的设计风速&和各洞段内的空气容重P(取1.2kg/m 3)，计算得到各洞段的沿程摩擦阻力Μ。
[0066]根据各洞段内的水力直径cU和隧道壁面粗糙度Δ，计算得到洞段沿程摩擦阻力系 数Μ，即
[0068] 其中，洞段内的水力直径计算公式
，C为隧道断面周长，
[0069] 根据射流风机8出口风速巧、各洞段面积比A、各洞段风速机比以及各洞段内的喷 流系数K和空气容重P，计算得到各洞段内的单台射流风机8产生的推力Δ&，即
[0071]上式中:? =6 /仄，其中h为射流风机8的出风口面积(m2)，&为各洞段横断面积 (m2);队为各洞段速度比(％ = V K )。
[0072]当洞段的通风距离大于2km时，采用射流风机8均衡布置，形成巷道式通风方式，将 计算得出的风机数量按进风段少布置，排污段多布置;小断面多布置，大断面少布置;风向 变向处要布置等原则进行风机布置，并按实际通风效果进行适当的调整，风机间距按200~ 400m布置。
[0073] 3、当洞段的通风距离小于等于2km时，采用轴流巷道式设计(如图1和图2所示），在 每个竖井2位置各安装一台轴流风机1，在轴流风机1的作用下，新鲜风3由洞段的既有竖井2 进入洞段内，并将洞段中污风4由施工通道口7排出达到通风的目的。
[0074] 在施工过程中，可根据洞段的总需风量Qs、洞段内通风总阻力△ Pi和轴流风机1的 电机功率施选取不同洞段所需的轴流风机1的型号。
[0075] 其中，根据各洞段的设计风速匕和各洞段的净空断面Λ:，计算得到各洞段的需风 量口'..，即
[0076] 5：
[0077] 再对各洞段的需风量(Λ:求和即可得到洞段的总需风量Qs。
[0078] 根据各洞段内的沿程摩擦阻力△/?和各洞段内的局部摩擦阻力总和，计算得 到各洞段内的通风阻力^,，即
[0080]根据洞段局部摩阻损失系数、各洞段的设计风速g和各洞段内的空气容重Ρ(取 为1.225kg/m3)，计算得到各洞段的局部摩擦阻力总和Σ%,即
[0082]根据不同洞段沿程摩擦阻力系数h、各洞段的长度1^、各洞段内的当量直径贫、各 洞段的设计风速&和各洞段内的空气容重P(取为1.225kg/m3)，计算得到各洞段的沿程摩 擦阻力，即
[0085]根据各洞段的沿程摩擦阻力Δ/\、各洞段的局部摩擦阻力总和、各洞段弯曲 损失系数么和各洞段内的通风阻力^，计算得出洞段内通风总阻力A Ρ,，即
[0087]根据轴流风机1轴功率Skw、轴流风机1电机效率和轴流风机1电机容量安全系数k (取1.15)，计算得到轴流风机1电机功率施，即
[0089] 根据轴流风机1风量Qa、轴流风机1全风压ptclt、轴流风机1效率η、标准温度to(取20 °C)，轴流风机1环境温度ti、标准大气压p〇(取101.325N/m2)和轴流风机1环境大气压P1，计 算得到轴流风机1轴功率S kw，SP
[0091] 计算出洞段的总需风量Qs、洞段内通风总阻力Δ Ρ,和轴流风机1的电机功率％后， 即可根据洞段的实际情况进行选取最合适的轴流风机1。
[0092] 4、最后，为了保障风流运动的有序性，对会造成风流短路施工通道口 7 (如图1和图 3中所示的上层横向通道5)进行封堵，形成清晰、有序、科学的巷道式通风网络，风流方向应 与重车行驶方向相同。
[0093] 根据本申请的一个实施例，下面介绍利用本方法对进行锦州储备库进行巷道式网 络施工通风设计的步骤：
[0094] 1、将既有竖井2作为进风通道，由于4条竖井2基本等高，可视为同一节点，洞库、横 向通道作为通道，施工通道作为排风通道，结合实际情况对横向通道进行封堵，防止风流短 路，形成通风网络模型。
[0095] 2、由于本实验例通风距离在小于2km时，故通风设计采用轴流巷道式设计，风机选 型原则：局扇（洞内轴流风机1 )2 X 110kW可变级风机，洞口轴流风机1以2 X 135kW为主选风 机类型，当其不能满足通风需求时，可根据实际情况选取其他类型轴流风机1。由公式（1)计 算得到各洞段需风量备,，然后对各洞段需风量求和得到总需风量OS=15696m3/min，由 公式(2)计算出各洞段隧道内通风阻力^.，由公式(3)计算出各洞段隧道内通风总阻力Δ Pi，然后对各洞段隧道内通风总阻力ΑΡ,求和得到隧道内通风总阻力AP = 5893Pa，由公式 (4)计算出轴流风机1的轴功率Skw，最后由公式(5)计算得到轴流风机1所需配用的电机功率 Mi，根据计算得到的总需风量Qs、隧道内通风总阻力ΔΡ、电机功率施结合风机选型原则选择 所需风机型号为：穿山甲牌SDZ-12.5，风量2400m3/min，全压5000Pa，功率2 X 135kW。
[0097]上式中：匕为各洞段隧道设计风速(m/s);^.为各洞段隧道净空断面，变断面取最 大值计算(m2)。
[0099] 上式中：^为各洞段隧道内通风阻力(N/m2);△&为各洞段隧道内沿程摩阻损失 (N/m2)
1^为各洞段的长度(m)，P取为1.225kg/m3，为各洞段隧道 设计风速(m/s)，^为当量直径，
其中为各洞段湿周周长；ΔΡξι*各洞段隧道内 局部摩阻损失(N/m2):
其中ζ:为隧道局部摩阻损失系数。
[0101] 上式中：Ah*各洞段隧道内通风总阻力；Δ/^为各洞段隧道内通风阻力(N/m2); K 各洞段隧道设计风速(m/s); #B;为各洞段弯曲损失系数。
[0103] 上式中：Skw为轴流风机1轴功率(kW);Qa为轴流风机1风量(m3/S);p tclt为轴流风机1 的全风压(N/m2);τι为风机效率(一般取80% ); to为标准温度（°C)，取20°C ; t为风机环境温 度（°C); pq为标准大气压(N/m2，取101 · 325N/m2; P1为风机环境大气压(N/m2)。
[0105] 上式中：Mi为电机功率(kW);nm为电机效率（％)，可取90%~95%;k为电机容量安 全系数，可取1.15。
[0106] 在每个竖井2位置各布置一台轴流风机1，为巷道式通风网络供风，形成轴流巷道 式通风网络，最后发现采用轴流巷道式通风效果好于传统的采用大功率主扇结合吸风洞或 纯压入式的通风方式。轴流巷道式的具体布置如图1~图2所示。
[0107] 综上，通过本发明的方法进行地下大型洞库群巷道式网络施工通风设计，与传统 方法相比：风流方向清晰可控，通风效果远优于传统方法，空气质量好;可根据施工需要随 时改变风流方向，交替组织洞内多工序作业，极大方便了施工快速组织，而传统方法却难以 实现换向；洞端内无风管，极大地方便了洞段内施工;可以解决任何复杂的网络通风，只要 满足有进出风口的任何网络，均可实现有效通风。较传统通风方法成本更低，工程投资降低 显著。利用既有竖井2作为通风进口和施工巷道作为通风出口推动洞内外空气的交换，充分 发挥了巷道式通风的优势，提高了施工通风距离，大大减少了工序干扰问题，降低了能源消 耗，简化了现场操作，增加了可靠性，保证了隧道施工的安全性，具有十分重要的工程意义。 弥补了地下大型洞库群没有相关施工通风规范的空白，为地下大型洞库群通风设计提供了 重要的参考。
【主权项】
1. 一种地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，包括： S1: W桐库的每个桐段建立通风模型； S2:根据每个桐段的特征，采用射流巷道式或者轴流巷道式方法，对所述桐段内射流风 机进行布局W实现对地下大型桐库群的有效通风。2. 根据权利要求1所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，具体 步骤包括： S1:建立W所述桐段的既有竖井作为新鲜空气入口，W所述桐段的施工通道口作为污 浊空气排出口的通风模型； S21:当桐段的通风距离大于2km时，采用射流巷道式通风设计，选取射流风机作为通风 风机，并根据各桐段内的通风阻力和各桐段内的单台射流风机产生的推力，计算出各桐段 内所需的射流风机台数，并将所有射流风机均衡布置在各桐段内； S22:将所述桐段的除了污浊空气排出口外的全部横向施工通道口进行封堵，防止风流 短路。3. 根据权利要求1所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，具体 步骤包括： S1:建立W所述桐段的既有竖井作为新鲜空气入口，W所述桐段的施工通道口作为污 浊空气排出口的通风模型； S21:当桐段的通风距离小于等于2km时，采用轴流巷道式设计，在每个竖井位置各安装 一台轴流风机，并根据桐段的总需风量、桐段内通风总阻力和轴流风机电机功率选取不同 桐段的每个竖井所需的轴流风机的型号； S22:将所述桐段的除了污浊空气排出口外的全部横向施工通道口进行封堵，防止风流 短路。4. 根据权利要求2所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所述 根据各桐段内的通风阻力和各桐段内的单台射流风机产生的推力，计算出各桐段内所需的 射流风机台数的具体方法为： 采用下列公式计算得到各桐段内所需的射流风机台数m:其中，Δ/;: 各桐段内的通风阻力，Δ巧,为各桐段内的单台射流风机产生的推力。5. 根据权利要求4所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，各桐 段内的通风阻力根据各桐段的沿程摩擦阻力，W及各桐段的局部摩擦阻力总和计算得出； 所述各桐段内的单台射流风机产生的推力根据射流风机出口风速、各桐段面积比、各桐段 风速W及各桐段内的喷流系数和空气容重计算得出，其具体计算方法为： 采用下列公式计算得到各桐段内的通风阻力Δ?；和桐段内的单台射流风机产生的推力够,,；其中，心\为各桐段的沿程摩擦阻力，Σ Δ Ρζι为各桐段的局部摩擦阻力总和;为射流 风机出口风速，巧为各桐段面积比，如为各桐段风速比，κ为各桐段内的喷流系数，P为空气容 重。6. 根据权利要求5所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所述 各桐段的局部摩擦阻力总和根据桐段入口阻力系数、桐段出口阻力系数、各桐段的设计风 速和各桐段内的空气容重计算得出；所述各桐段的沿程摩擦阻力根据不同桐段沿程摩擦阻 力系数、各桐段的长度、各桐段内的水力直径、各桐段的设计风速和各桐段内的空气容重计 算得出：其具体计算方法为： 采用下列公式计算得到各桐段的局部摩擦阻力总和Σ ΔΡζι和各桐段的沿程摩擦阻力?其中，Σξ为桐段入口阻力系数和桐段出口阻力系数ξ。。*之和，为各桐段的设计风速，Ρ 为各桐段内的空气容重(取1.化g/m3);、为桐段沿程摩擦阻力系数，其根据各桐段内的水力 直径di和隧道壁面粗糖度Δ计算得出，即k为各桐段的长度。7. 根据权利要求3所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所述 桐段的总需风量根据各桐段的设计风速和各桐段的净空断面得出，其具体计算方法为： 采用下列公式计算得到各桐段的总需风量& . 谷請 i=K:x4; 其中，为各桐段的设计风速吃:，为各桐段的净空断面年。8. 根据权利要求3所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所述 各桐段内的通风阻力根据各桐段内的沿程摩擦阻力，W及各桐段内的局部摩擦阻力总和计 算得到，其具体计算方法为： 采用下列公式计算得到各桐段内的通风阻力;其中，Δ巧为各洞段内的沿程摩擦阻力，Σ ΔΡζι为各桐段内的局部摩擦阻力总和，ζι为 桐段局部摩阻损失系数，^为各桐段的设计风速，Ρ为各桐段内的空气容重(取1.化g/m3);Li 为各桐段的长度，为巧?各桐段内的当量直径，且巧，A,为各桐段湿周周长。9. 根据权利要求3所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所述 轴流风机电机功率根据轴流风机轴功率、轴流风机电机效率和轴流风机电机容量安全系数 计算得出，其具体计算方法为： 采用下列公式计算得到轴流风机电机功率Ml:其中，Skw为轴流风机轴功率，也为轴流风机风量，ptot为轴流风机全风压，η为轴流风机 效率，to为标准溫度(取20°C )，ti为轴流风机环境溫度，为标准大气压(取101.325N/m2)，Ρ1 为轴流风机环境大气压。10.根据权利要求2所述的地下大型桐库群网络巷道式施工通风方法，其特征在于，所 述射流风机为75kW射流风机，两个相邻所述射流风机的间距为200~400m。
【文档编号】E21F1/00GK106089280SQ201610556201
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】张恒, 吴瑾, 涂鹏, 林放, 王路, 孙建春, 张超, 刘效成, 陈寿根, 张凯
【申请人】西南交通大学