一种长距离隧道施工用通风监控系统及监控方法
【专利摘要】本发明公开了一种长距离隧道施工用通风监控系统，包括一个布设于隧道洞口外侧的轴流式通风机、一个位于当前所施工掌子面后侧的射流风机、位于当前所施工掌子面后侧的可移动式监测装置和通过通讯电缆与可移动式监测装置相接的上位监测装置，射流风机安装在移动式风机安装架上；隧道洞内布设有与轴流式通风机相接的风管，该监控系统结构简单、设计合理且安装及使用简便、使用效果好，能满足长大隧道施工过程中掌子面不断向前推进的通风需求。本发明还公开了一种通风监控方法，采用自动通风监控系统对轴流式通风机送风量进行动态调节，该监控方法步骤简单、实现方便且使用效果好、能自动动态调整洞内通风量、通风效果不受掘进施工面推进进度影响。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道施工【技术领域】，尤其是涉及一种长距离隧道施工用通风监控系统 及监控方法。 一种长距离隧道施工用通风监控系统及监控方法
【背景技术】
[0002] 溆怀高速关虎冲隧道位于湖南省怀化市辰溪县境内，为双洞单向四车道交通隧 道，设计速度为l〇〇Km/h，左线全长4918m，右线全长4970m，隧道纵坡为单坡，溆浦端洞口设 计高程为287m?289m，怀化端洞口设计高程为196m，洞内设5个车行横洞且间距约800m， 整个隧道中间未设措施斜井或坚井。关虎冲隧道采用分别从两端上下行线独头掘进到分界 里程的施工方案，溆浦端最远独头掘进2560m，怀化端最远独头掘进2410m。根据洞身围岩 性质及其成分推测，隧道围岩内可能产生有害气体（如瓦斯）。
[0003] 隧道施工通风不同于公路隧道运营通风，运营通风是隧道已经贯通并处于正常使 用阶段，一般形成贯穿风流，形成比较固定的通风设施及控制设备，并且通风风量及通风阻 力变化较小，便于通风日常管理与设备维护。而施工通风是在隧道掘进期间，通风设施随施 工进度而不断变换，通风阻力不断增加，通风效率降低、漏风情况严重，因此要求通过控制 风机工况点来适应不断变化的通风条件，实现洞内外空气交换的目的。长距离隧道施工通 风相对于运营期间通风而言，面临着掘进施工面不断推进、需风量动态变化、通风强度大以 及通风系统设施安装、维护与保养困难等问题，特别是特长距离隧道独头掘进施工期间问 题尤为突出。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简 单、设计合理、安装及使用简便且使用效果好、能满足长大隧道施工过程中掌子面不断向前 推进的通风需求的长距离隧道施工用通风监控系统。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种长距离隧道施工用通风监 控系统，其特征在于：包括一个布设于所施工隧道的隧道洞口外侧的轴流式通风机、一个布 设于当前所施工掌子面后侧的射流风机、位于当前所施工掌子面后侧的可移动式监测装置 和通过通讯电缆与所述可移动式监测装置相接的上位监测装置，所述可移动式监测装置包 括对有害气体浓度、粉尘浓度与风速进行实时检测的检测装置和供检测装置安装的可移动 式安装架；所施工隧道的长度大于500m ;所述射流风机位于所施工隧道的隧道洞内且射流 风机安装在移动式风机安装架上；所述隧道洞内布设有与轴流式通风机的送风口相接的风 管，所述风管沿所施工隧道的延伸方向由后至前布设，所述风管前端与当前所施工掌子面 之间的距离为d3,其中d3 = 30m?100m ;所述射流风机位于风管的前端后侧，所述射流风 机与风管前端之间的间距dl = 60m?90m ;所述移动式风机安装架包括第一支撑架体和 多个安装在所述第一支撑架体底部的第一行走轮，所述射流风机安装在所述第一支撑架体 上；所述可移动式安装架包括第二支撑架体和多个安装在所述第二支撑架体底部的第二行 走轮，所述检测装置安装在所述第二支撑架体上。
[0006] 上述一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征是：所述可移动式监测装置还 包括布设在所述第二支撑架体上的无线通信模块一，所述无线通信模块一与检测装置相 接，所述上位监测装置与无线通信模块二相接，所述检测装置通过无线通信模块一和无线 通信模块二与所述上位监测装置进行双向通信。
[0007] 上述一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征是：所述上位监测装置包括对 检测装置所检测信息进行采集的前端采集装置和与所述前端采集装置相接的上位机，所述 前端采集装置与检测装置之间通过所述通讯电缆进行连接，所述前端采集装置与上位机之 间通过串行通信接口连接。
[0008] 上述一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征是：所述检测装置包括风速检 测仪、对有害气体浓度进行实时检测的气体浓度传感器和对粉尘浓度进行实时检测的粉尘 浓度传感器，所述风速检测仪、所述气体浓度传感器和所述粉尘浓度传感器均与数据收发 器相接，所述数据收发器通过所述通讯电缆与所述前端采集装置相接。
[0009] 上述一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征是：所述轴流式通风机与所述 隧道洞口之间的间距d2 = 20m?50m ;所述轴流式通风机安装在水平安装架上，所述水平 安装架固定在所述隧道洞口外侧且其高度为3m?4m ;所述第二支撑架体的高度为1. 5m? 2m 〇
[0010] 同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便且使用效果好、能自动动态调 整洞内通风量、通风效果不受掘进施工面推进进度影响的长距离隧道施工用通风监控方 法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0011] 步骤一、轴流式通风机安装：对所施工隧道进行开挖之前，在隧道洞口外侧安装一 个轴流式通风机；
[0012] 所施工隧道由初始施工段和位于所述初始施工段后侧的后续施工段组成，所述初 始施工段的长度为450m?550m ;
[0013] 步骤二、隧道开挖及通风监控：沿所施工隧道的延伸方向，采用钻爆法由后至前进 行隧道开挖施工，过程如下：
[0014] 步骤201、初始施工段开挖施工：由后至前对所述初始施工段进行开挖施工，且开 挖施工过程中，采用轴流式通风机进行压入式通风；
[0015] 步骤202、后续施工段开挖施工：由后至前对所述后续施工段进行开挖施工，且开 挖施工过程中，采用轴流式通风机进行压入式通风的同时，通过射流风机持续向隧道洞外 侧吹风；对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述轴流式通风机和射流风机均处于工 作状态；
[0016] 步骤201和步骤202中开挖施工过程中，所述风管前端与当前所施工掌子面之间 的距离均为d3 ;步骤202中进行开挖施工过程中，采用所述移动式风机安装架将射流风机 不断向前移动，且射流风机与风管前端之间的距离均为dl ;
[0017] 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述可移动式监测装置与当 前所施工掌子面之间的间距不大于500m ;所述可移动式监测装置的数量为多个，多个所述 可移动式监测装置沿所施工隧道的延伸方向由前至后布设，多个所述可移动式监测装置中 位于最前侧的所述可移动式监测装置为前侧监测装置，所述前侧监测装置位于当前所施工 掌子面所处位置处，前后相邻两个所述可移动式监测装置之间的间距为80m?120m ;多个 所述可移动式监测装置组成通风状况监测装置；所述检测装置包括风速检测仪、对有害气 体浓度进行实时检测的气体浓度传感器和对粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传感器；
[0018] 对所述后续施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下：
[0019] 步骤2021、设备前移及风管接长：将所述通风状况监测装置向前移动，直至所述 通风状况监测装置中的前侧监测装置移至当前所施工掌子面所处位置处；同时，将风管接 长，并将射流风机向前移动；
[0020] 步骤2022、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面上钻取炮孔，再在已钻取 炮孔内装药，装药完成后起爆进行爆破；
[0021] 步骤2023、出碴：采用运碴车将步骤2022中爆破后产生的碴石运送至隧道洞外；
[0022] 步骤2024、初期支护；
[0023] 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述隧道洞内的各可移动式 监测装置进行实时监测并将监测信息同步上传至所述上位监控装置，所述上位监控装置调 用自动监控模块对轴流式通风机进行自动监控，过程如下：
[0024] 步骤I、监测信息采集：所述上位监控装置按照预先设定的采样频率，对与其相接 的各可移动式监测装置上传的监测信息进行采集；
[0025] 步骤II、监测信息分析处理：所述上位监控装置按照时间先后顺序，对步骤I中各 采样时刻所采集的监测信息分别进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机进行 控制，且每个采样时刻所采集监测信息的分析处理方法均相同；每个采样时刻所采集监测 信息均包含与所述上位监控装置相接的多个所述可移动式监测装置的监测信息，各可移动 式监测装置的监测信息均包括风速检测值、有害气体浓度检测值和粉尘浓度检测值；对任 一采样时刻所采集的监测信息而言，其分析处理过程如下：
[0026] 步骤II -1、各可移动式监测装置的监测信息处理：对当前所处理监测信息中各可 移动式监测装置的监测信息分别进行处理，并获得由各可移动式监测装置的监测信息确定 的风机转速V ;其中，对任一个可移动式监测装置的监测信息进行处理时，过程如下：
[0027] 步骤i、检测值阈值比较：将当前所处理可移动式监测装置的风速检测值CF、有害 气体浓度检测值C H和粉尘浓度检测值C。，分别与预先设定的风速阈值Cro、有害气体浓度阈 值CHQ和粉尘浓度阈值C CQ进行差值比较：当CF彡CFQ、CH彡CHQ且C c > CCQ时，风机转速v = %，其中为预设设定的基准转速；否则，进入步骤? ;
[0028] 步骤ii、转速调整，过程如下：
[0029] 步骤ii -1、检测值与阈值作差：将步骤i中所述的风速检测值CF、有害气体浓度检 测值CH和粉尘浓度检测值C。分别与风速阈值C ro、有害气体浓度阈值CH(I和粉尘浓度阈值Ce(l 进行作差，计算出风速检测值增量△(；、有害气体浓度检测值增量ACh和粉尘浓度检测值 增量Λ Cc ;
[0030] 其中，当 CF 彡 CF(I 时，Λ CF = 0 ;当 CF > CF(I 时，Λ CF = CF_CF0 ;
[0031] 当 CH 彡 CHQ 时，Λ CH = 0 ;当 CH > CHQ 时，Λ CH = CH_CH0 ;
[0032] 当 Cc 彡 C⑶时，Λ Cc = 0 ;当 Cc < C⑶时，Λ Cc = C⑶_Cc ;
[0033] 步骤ii -2、检测值增量对应转速调整量获取：根据步骤ii -1中计算出的Λ CF、Λ CH 和Λ C。，并结合预先设定的转速调整信息，得出与Λ CF对应的转速调整量Λ vF、与Λ CH对应 的转速调整量Λ vH和与AC。对应的转速调整量Λ vc;
[0034] 其中，所述转速调整信息包括转速调整量与风速检测值增量之间的线性关系、转 速调整量与有害气体浓度检测值增量之间的线性关系以及转速调整量与风速检测值增量 之间的线性关系；
[0035] 步骤ii -3、风机转速调整量获取：从步骤ii -2中所述Λ vF、Λ vH和Λ 选出最大 值，作为风机转速调整量Λν;其中，Λν为由当前所处理可移动式监测装置的监测信息推 算出的风机转速调整量；
[0036] 步骤ii _4、风机转速获取：根据公式ν = vd △ V，计算得出风机转速ν ;
[0037] 步骤iii、多次重复步骤i至步骤ii，直至获得由当前所处理监测信息中所有可移 动式监测装置的监测信息确定的风机转速V，所确定风机转速v的数量与所述通风状况监 测装置中所包含可移动式监测装置的数量相同；
[0038] 步骤II -2、风机转速确定：从步骤iii中所确定的多个风机转速v中选出最大值，作 为当前状态下轴流式通风机的控制风速ν' ；
[0039] 步骤II -3、轴流式通风机控制：控制轴流式通风机以步骤II -2中所述的控制风速 ν'运转；
[0040] 步骤II -4、按照步骤II -1至步骤II -3中所述的方法，对下一个采样时刻所采集的 监测信息进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机进行控制；
[0041] 步骤II -5、多次重复II -4,直至完成所述后续施工段开挖施工过程中的全部自动 监控过程。
[0042] 上述方法，其特征是：步骤201中对所述初始施工段进行开挖施工过程中，所述隧 道洞内所布设可移动式监测装置的数量为一个且该可移动式监测装置布设在当前所施工 掌子面所处位置处，所述可移动式监测装置将其实时监测信息同步上传至所述上位监控装 置；
[0043] 步骤201中对所述初始施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下：
[0044] 步骤2011、监测装置前移及风管接长：将所述可移动式监测装置向前移动至当前 所施工掌子面所处位置处，并将风管接长；
[0045] 步骤2012、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面上钻取炮孔，再在已钻取 炮孔内装药，装药完成后起爆进行爆破；
[0046] 步骤2013、出碴：采用运碴车将步骤2012中爆破后产生的碴石运送至隧道洞外；
[0047] 步骤2014、初期支护。
[0048] 上述方法，其特征是：步骤一中所施工隧道为双洞隧道，所述隧道洞的数量为两 个，两个所述隧道洞呈平行布设，两个所述隧道洞的后续施工段之间通过多个横洞连通，多 个所述横洞沿隧道洞的延伸方向由后至前布设，前后相邻两个所述横洞之间的间距大于 500m ;两个所述隧道洞的开挖施工方向相同且二者的开挖进度相差不大于100m ;对两个所 述隧道洞进行开挖之前，先按照步骤一中所述的方法，在两个所述隧道洞的隧道洞口外侧 分别安装一个轴流式通风机；之后，按照步骤二中所述的方法，对两个所述隧道洞分别进行 隧道开挖及通风监控。
[0049] 上述方法，其特征是：步骤二中对两个所述隧道洞分别进行隧道开挖过程中，由后 至前分别对多个所述横洞进行开挖施工；
[0050] 任一个横洞开挖完成后，对该横洞前方500m内的隧道洞进行开挖施工时，均将该 横洞作为两个隧道洞的连通通道进行通风影响分析；对当前所分析横洞前方500m内的任 一隧道洞进行开挖施工时，每一循环进尺施工之前，需先采用数据处理设备对本循环进尺 的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟；
[0051] 其中，对本循环进尺的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟时， 结合当前所施工掌子面的位置、当前所分析横洞与当前所施工掌子面之间的距离以及隧道 洞的几何尺寸，所述数据处理设备调用FULENT软件进行模拟，并得出钻爆过程完成后当前 所施工掌子面后侧50_范围内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的变化曲线以及该横 洞内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的变化曲线；再根据上述模拟结果，判断当前所 分析横洞与另一个隧道洞之间的连接处是否需布设可移动式监测装置，便完成当前所分析 横洞的通风影响分析过程；当判断出当前所分析横洞与另一个隧道洞之间的连接处需布设 可移动式监测装置时，在当前所分析横洞与另一个隧道洞之间的连接处布设一个可移动式 监测装置，并将所布设可移动式监测装置与对另一个隧道洞外侧所布设轴流式通风机进行 自动监控的上位监控装置相接。
[0052] 上述方法，其特征是：步骤202中所述通风状况监测装置中所包含可移动式监测 装置的数量为N个，其中N = 3个?5个；所述数据处理设备调用FULENT软件进行模拟后， 还需根据模拟结果，并结合当前状态下当前所分析横洞内是否存在作业区，判断当前所分 析横洞内是否需布设可移动式监测装置；当判断出当前所分析横洞内需布设可移动式监测 装置时，在当前所分析横洞内布设一个可移动式监测装置，并将所布设可移动式监测装置 与对当前所施工隧道洞外侧所布设轴流式通风机进行自动监控的上位监控装置相接。
[0053] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0054] 1、所采用的通风监控系统结构简单且设计合理，投入成本较低。
[0055] 2、所采用的通风监控系统安装布设方便、使用操作简便且通风效果好，能满足长 距离隧道的通风需求，并且对隧道施工不会造成任何影响。
[0056] 3、所采用的通风设备位置布设合理、操作简便且使用效果好，由一个布设于所施 工隧道的隧道洞口外侧的轴流式通风机和一个布设于当前所施工掌子面后侧的射流风机 组成，其中射流风机为移动式风机，能随隧道向前掘进进度对安装位置进行调整。实际使用 时，对所施工隧道前500m进行开挖时，仅采用轴流式通风机进行压入式通风；待隧道掘进 至500m后，在采用轴流式通风机进行压入式通风的同时，通过射流风机持续向隧道洞外侧 吹风；并且开挖施工过程中，风管前端与当前所施工掌子面之间的距离均为d3 ;射流风机 与风管前端之间的距离均为dl。
[0057] 4、所采用的可移动式监测装置结构简单、设计合理且移动方便、使用效果好，能随 隧道向前掘进进度对监测位置进行相应调整，从而满足长距离隧道通风监测需求。
[0058] 5、所采用的可移动式监测装置与上位监测装置之间采用无线通信与通信电缆两 种通讯方式，既满足了可移动式监测装置布设位置的灵活性需求，并且也保障了长距离通 讯数据传输的可靠性。
[0059] 6、所采用的通风监控方法步骤简单、实现方便且使用效果好，能自动动态调整洞 内通风量，且通风效果不受掘进施工面推进进度影响，有效改善了隧道施工现场作业的环 境条件，解决了隧道施工普遍存在的施工条件差、人员作业效率低的问题，有利于施工人员 的身心健康。实施后的通风自动控制系统具有明显的节能减排效益，有利于减少能源消耗， 减少温室气体排放，改善大气环境污染。同时具有较好的通用性、适用性和易维护性，能够 在各种类似隧道掘进施工中重复多次使用，既节约了施工单位生产成本，又减少了固体废 弃物，保障了施工通风质量指标符合国家卫生标准和隧道施工规范的相关要求，实现了安 全、环保、文明施工。
[0060] 7、采用自动监控系统及自动通风监控方法后，隧道断面一个完整施工周期内可节 约电量约18%，因而具有节能效果，并且可大幅度改善隧道施工现场作业的环境条件，改 善洞内各种机械设备的作业环境，降低设备损耗及日常维护成本；提高施工人员的作业积 极性与劳动效率，明显降低职业危害与职业病的发病率，降低医疗卫生与劳动保护用品的 开支；简化通风系统的日常管理与维护工作，节约了劳动力，降低了安全事故发生的潜在隐 患。主风机（即轴流风机）采用变频控制技术，通过对现场监测数据进行综合分析，实时动 态对主风机工作状态进行调整，在满足作业面对通风需要的基础上，最大限度的降低了电 能消耗，节省了生产成本。因而，本发明在长大隧道施工通风控制系统中，采用无线传输与 通讯电缆相结合的监测数据传输模式，实现了动态实时调控风机工况。并且，采用柔性长管 路压入式通风为主，射流风机通风为辅的通风方案。
[0061] 综上，本发明采用施工中集中通风，节约了施工成本，确保了施工安全，改善了施 工环境，缩短了施工工期，工程质量优良，具有良好的经济和社会效益，推广应用前景广阔。 并且，采用自动通风监控系统，满足了对掌子面施工过程中对通风系统的不同要求，达到了 实时动态调控风量的目的，节能减排效益明显，特别是对于特长距离隧道施工，随着掌子面 的不断向前推进，通风阻力逐步加大，系统漏风严重，排尘排烟效果降低，需要对风机运行 参数进行实时动态调节，以适应工作面对通风工作的要求，通过现场实践应用，保障了隧道 作业工作面环境达标，减少了日常管理工作，实现了节能减排的要求。
[0062] 8、采用双洞隧道有毒有害气体扩散模拟分析方法，由于双洞施工隧道，一般每隔 一定距离要开挖人行、车行的横洞，横洞出现改变了双洞隧道及其两者之间的通风条件，也 对有毒有害气体扩散和排放产生重要影响。采用Fluent软件建立了对应的有毒有害气体 (C0为例）扩散模型，并进行模拟仿真，根据模拟结果对可移动式监测装置布设位置进行确 定，有效解决了双洞隧道施工期间人行、车行的横洞对施工通风的影响。
[0063] 9、推广应用前景广泛，具有自动化程度高、施工及维护简单、经济效益明显等特 点，可广泛应用于长距离公路、铁路隧道施工通风领域，也可推广至具有类似特点的工程施 工通风领域。因而，本发明能有效解决了特长隧道施工通风面临的诸多问题，提高了自动化 程度，降低了劳动生产强度，为今后类似工程的施工通风技术发展提供了强有力的实例借 鉴和应用参数，社会效益显著。
[0064] 综上所述，本发明设计合理且安装及使用简便、使用效果好，能满足长大隧道施工 过程中掌子面不断向前推进的通风需求，能自动动态调整洞内通风量，且通风效果不受掘 进施工面推进进度影响。
[0065] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0066] 图1为本发明所采用通风监控系统的使用状态参考图。
[0067] 图2为本发明所采用通风监控系统的电路原理框图。
[0068] 图3为本发明所施工双洞隧道的结构示意图。
[0069] 图4为本发明所建立的隧道三维仿真模型。
[0070] 图5为本发明模拟出的隧道洞内掌子面后侧不同位置处C0浓度的变化曲线图。
[0071] 图6为本发明模拟出的横洞内不同位置处C0浓度的变化曲线图。
[0072] 图7为本发明模拟出的爆破完成后且通风400s时C0在平面y = 1. 6上的浓度云 图
[0073] 图8-1为本发明模拟出的爆破完成后且通风400s时平面z = 280上的C0浓度云 图。
[0074] 图8-2为本发明模拟出的爆破完成后且通风400s时平面z = 280上的C0流场速 度矢量云图。
[0075] 图9为本发明模拟出的爆破完成后且通风T = 400s时平面y = 1. 6上的C0浓度 云图。
[0076] 图10本发明模拟出的横洞与隧道洞交叉口处的C0流线图。
[0077] 附图标记说明：
[0078] 1-隧道洞； 2-轴流式通风机； 3-当前所施工掌子面；
[0079] 4一射流风机； 5-风管； 6-检测装置；
[0080] 7-上位机； 8 - PLC控制器； 9一无线通信模块一；
[0081] 10-无线通信模块二；11 一横洞。
【具体实施方式】
[0082] 如图1、图2所示的一种长距离隧道施工用通风监控系统，包括一个布设于所施工 隧道的隧道洞口外侧的轴流式通风机2、一个布设于当前所施工掌子面3后侧的射流风机 4、位于当前所施工掌子面3后侧的可移动式监测装置和通过通讯电缆与所述可移动式监 测装置相接的上位监测装置，所述可移动式监测装置包括对有害气体浓度、粉尘浓度与风 速进行实时检测的检测装置6和供检测装置6安装的可移动式安装架。所施工隧道的长度 大于500m。所述射流风机4位于所施工隧道的隧道洞1内且射流风机4安装在移动式风 机安装架上。所述隧道洞1内布设有与轴流式通风机2的送风口相接的风管5,所述风管5 沿所施工隧道的延伸方向由后至前布设，所述风管5前端与当前所施工掌子面3之间的距 离为d3,其中d3 = 30m?100m。所述射流风机4位于风管5的前端后侧，所述射流风机4 与风管5前端之间的间距dl = 60m?90m。所述移动式风机安装架包括第一支撑架体和多 个安装在所述第一支撑架体底部的第一行走轮，所述射流风机4安装在所述第一支撑架体 上。所述可移动式安装架包括第二支撑架体和多个安装在所述第二支撑架体底部的第二行 走轮，所述检测装置6安装在所述第二支撑架体上。
[0083] 本实施例中，所述轴流式通风机2与所述隧道洞口之间的间距d2 = 20m?50m。
[0084] 实际安装时，所述轴流式通风机2安装在水平安装架上，所述水平安装架固定在 所述隧道洞口外侧。本实施例中，所述水平安装架为由型钢焊接而成的支架且其高度为 3m ?4m〇
[0085] 本实施例中，所述风管5为拉链式软风管，所述拉链式软风管通过多个紧固件固 定在隧道洞1的侧壁上，多个所述紧固件沿所施工隧道的延伸方向由后至前布设。
[0086] 本实施例中，所述拉链式软风管为拉链式胶皮风管且其直径为Φ1. 5m，所述拉链 式胶皮风管由多个节段由后至前拼接而成，每个节段的长度为20m左右。所述紧固件包括 固定在隧道洞1侧壁上的铆钉和将所述拉链式软风管悬挂于所述铆钉上的悬挂铁丝。
[0087] 实际加工时，所述第一支撑架体和所述第二支撑架体均为由型钢焊接而成的支撑 架。
[0088] 本实施例中，所述第二支撑架体的高度为1. 5m?2m。所述第一支撑架体的高度为 4m?6m。具体加工时，可以根据实际需要，对所述第一支撑架体和所述第二支撑架体的高 度进行相应调整。
[0089] 实际布设安装时，所述风管5布设在隧道洞1内部一侧，所述射流风机4布设在隧 道洞1内部另一侧。所述通讯电缆与风管5呈平行布设。
[0090] 本实施例中，所述可移动式监测装置与当前所施工掌子面3之间的间距不大于 500m。所述可移动式监测装置的数量为多个，多个所述可移动式监测装置沿所施工隧道的 延伸方向由前至后布设，多个所述可移动式监测装置中位于最前侧的所述可移动式监测装 置为前侧监测装置，所述前侧监测装置位于当前所施工掌子面3所处位置处，前后相邻两 个所述可移动式监测装置之间的间距为80m?120m。
[0091] 实际使用过程中，可以仅开启所述前侧监测装置的无线通信模块一 9,其余可移动 式监测装置的无线通信模块一 9均处于关闭状态。
[0092] 同时，所述可移动式监测装置还包括布设在所述第二支撑架体上的无线通信模块 一 9,所述无线通信模块一 9与检测装置6相接，所述上位监测装置与无线通信模块二10相 接，所述检测装置6通过无线通信模块一 9和无线通信模块二10与所述上位监测装置进行 双向通信。
[0093] 本实施例中，所述无线通信模块一 9和无线通信模块二10均为Zigbee无线通信 模块一。
[0094] 也就是说，当前所施工掌子面3后侧500m范围内为监测区域，需在该监测区域内 由前至后布设多个所述可移动式监测装置。实际使用过程中，多个所述可移动式监测装置 所检测信息同步上传至所述上位监测装置，这样通风监控人员可通过所述上位监测装置对 当前状态下监测区域内的通风状况进行及时、准确了解。
[0095] 并且，所述可移动式监测装置与所述上位监测装置通过无线传输与通讯电缆相结 合的数据传输模式，这样既满足了可移动式监测装置布设位置的灵活性需求，并且也保障 了长距离通讯数据传输的可靠性。
[0096] 本实施例中，所述上位监测装置包括对检测装置6所检测信息进行采集的前端采 集装置和与所述前端采集装置相接的上位机7,所述前端采集装置与检测装置6之间通过 所述通讯电缆进行连接，所述前端采集装置与上位机7之间通过串行通信接口连接。
[0097] 所述检测装置6包括风速检测仪、对有害气体浓度进行实时检测的气体浓度传感 器和对粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传感器，所述风速检测仪、所述气体浓度传感器 和所述粉尘浓度传感器均与数据收发器相接，所述数据收发器通过所述通讯电缆与所述前 端采集装置相接。所述风速检测仪、所述气体浓度传感器和所述粉尘浓度传感器的数量均 为多个，多个所述风速检测仪、多个所述气体浓度传感器和多个所述粉尘浓度传感器均沿 隧道洞1的宽度方向由左至右进行布设。
[0098] 本实施例中，所述气体浓度传感器为一氧化碳浓度传感器。实际施工时，对所述气 体浓度传感器的类型进行选择时，根据隧道施工现场作业条件，应重点考虑爆破作业、内燃 机工作、围岩释放气体等主要有毒有害气体来源、气体类型及危害程度，同时满足作业人员 的供氧条件、作业区温湿度、断面有效风速等其他指标，在达到有关隧道施工规范要求的基 础上合理确定监测指标种类及限定值，根据监测指标选择合适的传感器种类及数据类型及 传输方式。一般而言，隧道施工应主要考虑瓦斯浓度、C0浓度、氮氧化物等传感器，实际使 用时，也可以采用多种类型的气体浓度传感器。
[0099] 本实施例中，所述无线通信模块一 9与所述数据收发器相接，且所述数据收发器 通过无线通信模块一 9和无线通信模块二10与所述前端采集装置进行双向通信，所述无线 通信模块二10与所述前端采集装置相接。
[0100] 本实施例中，多个所述风速检测仪、多个所述气体浓度传感器和多个所述粉尘浓 度传感器均布设在同一水平面上且其与隧道洞1底部的距离均为1. 5m?1. 8m。
[0101] 本实施例中，所述前端采集装置为PLC控制器8。实际使用时，所述前端采集装置 也可以采用其它类型的控制器芯片。
[0102] 实际使用时，所述轴流式通风机2和射流风机4均由所述上位监测装置进行控制 且二者均与所述上位监测装置相接。
[0103] 本实施例中，所述轴流式通风机2为变频风机，轴流式通风机2的变频器与所述上 位监测装置相接。实际接线时，所述轴流式通风机2的变频器与PLC控制器8相接。
[0104] 实际使用过程中，所述检测装置6所检测信息上传至所述前端采集装置后，由所 述前端采集装置完成信息采集，并上传至上位机7。
[0105] 本实施例中，PLC控制器8为西门子S7-200模拟量控制模块，所述轴流式通风机2 的变频器为ABB变频器。
[0106] 本发明所述的长距离隧道施工用通风监控方法，包括以下步骤：
[0107] 步骤一、轴流式通风机安装：对所施工隧道进行开挖之前，在隧道洞口外侧安装一 个轴流式通风机2。
[0108] 所施工隧道由初始施工段和位于所述初始施工段后侧的后续施工段组成，所述初 始施工段的长度为450m?550m。
[0109] 本实施例中，所述初始施工段的长度为500m，实际施工时，可以根据具体需要，对 所述初始施工段的长度进行相应调整。
[0110] 步骤二中进行开挖之前，先对隧道施工所需风量进行计算，具体是依据以下设计 参数加以确定：每次开挖一次炸药用量G、隧道掘进最大长度L、洞内人员高峰时人数m、洞 内内燃机械总功率N、通风排烟时间t、通风管直径D、平均百米漏风率P1(KI、通风管摩擦阻力 系数α等，具体计算方法如下：
[0111] 1)按洞内同时工作的最高人数计算所需风量：Q = 4XmXk (1);式中：m为隧 道洞1内高峰人数，个；K为风量备用系数，取1. 1 ;4为每人每分钟所需新鲜空气量，m3/ 人· min〇
[0112] 2)按排出爆破产生有毒有害气体计算所需风量
[0113] ①漏风系数：P = (2);式中：l为所施工隧道的掘进最大长 度，m;P1(?为平均百米漏风率，取1.5% ; 12.5xG χ/)χΑ
[0114] ②临界长度：4|;:严-- (3);式中：g为爆破一次炸药用量，kg ;b为 炸药爆炸时有害气体生成量，取40m3 ;k为紊流扩散系数，取0. 67 ;A为隧道净空断面面积， m2；
[0115] ③所需风量：_____b (4)，式中： f为淋水系数，取0.8 ;t为 t \ F 通风时间，取30min ;
[0116] 3)冲淡内燃机产生的有毒有害气体计算所需空气量QzQWNXT?，式中：为 单位功率所需风量指标，取3. 8?4. 0m3/min · kw ;Τ为柴油机利用系数，取0. 55 ;Ν为内燃 机设备按使用时间比例的总功率N = …且其单位为kw，％、^、^、……为各 类内燃机额定功率且其单位为kwjpKyKy ......为时间系数,各类设备每小时工作时间的 百分率且其单位为％;
[0117] 4)按最小风速计算所需风量Q彡eOXV^XS^ (6)，式中：乂^为保证洞内稳定 风流之最小风速，取0. 15m/s ;Smax为开挖最大断面积，m2。
[0118] 5)按最不利情况隧道掌子面开挖爆破后出渣时各作业面需风量计算：
[0119] 根据隧道施工现场情况设想一种最不利情况，考虑内燃机、作业人员、排尘等各项 所需风量的总和，其中排尘风量计算如下：Q&= V(c-C。） （7)，式中：I为产尘强度，mg/ min ;c为允许粉尘浓度，mg/m3 为进风粉尘浓度，mg/m3 ;
[0120] 6)确定所需总风量：
[0121] 根据以上5种情况计算的所需风量结果，取其中最大值（Qmax)作为所需总风量的 计算风量。其中，Q供=pXQ max⑶。
[0122] 之后，对通风总阻力进行计算，过程如下：
[0123] 1)风管摩擦风阻：/? ;式中：α为磨擦阻力系数，取 D 1. 61 X 10_3Kg/m3 ;L为通风总长度，m ;D为通风管直径，m ;
[0124] 2)风管通风阻力：h摩=RXQmaxXQ供（10);
[0125] 3)通风局部阻力：1黑=4><(^) (|·): (11);式中：ξ局为局部阻力系数；Ρ空 为空气密度，可取1. 2kg/m3 ;Q为需风量，m3 ;Α为风筒面积，m2。
[0126] 4、扇风机全压：h全=h摩+h局（I2)。
[0127] 然后，根据计算得出的所需总供风量、通风阻力等参数，对轴流式通风机2的功 率、转速、风压、风量等指标进行综合考察，合理选择匹配的轴流风机，也可根据现场情况， 采用多台风机串、并联技术实现通风要求。本实施例中，轴流式通风机2 (即洞外压入风机） 选取山西候马鑫丰康风机有限公司生产的SDF(C)-N〇B型轴流风机，该风机的主要技术性 能参数见表1 :
[0128] 表1选用轴流风机主要技术性能参数表
[0129] 参数额定功率（kw) 转速（r/min) 风压（Pa)风量（m3/min) 低档 22 X 2 740 1487 1670 中档 45X2 980 2704 2219 高档 132X2 1480 5920 3300
[0130] 步骤二、隧道开挖及通风监控：沿所施工隧道的延伸方向，采用钻爆法由后至前进 行隧道开挖施工，过程如下：
[0131] 步骤201、初始施工段开挖施工：由后至前对所述初始施工段进行开挖施工，且开 挖施工过程中，采用轴流式通风机2进行压入式通风。
[0132] 步骤202、后续施工段开挖施工：由后至前对所述后续施工段进行开挖施工，且开 挖施工过程中，采用轴流式通风机2进行压入式通风的同时，通过射流风机4持续向隧道洞 1外侧吹风；对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述轴流式通风机2和射流风机4均 处于工作状态。
[0133] 步骤201和步骤202中开挖施工过程中，所述风管5前端与当前所施工掌子面3 之间的距离均为d3 ;步骤202中进行开挖施工过程中，采用所述移动式风机安装架将射流 风机4不断向前移动，且射流风机4与风管5前端之间的距离均为dl。
[0134] 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述可移动式监测装置与当 前所施工掌子面3之间的间距不大于500m ;所述可移动式监测装置的数量为多个，多个所 述可移动式监测装置沿所施工隧道的延伸方向由前至后布设，多个所述可移动式监测装置 中位于最前侧的所述可移动式监测装置为前侧监测装置，所述前侧监测装置位于当前所施 工掌子面3所处位置处，前后相邻两个所述可移动式监测装置之间的间距为80m?120m ; 多个所述可移动式监测装置组成通风状况监测装置；所述检测装置6包括风速检测仪、对 有害气体浓度进行实时检测的气体浓度传感器和对粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传 感器。
[0135] 对所述后续施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下：
[0136] 步骤2021、设备前移及风管接长：将所述通风状况监测装置向前移动，直至所述 通风状况监测装置中的前侧监测装置移至当前所施工掌子面3所处位置处；同时，将风管5 接长，并将射流风机4向如移动。
[0137] 步骤2022、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面3上钻取炮孔，再在已钻取 炮孔内装药，装药完成后起爆进行爆破。
[0138] 步骤2023、出碴：采用运碴车将步骤2022中爆破后产生的碴石运送至隧道洞1 外。
[0139] 步骤2024、初期支护。；
[0140] 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述隧道洞1内的各可移动 式监测装置进行实时监测并将监测信息同步上传至所述上位监控装置，所述上位监控装置 调用自动监控模块对轴流式通风机2进行自动监控，过程如下：
[0141] 步骤I、监测信息采集：所述上位监控装置按照预先设定的采样频率，对与其相接 的各可移动式监测装置上传的监测信息进行采集。
[0142] 步骤II、监测信息分析处理：所述上位监控装置按照时间先后顺序，对步骤I中各 采样时刻所采集的监测信息分别进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机2进 行控制，且每个采样时刻所采集监测信息的分析处理方法均相同；每个采样时刻所采集监 测信息均包含与所述上位监控装置相接的多个所述可移动式监测装置的监测信息，各可移 动式监测装置的监测信息均包括风速检测值、有害气体浓度检测值和粉尘浓度检测值；对 任一采样时刻所采集的监测信息而言，其分析处理过程如下：
[0143] 步骤II -1、各可移动式监测装置的监测信息处理：对当前所处理监测信息中各可 移动式监测装置的监测信息分别进行处理，并获得由各可移动式监测装置的监测信息确定 的风机转速v ;其中，对任一个可移动式监测装置的监测信息进行处理时，过程如下：
[0144] 步骤i、检测值阈值比较：将当前所处理可移动式监测装置的风速检测值CF、有害 气体浓度检测值CH和粉尘浓度检测值C。，分别与预先设定的风速阈值c ro、有害气体浓度阈 值CHQ和粉尘浓度阈值cCQ进行差值比较：当C F彡CFQ、CH彡CHQ且Cc > cCQ时，风机转速V = %，其中为预设设定的基准转速；否则，进入步骤? ;
[0145] 步骤ii、转速调整，过程如下：
[0146] 步骤ii -1、检测值与阈值作差：将步骤i中所述的风速检测值CF、有害气体浓度检 测值CH和粉尘浓度检测值C。分别与风速阈值c ro、有害气体浓度阈值CH(I和粉尘浓度阈值ce(l 进行作差，计算出风速检测值增量△(；、有害气体浓度检测值增量ACh和粉尘浓度检测值 增量Λ Cc ;
[0147] 其中，当 CF 彡 CFQ 时，Λ CF = 0 ;当 CF > CFQ 时，Λ CF = CF-CF。；
[0148] 当 CH 彡 CH。时，Λ CH = 0 ;当 CH > CH。时，Λ CH = CH_CH。；
[0149] 当 Cc 彡 Cc。时，Λ Cc = 0 ;当 Cc < Cc。时，Λ Cc = Cc(|-Cc ;
[0150] 步骤ii -2、检测值增量对应转速调整量获取：根据步骤ii -1中计算出的Λ CF、Λ CH 和Λ C。，并结合预先设定的转速调整信息，得出与Λ CF对应的转速调整量Λ vF、与Λ CH对应 的转速调整量Λ vH和与AC。对应的转速调整量Λ vc;
[0151] 其中，所述转速调整信息包括转速调整量与风速检测值增量之间的线性关系、转 速调整量与有害气体浓度检测值增量之间的线性关系以及转速调整量与风速检测值增量 之间的线性关系；
[0152] 步骤ii -3、风机转速调整量获取：从步骤ii -2中所述AvF、八％和八\选出最大 值，作为风机转速调整量Λν;其中，Λν为由当前所处理可移动式监测装置的监测信息推 算出的风机转速调整量；
[0153] 步骤ii -4、风机转速获取：根据公式ν = Vd+Δ ν，计算得出风机转速ν ;
[0154] 步骤iii、多次重复步骤i至步骤ii，直至获得由当前所处理监测信息中所有可移 动式监测装置的监测信息确定的风机转速V，所确定风机转速v的数量与所述通风状况监 测装置中所包含可移动式监测装置的数量相同；
[0155] 步骤II -2、风机转速确定：从步骤iii中所确定的多个风机转速v中选出最大值，作 为当前状态下轴流式通风机2的控制风速ν' ；
[0156] 步骤II -3、轴流式通风机控制：控制轴流式通风机2以步骤II -2中所述的控制风 速V'运转；
[0157] 步骤II -4、按照步骤II -1至步骤II -3中所述的方法，对下一个采样时刻所采集的 监测信息进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机2进行控制；
[0158] 步骤II -5、多次重复II -4,直至完成所述后续施工段开挖施工过程中的全部自动 监控过程。
[0159] 本实施例中，所述前侧监测装置的所述可移动式安装架与当前所施工掌子面3紧 A+^. Ο
[0160] 本实施例中，vQ = 600m/s ?1000m/s。
[0161] 本实施例中，多个所述风速检测仪的平均值、和
[0162] 本实施例中，步骤i中风速检测值(^为当前所处理可移动式监测装置的多个所述 风速检测仪的检测值的平均值，有害气体浓度检测值C H为当前所处理可移动式监测装置的 多个所述气体浓度传感器的检测值的平均值，粉尘浓度检测值C。为当前所处理可移动式监 测装置的多个所述粉尘浓度传感器的检测值的平均值。
[0163] 本实施例中，风速阈值CF(I = 0. 15m/s，有害气体浓度阈值CH(I = 30mg/m3,粉尘浓度 阈值 Cc。= 0· 7mg/m3。
[0164] 实际是手工时，根据隧道施工规范要求以及参考目前隧道施工的实际情况，选定 判断作业面环境条件的主要检测指标（风速检测值c F、有害气体浓度检测值CH和粉尘浓度 检测值C。）及判断阈值（即风速阈值cro、有害气体浓度阈值c m和粉尘浓度阈值cra)的取 值，检测指标及判断阈值可根据隧道施工实际情况、现场应用效果进行灵活调整。
[0165] 本实施例中，步骤ii中转速调整时，采用差值最大优先逻辑模式，即按照风机转速 调整量Λ v最大值，作为控制风机转速调整的控制量。
[0166] 本实施例中，步骤201中对所述初始施工段进行开挖施工过程中，所述隧道洞1内 所布设可移动式监测装置的数量为一个且该可移动式监测装置布设在当前所施工掌子面3 所处位置处，所述可移动式监测装置将其实时监测信息同步上传至所述上位监控装置。
[0167] 步骤201中对所述初始施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下：
[0168] 步骤2011、监测装置前移及风管接长：将所述可移动式监测装置向前移动至当前 所施工掌子面3所处位置处，并将风管5接长。
[0169] 步骤2012、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面3上钻取炮孔，再在已钻取 炮孔内装药，装药完成后起爆进行爆破。
[0170] 步骤2013、出碴：采用运碴车将步骤2012中爆破后产生的碴石运送至隧道洞1 外。
[0171] 步骤2014、初期支护。
[0172] 如图3所示，步骤一中所施工隧道为双洞隧道，所述隧道洞1的数量为两个，两个 所述隧道洞1呈平行布设，两个所述隧道洞1的后续施工段之间通过多个横洞11连通，多 个所述横洞11沿隧道洞1的延伸方向由后至前布设，前后相邻两个所述横洞11之间的间 距大于500m。两个所述隧道洞1的开挖施工方向相同且二者的开挖进度相差不大于100m ; 对两个所述隧道洞1进行开挖之前，先按照步骤一中所述的方法，在两个所述隧道洞1的隧 道洞口外侧分别安装一个轴流式通风机2 ;之后，按照步骤二中所述的方法，对两个所述隧 道洞1分别进行隧道开挖及通风监控。
[0173] 本实施例中，所述横洞11与隧道洞1呈垂直布设。
[0174] 本实施例中，步骤二中对两个所述隧道洞1分别进行隧道开挖过程中，由后至前 分别对多个所述横洞11进行开挖施工。
[0175] 任一个横洞11开挖完成后，对该横洞11前方500m内的隧道洞1进行开挖施工时， 均将该横洞11作为两个隧道洞1的连通通道进行通风影响分析；对当前所分析横洞11前 方500m内的任一隧道洞1进行开挖施工时，每一循环进尺施工之前，需先采用数据处理设 备对本循环进尺的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟。
[0176] 其中，对本循环进尺的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟时， 结合当前所施工掌子面3的位置、当前所分析横洞11与当前所施工掌子面3之间的距离 以及隧道洞1的几何尺寸，所述数据处理设备调用FULENT软件进行模拟，并得出钻爆过程 完成后当前所施工掌子面3后侧50mm范围内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的变化 曲线以及该横洞11内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的变化曲线；再根据上述模拟 结果，判断当前所分析横洞11与另一个隧道洞1之间的连接处是否需布设可移动式监测装 置，便完成当前所分析横洞11的通风影响分析过程；当判断出当前所分析横洞11与另一个 隧道洞1之间的连接处需布设可移动式监测装置时，在当前所分析横洞11与另一个隧道洞 1之间的连接处布设一个可移动式监测装置，并将所布设可移动式监测装置与对另一个隧 道洞1外侧所布设轴流式通风机2进行自动监控的上位监控装置相接。
[0177] 并且，步骤202中所述通风状况监测装置中所包含可移动式监测装置的数量为N 个，其中N = 3个?5个；所述数据处理设备调用FULENT软件进行模拟后，还需根据模拟 结果，并结合当前状态下当前所分析横洞11内是否存在作业区，判断当前所分析横洞11内 是否需布设可移动式监测装置；当判断出当前所分析横洞11内需布设可移动式监测装置 时，在当前所分析横洞11内布设一个可移动式监测装置，并将所布设可移动式监测装置与 对当前所施工隧道洞1外侧所布设轴流式通风机2进行自动监控的上位监控装置相接。其 中，作业区指有人员作业、施工的区域。
[0178] 本实施例中，所施工的隧道为关虎冲双洞隧道，对一侧隧道洞1进行开挖施工过 程中，爆破产生的C0等有毒有害气体通过用于人行、车行的横洞11大量扩散、运移到另一 侧隧道洞1，并且C0浓度经常达到警戒值，这给双洞隧道现场施工管理带来安全隐患，增加 了施工通风风路有效组织的工作难度，采用Fluent软件对特定通风条件下的有毒有害气 体（具体是C0)的流动场进行模拟仿真，以便有毒有害气体对扩散、运移过程进行了数字模 拟与分析，模拟结果如下：
[0179] 首先，建立所施工隧道的三维仿真模型，详见图4,图4中两个分别隧道洞1为 Tunnel A和Tunnel B，横洞11为Crossing，当前所施工掌子面3为Heading。模型设定 假设：第一、忽略流体黏性作用引起的耗散热；第二、通风气流可视为三维黏性不可压缩流 体；第三、壁面绝热，恒温通风；第四、初始时刻C0只分布在爆破面附近的爆破抛掷范围内， 其余空间C0质量分数为零；第五、忽略隧道内机动车、施工器械对流场的影响，忽略洞口自 然风的影响。
[0180] 物理解算模型：掘进隧道（即隧道洞1内）采用基于Navier-Stokes方程的风流 模型，并采用RNG k-ε湍流模型使方程组封闭。隧道内空气湍流流动与气体扩散用到的控 制方程有：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、浓度扩散方程、湍流动能k方程和 湍流动能耗散率ε方程。
[0181] 模型边界条件定义：
[0182] (a)、每个隧道洞1内均有一个风管5,即所施工隧道有2个速度入口，每个速度 入口为新鲜空气，设定C0质量分数为零。其中，湍流动能k in= 0invin2,紊流动能耗散率： 心?式中：Θ in为常数且Θ in = 0.005，Vin为速度入口风速，Cw为试验常数， 札为风管5的半径，m。其中，Cw取0. 9。
[0183] (b)、爆破发生在隧道作业掌子面时，炮烟抛掷距离经验公式：LW= 15+A/5 = 63m，式中：LW为炮烟抛掷距离，m而为爆破所用炸药质量，取240kg。
[0184] (c)、爆破瞬间产生的C0在炮烟抛掷范围内均匀分布，爆破后炮烟抛掷范围内C0 质量分数为：〔,=(印|/￡一>#=0.00226，式中山1为每千克炸药爆炸时产生的0)气体 体积，取〇. 〇4m3/kg ;A为隧道横截面积，取65m2。
[0185] (d)、出口边界条件，隧道施工入口为模型自由流出口，即满足： du η ον Λ Λ ok ^ (? η η η η.,,, ,,
[0186] - = 〇? - = 〇? = 〇5 _ = 〇, - = 〇 , Ρ = = 〇，式中：u、ν 和 w 分别 οχ oy οζ οχ cx 为出口速度在χ、y、ζ方向的分量，POTt为外部环境压强。
[0187] (e)、隧道边壁和掌子面均为无滑动边界，采用标准壁函数法。
[0188] 模型求解方法：采用Patankar提出的有限体积法离散方程，对流项采用一阶迎风 差分格式近似，SMPLE算法求解。
[0189] 然后，利用RNG k- ε湍流模型模拟所施工双洞隧道独头掘进时C0扩散规律，得出 非稳态下C0扩散数据模型，其中模拟结果详见图5和图6。图5和图6中横坐标T (s)为爆 破后时间，纵坐标为C0质量分数。
[0190] 图5显示了从爆破发生时刻（即T = Os)开始计时，通风过程中监测得到隧道洞 内各断面C0质量分数随时间的变化特征，其中与当前所施工掌子面3距离0m处，C0质量 分数随着通风时间迅速下降；其它5个断面都经历了 C0质量分数上升和下降两个阶段，距 离当前所施工掌子面3距离越大，C0扩散到来的时间越晚。
[0191] 图6模拟了横洞11内C0质量分数变化情况，从T = 230s开始，C0质量分数开始 迅速增加 ，T = 360s时横洞11内C0质量分数达到最高，C0质量分数数值为0. 0014,相当 于1680mg/m3,是TWA (时间加权平均值）的84倍和STEL (短期曝露极限）的56倍。通风 800s后，平面X = 12m上的C0质量分数才逐渐降低到安全范围以内。
[0192] 同时，图7中模拟了所施工双洞隧道独头掘进时，两个隧道洞1内通风功率不一致 时，隧道掌子面爆破作业产生的C0沿着横洞11扩散、运移的规律，并且图7为爆破完成后 且通风T = 400s时C0在平面y = 1. 6上的浓度云图。在三维隧道模型中截取平面z = 280,该面为横洞11的中间面，图8-1和图8-2分别为爆破完成后且通风T = 400s时平面 z = 280上的C0浓度云图和流场速度矢量云图。图9为爆破完成后且通风T = 400s时平 面y = 1. 6上的C0浓度云图，该图反映出C0在隧道内呈团状分布，展示了隧道洞Tunnel A 内的C0沿着横洞11向隧道洞Tunnel B扩散的运移规律。图10模拟了横洞11与隧道洞 1(具体是隧道洞Tunnel B)交叉口处的C0流线图，说明隧道内原有流线受到挤压偏斜，两 个气流产生了一个涡流区域。
[0193] 实际进行通风监控时，参照以下标准：
[0194] 第一、洞内氧气含量按体积计不应小于19. 5%;洞内最高平均气温不宜高于28°C。
[0195] 第二、一氧化碳一般情况下不大于15mg/m3,特殊情况下，施工人员必须进入工作 面时，可为30mg/m 3,但工作时间不得超过15min。
[0196] 第三、含10%以上游离二氧化硅的粉尘，每立方米空气中不得大于0. 7mg ;含10% 以下游离二氧化硅的矿物性粉尘，每立方米空气中不得大于lmg。
[0197] 第四、全断面开挖时风速不应小于0. 15m/s，洞内最小排尘风速不得小于0.25m/ s，洞内最大排尘风速不得大于6. Om/s。
[0198] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征在于：包括一个布设于所施工隧道 的隧道洞口外侧的轴流式通风机（2)、一个布设于当前所施工掌子面（3)后侧的射流风机 (4) 、位于当前所施工掌子面（3)后侧的可移动式监测装置和通过通讯电缆与所述可移动 式监测装置相接的上位监测装置，所述可移动式监测装置包括对有害气体浓度、粉尘浓度 与风速进行实时检测的检测装置（6)和供检测装置（6)安装的可移动式安装架；所施工隧 道的长度大于500m;所述射流风机（4)位于所施工隧道的隧道洞（1)内且射流风机（4)安 装在移动式风机安装架上；所述隧道洞（1)内布设有与轴流式通风机（2)的送风口相接的 风管（5)，所述风管（5)沿所施工隧道的延伸方向由后至前布设，所述风管（5)前端与当前 所施工掌子面⑶之间的距离为d3,其中d3 = 30m?100m;所述射流风机（4)位于风管 (5) 的前端后侧，所述射流风机（4)与风管（5)前端之间的间距dl = 60m?90m;所述移动 式风机安装架包括第一支撑架体和多个安装在所述第一支撑架体底部的第一行走轮，所述 射流风机（4)安装在所述第一支撑架体上；所述可移动式安装架包括第二支撑架体和多个 安装在所述第二支撑架体底部的第二行走轮，所述检测装置（6)安装在所述第二支撑架体 上。
2. 按照权利要求1所述的一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征在于：所述可 移动式监测装置还包括布设在所述第二支撑架体上的无线通信模块一（9)，所述无线通信 模块一（9)与检测装置（6)相接，所述上位监测装置与无线通信模块二（10)相接，所述检 测装置（6)通过无线通信模块一（9)和无线通信模块二（10)与所述上位监测装置进行双 向通信。
3. 按照权利要求1或2所述的一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征在于：所 述上位监测装置包括对检测装置（6)所检测信息进行采集的前端采集装置和与所述前端 采集装置相接的上位机（7)，所述前端采集装置与检测装置（6)之间通过所述通讯电缆进 行连接，所述前端采集装置与上位机（7)之间通过串行通信接口连接。
4. 按照权利要求3所述的一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征在于：所述检 测装置（6)包括风速检测仪、对有害气体浓度进行实时检测的气体浓度传感器和对粉尘浓 度进行实时检测的粉尘浓度传感器，所述风速检测仪、所述气体浓度传感器和所述粉尘浓 度传感器均与数据收发器相接，所述数据收发器通过所述通讯电缆与所述前端采集装置相 接。
5. 按照权利要求1或2所述的一种长距离隧道施工用通风监控系统，其特征在于：所 述轴流式通风机（2)与所述隧道洞口之间的间距d2 = 20m?50m ;所述轴流式通风机（2) 安装在水平安装架上，所述水平安装架固定在所述隧道洞口外侧且其高度为3m?4m ;所述 第二支撑架体的高度为1. 5m?2m。
6. -种利用如权利要求1所述通风监控系统在对长距离隧道施工过程中进行通风监 控的方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 步骤一、轴流式通风机安装：对所施工隧道进行开挖之前，在隧道洞口外侧安装一个轴 流式通风机（2); 所施工隧道由初始施工段和位于所述初始施工段后侧的后续施工段组成，所述初始施 工段的长度为450m?550m ; 步骤二、隧道开挖及通风监控：沿所施工隧道的延伸方向，采用钻爆法由后至前进行隧 道开挖施工，过程如下： 步骤201、初始施工段开挖施工：由后至前对所述初始施工段进行开挖施工，且开挖施 工过程中，采用轴流式通风机（2)进行压入式通风； 步骤202、后续施工段开挖施工：由后至前对所述后续施工段进行开挖施工，且开挖施 工过程中，采用轴流式通风机（2)进行压入式通风的同时，通过射流风机（4)持续向隧道洞 (1)外侧吹风；对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述轴流式通风机（2)和射流风机 (4)均处于工作状态； 步骤201和步骤202中开挖施工过程中，所述风管（5)前端与当前所施工掌子面（3) 之间的距离均为d3 ;步骤202中进行开挖施工过程中，采用所述移动式风机安装架将射流 风机（4)不断向前移动，且射流风机（4)与风管（5)前端之间的距离均为dl ; 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述可移动式监测装置与当前所 施工掌子面（3)之间的间距不大于500m;所述可移动式监测装置的数量为多个，多个所述 可移动式监测装置沿所施工隧道的延伸方向由前至后布设，多个所述可移动式监测装置中 位于最前侧的所述可移动式监测装置为前侧监测装置，所述前侧监测装置位于当前所施工 掌子面（3)所处位置处，前后相邻两个所述可移动式监测装置之间的间距为80m?120m; 多个所述可移动式监测装置组成通风状况监测装置；所述检测装置（6)包括风速检测仪、 对有害气体浓度进行实时检测的气体浓度传感器和对粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度 传感器； 对所述后续施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下： 步骤2021、设备前移及风管接长：将所述通风状况监测装置向前移动，直至所述通风 状况监测装置中的前侧监测装置移至当前所施工掌子面（3)所处位置处；同时，将风管（5) 接长，并将射流风机（4)向前移动； 步骤2022、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面（3)上钻取炮孔，再在已钻取炮 孔内装药，装药完成后起爆进行爆破； 步骤2023、出碴：采用运碴车将步骤2022中爆破后产生的碴石运送至隧道洞（1)外； 步骤2024、初期支护； 步骤202中对所述后续施工段进行开挖施工过程中，所述隧道洞（1)内的各可移动式 监测装置进行实时监测并将监测信息同步上传至所述上位监控装置，所述上位监控装置调 用自动监控模块对轴流式通风机（2)进行自动监控，过程如下： 步骤I、监测信息采集：所述上位监控装置按照预先设定的采样频率，对与其相接的各 可移动式监测装置上传的监测信息进行采集； 步骤II、监测信息分析处理：所述上位监控装置按照时间先后顺序，对步骤I中各采样 时刻所采集的监测信息分别进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机（2)进行 控制，且每个采样时刻所采集监测信息的分析处理方法均相同；每个采样时刻所采集监测 信息均包含与所述上位监控装置相接的多个所述可移动式监测装置的监测信息，各可移动 式监测装置的监测信息均包括风速检测值、有害气体浓度检测值和粉尘浓度检测值；对任 一采样时刻所采集的监测信息而言，其分析处理过程如下： 步骤II -1、各可移动式监测装置的监测信息处理：对当前所处理监测信息中各可移动 式监测装置的监测信息分别进行处理，并获得由各可移动式监测装置的监测信息确定的风 机转速V ;其中，对任一个可移动式监测装置的监测信息进行处理时，过程如下： 步骤i、检测值阈值比较：将当前所处理可移动式监测装置的风速检测值(；、有害气体 浓度检测值CH和粉尘浓度检测值C。，分别与预先设定的风速阈值CF(I、有害气体浓度阈值C H(I 和粉尘浓度阈值Cra进行差值比较：当CF < Cro、CH < CH(I且Cc彡Cc(l时，风机转速v = V(l，其 中为预设设定的基准转速；否则，进入步骤? ; 步骤ii、转速调整，过程如下： 步骤ii -1、检测值与阈值作差：将步骤i中所述的风速检测值CF、有害气体浓度检测值 CH和粉尘浓度检测值C。分别与风速阈值Cro、有害气体浓度阈值Cm和粉尘浓度阈值C e(l进 行作差，计算出风速检测值增量△(；、有害气体浓度检测值增量和粉尘浓度检测值增 量 ACc; 其中，当 CF 彡 CFQ 时，Λ CF = 0 ;当 CF > CFQ 时，Λ CF = CF_CF。； 当 CH 彡 CH。时，ACH = 0 ;当 CH > CH。时，ACH = CH_CH。； 当 Cc > Cc。时，ACc = 0 ;当 Cc < Cc。时，ACc = Cc(|-Cc ; 步骤ii -2、检测值增量对应转速调整量获取：根据步骤ii -1中计算出的Λ CF、Λ CH和 Δ C。，并结合预先设定的转速调整信息，得出与Λ CF对应的转速调整量Λ vF、与Λ CH对应的 转速调整量Λ vH和与AC。对应的转速调整量Λ vc; 其中，所述转速调整信息包括转速调整量与风速检测值增量之间的线性关系、转速调 整量与有害气体浓度检测值增量之间的线性关系以及转速调整量与风速检测值增量之间 的线性关系； 步骤ii -3、风机转速调整量获取：从步骤ii -2中所述AvF、AVl^P Λν。选出最大值， 作为风机转速调整量Λν;其中，Λν为由当前所处理可移动式监测装置的监测信息推算出 的风机转速调整量； 步骤ii -4、风机转速获取：根据公式ν = v# Δ ν，计算得出风机转速ν ; 步骤iii、多次重复步骤i至步骤ii，直至获得由当前所处理监测信息中所有可移动式 监测装置的监测信息确定的风机转速V，所确定风机转速v的数量与所述通风状况监测装 置中所包含可移动式监测装置的数量相同； 步骤II -2、风机转速确定：从步骤iii中所确定的多个风机转速v中选出最大值，作为当 前状态下轴流式通风机（2)的控制风速ν' ； 步骤II -3、轴流式通风机控制：控制轴流式通风机⑵以步骤II -2中所述的控制风速 ν'运转； 步骤II -4、按照步骤II -1至步骤II -3中所述的方法，对下一个采样时刻所采集的监测 信息进行分析处理，并根据分析处理结果对轴流式通风机（2)进行控制； 步骤II -5、多次重复II -4,直至完成所述后续施工段开挖施工过程中的全部自动监控 过程。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤201中对所述初始施工段进行开挖 施工过程中，所述隧道洞（1)内所布设可移动式监测装置的数量为一个且该可移动式监测 装置布设在当前所施工掌子面（3)所处位置处，所述可移动式监测装置将其实时监测信息 同步上传至所述上位监控装置； 步骤201中对所述初始施工段进行开挖施工时，每一循环进尺的施工过程如下： 步骤2011、监测装置前移及风管接长：将所述可移动式监测装置向前移动至当前所施 工掌子面（3)所处位置处，并将风管（5)接长； 步骤2012、钻爆：先采用钻孔设备在当前所施工掌子面（3)上钻取炮孔，再在已钻取炮 孔内装药，装药完成后起爆进行爆破； 步骤2013、出碴：采用运碴车将步骤2012中爆破后产生的碴石运送至隧道洞（1)外； 步骤2014、初期支护。
8. 按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤一中所施工隧道为双洞隧道，所 述隧道洞（1)的数量为两个，两个所述隧道洞（1)呈平行布设，两个所述隧道洞（1)的后续 施工段之间通过多个横洞（11)连通，多个所述横洞（11)沿隧道洞（1)的延伸方向由后至 前布设，前后相邻两个所述横洞（11)之间的间距大于500m;两个所述隧道洞（1)的开挖施 工方向相同且二者的开挖进度相差不大于100m;对两个所述隧道洞（1)进行开挖之前，先 按照步骤一中所述的方法，在两个所述隧道洞（1)的隧道洞口外侧分别安装一个轴流式通 风机（2);之后，按照步骤二中所述的方法，对两个所述隧道洞（1)分别进行隧道开挖及通 风监控。
9. 按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤二中对两个所述隧道洞（1)分别进 行隧道开挖过程中，由后至前分别对多个所述横洞（11)进行开挖施工； 任一个横洞（11)开挖完成后，对该横洞（11)前方500m内的隧道洞（1)进行开挖施工 时，均将该横洞（11)作为两个隧道洞（1)的连通通道进行通风影响分析；对当前所分析横 洞（11)前方500m内的任一隧道洞（1)进行开挖施工时，每一循环进尺施工之前，需先采用 数据处理设备对本循环进尺的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟； 其中，对本循环进尺的钻爆过程中所产生有害气体和粉尘的流动场进行模拟时，结合 当前所施工掌子面（3)的位置、当前所分析横洞（11)与当前所施工掌子面（3)之间的距离 以及隧道洞（1)的几何尺寸，所述数据处理设备调用FULENT软件进行模拟，并得出钻爆过 程完成后当前所施工掌子面（3)后侧50_范围内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的 变化曲线以及该横洞（11)内有害气体浓度的变化曲线和粉尘浓度的变化曲线；再根据上 述模拟结果，判断当前所分析横洞（11)与另一个隧道洞（1)之间的连接处是否需布设可移 动式监测装置，便完成当前所分析横洞（11)的通风影响分析过程；当判断出当前所分析横 洞（11)与另一个隧道洞（1)之间的连接处需布设可移动式监测装置时，在当前所分析横洞 (11)与另一个隧道洞（1)之间的连接处布设一个可移动式监测装置，并将所布设可移动式 监测装置与对另一个隧道洞（1)外侧所布设轴流式通风机（2)进行自动监控的上位监控装 置相接。
10. 按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤202中所述通风状况监测装置中所 包含可移动式监测装置的数量为N个，其中N = 3个?5个；所述数据处理设备调用FULENT 软件进行模拟后，还需根据模拟结果，并结合当前状态下当前所分析横洞（11)内是否存在 作业区，判断当前所分析横洞（11)内是否需布设可移动式监测装置；当判断出当前所分析 横洞（11)内需布设可移动式监测装置时，在当前所分析横洞（11)内布设一个可移动式监 测装置，并将所布设可移动式监测装置与对当前所施工隧道洞（1)外侧所布设轴流式通风 机（2)进行自动监控的上位监控装置相接。
【文档编号】F04D27/00GK104121031SQ201410328774
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】刘文武, 雷耀军, 吴应明, 张王杰, 田育虎, 仲维玲, 王群英, 高功林 申请人:中铁二十局集团第二工程有限公司