天平山隧道3#斜井施工通风方案-修改

天平山隧道3#斜井施工通风方案计算
1 基本概况
天平山隧道位于广西桂林市临桂县黄沙瑶族乡，全场14.012公里。

其中3#斜井设计长1793m，坡度为9%下坡，斜井宽7.7m,高6.2m, 斜井与正洞以60°夹角相交。

原计划承担正洞施工任务DK376-250+ DK374-368共计1882m，现预计承担正洞施工任务1978m。

该工程的特点是斜井长，通风距离长，埋深大洞内地温高，洞外气压较大，造成隧道内通风排烟困难，致使施工作业环境差，通风排烟效果的好坏对施工影响很大。

临桂县自然资源丰富，特产充裕。

县城地处亚热带季风区，平均气温19.1℃，年均降水量为1869mm。

2 施工通风控制标准
2.1 施工通风控制标准调研
依据我国矿山安全规程及《铁路隧道施工技术规范》，隧道内施工作业段的空气必须符合下列卫生标准：
(1) 有害气体
洞井内空气中有害气体主要有CO 和N x O y、H2S、SO2及柴油机废气等。

这些有害成分的主要来源有爆破产生的炮烟、柴油机工作时所产生的废气毒害物质等。

根据《工业企业设计暂行卫生标准》“国标建（GBJ）1—62”中规定，各成分的最大允许浓度值参见表2-1。

表2-1 各成分的最大允许浓度值
(2) 粉尘
粉尘包括在施工过程中所产生的一切细散状矿物和岩石的尘粒,主要来源于掘进、造孔、装渣、运输及喷锚作业过程。

依据《铁路隧道施工技术规范》，粉尘允许浓度，每立方米空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg。

(3) 空气温度
依据《铁路隧道施工技术规范》，以人体舒适为限,洞内气温不宜超过28℃。

(4) 风量要求。

依据《铁路隧道施工技术规范》，洞内风量要求为每人每分钟供应新鲜空气
3m3。

(5) 风速
隧洞中风速过高或过低，都对作业人员的身体不利。

风速过高，易致感冒，且尘土飞扬,对人员的健康和安全不利;风速过低,汗水不易蒸发,使人感到闷热不舒服,且过低的风速不易冲淡有害气体,还可能造成有害气体聚集,对安全生产不利。

另外过低的风速也不利于各种动力设备的散热降温。

根据《矿山安全规程》（GB16423-2006），施工洞、井内的最低风速应不小于0. 15 m/s ,最高风速不超过表2-2 的规定。

表2-2 最大风速值
(6) 气温、湿度和风速的协调。

隧道施工中工作面的气温、湿度和风速应调配得当,以造成良好的施工气候条件。

在隧道施工中控制空气的湿度是很困难的,所以,一般是从调节风速着手。

温度和风速之间相互对应的适宜数值,是以作业人员在工作状态下的舒适性为依据的。

《矿山安全规程》对风速和温度的合理匹配作出了一定的要求，参见表2-3。

表2-3 风速温度匹配值
2.2 施工通风控制标准确定
根据上述调研资料，综合太平山隧道施工的实际情况，初步确定太平山隧道施工通风控制标准如下：
(1) 有害气体最高允许浓度值
①一氧化碳：不大于30mg/m3。

当施工人员进入开挖面检查时，浓度可为
100mg/m3，但必须在30min内降至30mg/m3（37.5ppm）。

②二氧化碳按体积计不得大于0.5%。

③氮氧化物（换算成（NO2）低于5mg/m3。

(2) 粉尘容许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg。

(3) 温度：洞内气温不宜超过28℃。

(4) 氧气含量：按体积计，不得低于20%。

(5) 隧道施工时，供给每人的新鲜空气量，不应低于3m3/min。

(6) 隧道开挖时全断面风速不应小于0.15m/s，坑道内不应小于0.25m/s。

3 需风量的计算
3.1 施工需风量计算
依据规范，对开挖工作面所需风量的计算如下： ① 施工人员所需风量
mK v Q p p =
式中：p Q —施工人员所需风量，m 3/min;
p v —洞井内每人所需新鲜空气量，水利部门一般按3 m 3 /min 计(铁路、矿
山等部门颁发的隧洞施工技术规范规定为4m 3/min)
m —洞井内同时工作的最多人数； K —风量备用系数，一般取用1.10～1.15。

② 按同时起爆炸药量计算
s 5Q Ab
t
=
式中：A —一次爆破所用最大装药量，
b —每公斤炸药爆炸生成的有害气体量，取b=40m 3/ Kg ； t —通风时间，一般为20～30min ，取30min.
Q s =5Ab/t
③ 稀释机车尾气所需的风量
60()0
10CO rep CO Q p T
Q p T δ=
⋅⋅⨯ 式中：()rep CO Q ——隧道全长稀释CO 的需风量，m 3/s ；
CO Q ——隧道全长CO 排放量，按照《公路隧道通风照明设计规范》
（JTJ 026.1—1999）中的规定计算。

对于进口段，经计算得到CO Q =0.001263m 3/s 。

δ——隧道内CO 的允许浓度，取37.5ppm ；
0p ——标准大气压，取101325Pa ；
p ——隧址设计大气压，取为91158Pa ；
0T ——标准气温，K ，取273K ；
T ——隧道夏季的设计气温，315K 。

④ 洞内风速需风量
max min 60S v Q d =
式中：d Q —保证洞内最小风速所需风量，m 3/min;
min v —洞内容许最小风速，大断面隧洞掘进取0.15m/s ，小断面隧洞和导
井掘进取0.25m/s;
S —隧洞最大断面面积，m 2。

⑤ 降温排尘所需风量
为保证施工效率，隧洞施工中温度不得超过28℃。

TBM 破岩产生高温的同时，也产生粉尘，尽管有喷水降尘及降温，洞内需保证一定的降温排尘风速。

max 60c c Q v S =
式中：c Q ——降温排尘风量，m 3/min ；
c v ——降温排尘风速；
取值，0.3m/s 。

600.3100.11801.8c Q =⨯⨯= m 3/min
⑥确定施工中的需风量
根据经验，施工中的最大需风量为降温排尘需风量，即：
max Q Q =
式中：Q —施工中的总需风量；
m a x Q —理论计算各个需风量中的最大值。

经过上面计算所需总风量为1801.8 m 3/min.
3.2 漏风量计算
风筒漏风损失风量：
1）方案一：
风筒直径1.5m，最长3795m，漏风系数β为1.0%，风机风量按消除有害气体积聚所需风量计算：
Q=Q max/（1-β）L/100= 1801.8/（1-0.010）3795/100=2638.46（m³/min）
4 风机压力计算
通风机的全压要大于通风的总阻力，总阻力为风筒内阻力与洞内阻力之和。

（1）风筒内摩擦阻力h1
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，风筒直径1.5m，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3721m；
D--风筒直径，取1.5m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速；
当风管出口提供30m3/s风量、相同风管长度下，不同直径的风管的风阻见表3-1。

表3-1 不同风管直径的摩擦阻力
（2）风筒内局部阻力h2
h 2=ζ×ρ(V 2/2)（ Pa ） 风筒入口处：ζ入=0.30， 风筒出口处：ζ出=1.00，
当风管出口提供30m 3/s 的风量、相同风管长度下，不同直径的风管的风阻见表3-1。

表3-2 不同风管直径的局部阻力（30m 3/s 新风量）
本工程施工通风所采用的通风机参数见表3-2。

表3-2 通风设备及数量
根据需风量要求和风阻计算结果，可知当施工隧道掌子面需要30m 3/s 左右新风量时，直径为1.5m 的风管的通风阻力5105.51Pa 。

接近110Kw 轴流风机的风压上限，由轴流风机的特性曲线可以知道，风机提供的风压越大，相对应提供的风量就越小。

因此，采用1.5m 直径的风管向隧道内输送30m 3/s ，必须采用两台轴流风机串联的形式。

当风管出口提供25m 3/s 的风量、相同风管长度下，不同直径的风管的风阻见表3-3。

表3-3 不同风管直径的摩擦阻力（25m3/s新风量）
当风管出口提供5m3/s的风量、相同风管长度下，不同直径的风管的风阻见表3-4。

表3-4 不同风管直径的摩擦阻力（5m3/s新风量）
由表3-1、表3-3和表3-4结合表3-2可以看出，在风管直径为1.5m时，新风量为25m3/s时，摩擦风阻已经达到3459.49Pa，而在风管直径为1m时，新风量为5m3/s，摩擦风阻已经为1050.82Pa。

根据以往计算的经验，这样的风阻已经非常大，在通风设计中基本接近上限值。

5 方案比选
5.1 方案1（原方案验证）
方案一：采用一送一排的混合式通风，送风管在掌子面附近加设接力风机，如图5.1所示
图5.1 方案一通风风机布置示意图5.1.1 施工需风量计算
由3.2计算可知，需风量为2638.46（m³/min）=44 m³/s 5.1.2 送风风筒阻力计算
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3771m；
D--风筒直径，取1.5m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速
风筒面积A=3.14x1.5x1.5/4=1.8 m2
V=Q/A=44/1.8=24.4m/s
带入相关数据计算得h1 =13471pa
风管进出口局部阻力=（1+0.3）x1/2x24.4x24.4=387pa 风管总阻力h=13471+387=13857pa
5.1.3 轴流风机选型
原有轴流风机选择为：
通过计算可知，原有轴流风机基本上可以满足新风量要求。

5.1.4 排风风机风量计算
一般而言，在混合式施工通风中，排风风量一般为送风量的1.2-1.3倍，本次计算取 1.2倍。

故排风风量为2638.46（m³/min）x1.2=3166 m³/min =44 x1.2=52.8m³/s。

而现有风机选择的最大风量为2385<3166，不满足要求。

5.1.5 排风风筒阻力计算
假定现有排风轴流风机的风量满足要求，计算排风风筒阻力：
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3771m；
D--风筒直径，取1m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速
风筒面积A=3.14x1 x1/4=0.785m2
V=Q/A=44x/0.785=56m/s
带入相关数据计算得h1 =106432pa
风管进出口局部阻力=（1+0.3）x1/2x56x56=2038pa
风管总阻力h=106432+2038=108470pa>>>>>>>>5355pa(风机最大压力)
5.1.3 方案1小结
通过上面计算可知，在现有风机的布置下，方案1是不可行的。

5.2 方案2计算
5.2.1 施工需风量计算
由3.2计算可知，需风量为2638.46（m³/min）=44 m³/s
5.2.2 风筒阻力计算
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3771m；
D--风筒直径，取2.2m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速
风筒面积A=3.14x2.2x2.2/4=3.8 m2
V=Q/A=44/3.8=11.58m/s
带入相关数据计算得h1 =2068pa
风管进出口局部阻力=（1+0.3）x1/2x11.58x11.58=87pa
风管总阻力h=2068+87=2155pa
5.2.3 轴流风机选型
根据计算，轴流风机选择为：
5.2.4 射流风机台数计算
5.2.4.1污染风摩擦阻力计算
H1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—主洞摩擦阻力系数，取0.1；
L--隧道的最大长度，取1978m；
D--隧道直径，取11.3m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V—隧道平均风速
隧道面积A=3.14x11.3x11.3/4=100 m2
V=Q/A=44/100=0.44m/s
带入相关数据计算得H1 =1.69pa
同理可得污染风流经斜井时的摩擦阻力为16pa
污染风局部阻力=（1+0.7）x1/2x1.2x1.2=1.2pa
5.2.4.2自然风阻力计算
H2=（0.6+0.7+λ×L/D）×ρ(V2/2)
式中：λ—主洞摩擦阻力系数，取0.1；
L--隧道的最大长度，取3771m；（斜井阻力大于主洞，保守全按斜井计算）D—斜井直径，取6.8m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V—平均风速
斜井面积A=3.14x6.8x6.8/4=36m2
V=Q/A=44/36=1.2m/s
带入相关数据计算得H2 =114pa
5.2.4.3活塞风动力计算
洞内双向行车，且行车速度慢，故不考虑活塞风动力作用。

5.2.4.4单台射流风机升压力计算
单台射流风机升压力=空气密度*射流风机出口风速的平方*射流风机的出口面积/隧道断面积*（1-隧道断面风速/射流风机出口风速）*射流风机位置摩擦阻力损失折减系数（0.5）带入计算得单台射流风机升压力=25.6pa（射流风机安置在主洞内）
单台射流风机升压力=61.3pa（射流风机安置在斜井内）
5.2.4.5射流风机台数确定
61.3x2+25.6=148.2>16+1.2+114=131.2,只需在斜井内布置2台射流风机，主洞内布置一台射流风机，就可以满足排风要求，由于洞外自然风压力偏大，故在计算的风机台数上多安装一台，作为备用。

最终射流风机台数为斜井三台，主洞1台。

5.2.5 方案2小结
通过上面计算，对方案2小结如下：
通风系统如图5.2所示
图5.2 方案二通风风机布置示意图5.3 方案3计算
5.3.1 施工需风量计算
由3.2计算可知，需风量为2638.46（m³/min）=44 m³/s 5.3.2 风筒阻力计算
5.3.2.1 风管直径1.5m
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3771m；
D--风筒直径，取1.5m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速
风筒面积A=3.14x1.5x1.5/4=1.8 m2
V=Q/A=44x0.8/1.8=19.5m/s(风管直径1.5,t提供80%的新鲜风)带入相关数据计算得h1 =8603pa
风管进出口局部阻力=（1+0.3）x1/2x19.5x19.5=247pa
风管总阻力h=8603+247=8850pa
5.3.2.2 风管直径1.0m
h1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—风筒摩擦阻力系数，取0.018；
L--隧道的最大长度，取3771m；
D--风筒直径，取1m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V--风筒平均风速
风筒面积A=3.14x1 x1/4=0.785m2
V=Q/A=44x0.2/0.785=11m/s(风管直径1m,t提供20%的新鲜风)带入相关数据计算得h1 =4107pa
风管进出口局部阻力=（1+0.3）x1/2x11x11=79pa
风管总阻力h=4107+79=4186pa
5.3.3 轴流风机选型
根据计算，轴流风机选择为：
5.3.4 射流风机台数计算
5.3.4.1污染风摩擦阻力计算
H1=λ×L/D×ρ(V2/2)
式中：λ—主洞摩擦阻力系数，取0.1；
L--隧道的最大长度，取1978m；
D--隧道直径，取11.3m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V—隧道平均风速
隧道面积A=3.14x11.3x11.3/4=100 m2
V=Q/A=44/100=0.44m/s
带入相关数据计算得H1 =1.69pa
同理可得污染风流经斜井时的摩擦阻力为16pa
污染风局部阻力=（1+0.7）x1/2x1.2x1.2=1.2pa
5.3.4.2自然风阻力计算
H2=（0.6+0.7+λ×L/D）×ρ(V2/2)
式中：λ—主洞摩擦阻力系数，取0.1；
L--隧道的最大长度，取3771m；（斜井阻力大于主洞，保守全按斜井计算）D—斜井直径，取6.8m；
ρ--空气密度，取1kg/m3；
V—平均风速
斜井面积A=3.14x6.8x6.8/4=36m2
V=Q/A=44/36=1.2m/s
带入相关数据计算得H2 =114pa
5.3.4.3活塞风动力计算
洞内双向行车，且行车速度慢，故不考虑活塞风动力作用。

5.3.4.4单台射流风机升压力计算
单台射流风机升压力=空气密度*射流风机出口风速的平方*射流风机的出口面积/隧道断面积*（1-隧道断面风速/射流风机出口风速）*射流风机位置摩擦阻力损失折减系数（0.5）
带入计算得单台射流风机升压力=25.6pa （射流风机安置在主洞内）
单台射流风机升压力=61.3pa （射流风机安置在斜井内）
5.3.4.5射流风机台数确定
61.3x2+25.6=148.2>16+1.2+114=131.2,只需在斜井内布置2台射流风机，主洞内布置一台射流风机，就可以满足排风要求，由于洞外自然风压力偏大，故在计算的风机台数上多安装一台，作为备用。

最终射流风机台数为斜井三台，主洞1台。

5.3.5 方案3小结
通过上面计算，对方案3小结如下：
通风系统如图5.3所示
图5.3 方案三通风风机布置示意图
6 数值模拟分析
本次数值模拟采用大型CFD软件FLUENT。

FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。

凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。

它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。

Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。

6.1 隧道内风流场、温度、粉尘扩散数值模拟
6.1.1 模型建立
该部分数值模拟，将方案一至方案三的三种方案的模型建在同一个计算文件下，通过设置不同的边界条件进行计算。

为了节约计算机时，建立300m长的计算模型，旨在对比三种方案的优劣点，推荐出比较合理的施工通风方案。

模型内部结构图如图6.1所示。

图6.1 计算模型内部结构图
如图6.1所示，图中长方体结构为模拟热源。

6.1.2 方案一模拟结果分析
方案一采用一送一排的混合式通风，送风管在掌子面附近加设接力风机。

图6.2 掌子面附近风速云图（方案一）
图6.3 掌子面附近风速矢量图（方案一）
由图6.2和图6.3可以看出，由于方案一送风口距离掌子面的距离为50m，掌子面已经位于风流射流区以外，在掌子面附近形成了污风的涡流现象，这对于污风的排出是不利的。

根据规范的要求，在施工通风中，风管出风口距离掌子面
的距离应该在10m~15m。

图6.4 接力风机附近风速云图（方案一）
图6.5 接力风机附近风速矢量图（方案一）
由图6.4和图6.5可以看出，在接力风机的位置，有一部风的污风进入送风管，形成了污风的回流，也就是说，风流通过接力风机以后，送入掌子面的新鲜风量降低了。

同时，排风风机的位置，有一部分新鲜风也通过排风管道排出了隧道外。

这样在隧道内形成了污染空气的循环和新鲜风的流失，对于整个隧道施工环境的保障是很不利的。

图6.6 掌子面附近温度场云图（方案一）
图6.7 隧道内沿隧道长度温度曲线图（方案一）在本方案中，作业面的供电功率为405.5KW，而作业面附近的两台风机的功率就为220KW，因此，在该方案中，相同条件下，作业面附近的放热本来就高于其它情况。

由图6.6和图6.7可以看出，随着新鲜风的供入，隧道内的温度
能理论上维持在30℃左右
图6.8为掌子面附近全压云图。

图6.9 掌子面附近粉尘轨迹图（方案一）
图6.10隧道内粉尘轨迹图（方案一）
由图6.9和图6.10可以看出，粉尘在隧道内游离运动的时间比较长，是因为隧道内没有形成稳定的风流场所致。

6.1.3 方案二模拟结果分析
方案二采用压入式通风，风管直径为2.2m，隧道内污风从斜井口排出。

图6.11 掌子面附近风速云图（方案二）
图6.12掌子面附近风速矢量图（方案二）
由图6.11和6.12可以看出，在掌子面附近没有形成污风的涡流，即掌子面位于风管出口射流区以内。

这种设置，非常有助于掌子面附近的污风的排出，有
利于保障掌子面附近的作业环境。

图6.13 隧道内射流风机附近风速云图（方案二）
图6.14 隧道内射流风机附近风速矢量图（方案二）图6.13和图6.14所示为隧道内射流风机附近风流场情况，隧道内加设射流风机的作用就是为污风从隧道内排出提供动力，由图可以看出，这种效果还是非
常明显的。

图6.15 隧道内沿隧道长度温度曲线图（方案二）
图6.16 掌子面附近温度场云图（方案二）
在该方案中，由于取消了隧道作业面附近的接力风机和隧道内的排风风机，因此，隧道内的放热功率大大减小，且通风方案得到了优化。

温度比起方案一来
略有降低。

图6.17 掌子面附近粉尘轨迹图（方案二）
图6.18 隧道内粉尘轨迹图（方案二）
由图6.17和图6.18可以看出，掌子面附位于新鲜风流的射流区内，掌子面处没有出现污风回流的现象，粉尘颗粒可以很快从掌子面排出到隧道外。

6.1.4 方案三模拟结果分析
根据现场实际情况，天平山隧道3#斜井的施工已经完成，正洞施工中使用的通风方案为1.5m风管和1m风管的混合式通风，然而通过计算和数值模拟分析，该方案不能满足施工环境保障的要求，为了简化施工困难和节约工程造价，经过分析，确定了方案三的通风方案，方案三采用压入式通风，分别用两根风管向隧道内送入新风，风管直径风别为1.5m和1m，隧道内污风从斜井口排出。

通过方案二的分析，方案三的模拟结果与方案二的类似，这里不再重复分析，
只是展示模拟结果。

图6.19 掌子面附近风速云图（方案三）
图6.20掌子面附近风速矢量图（方案三）
图6.21 隧道内射流风机附近风速矢量图（方案三）
图6.22 隧道内沿隧道长度温度曲线图（方案三）
图6.23 掌子面附近温度场云图（方案二）
6.2 数值模拟结论
通过数值分析可以得到以下结论：
（1）在隧道施工通风设计中，送风管出风口离掌子面的距离不能太大，否则在掌子面附近要产生污风的回流，该距离应控制在10m~15m之间；
（2）隧道内布置接力风机应慎重布置，否则很容易造成经济损失，并且通风效果不好；
（3）施工通风只要是控制新风量，新风是否能送到工作面是施工通风设计的关键。

7 结论及推荐方案
通过理论计算和数值模拟计算，可以得到以下结论：
（1）隧道施工通风设计中，通风管选择的合适与否直接关系到风机功率和通风效果，在可能的条件下，尽量选择直径大的风管以降低风阻；
（2）尽量减少在隧道内布设风机，以减少放热功率；
（3）风管的日常维护和保养非常重要，以降低风管的漏风，确保工作面的新风量。

（4）在隧道施工通风设计中，送风管出风口离掌子面的距离不能太大，否则在掌子面附近要产生污风的回流，该距离应控制在10m~15m之间；
（5）隧道内布置接力风机应慎重布置，否则很容易造成经济损失，并且通风效果不好；
（6）施工通风主要是控制新风量，新风是否能送到工作面是施工通风设计的关键。

通过以上的总结，推荐方案二或者方案三作为本隧道正洞施工时的施工通风方案，详细布置图见相关图纸，特别推荐方案三。

在方案三中，如果可以都用1.5m的风管则送风效果将会更好。