黃 磊,雷 帥,張 睿,江俊杰

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.四川川交路橋有限責(zé)任公司,四川廣漢 618300)

射流巷道式通風(fēng)是在射流風(fēng)機(jī)的射流、卷收和誘導(dǎo)作用下，新鮮空氣從一個隧洞進(jìn)入并由軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)管到達(dá)掌子面附近，污濁空氣從另一個隧洞排出的通風(fēng)方式[1]。對射流巷道式通風(fēng)研究大致可分為通風(fēng)方案、通風(fēng)流場及通風(fēng)優(yōu)化三方面，其中根據(jù)隧道實際情況制定通風(fēng)方案是核心，也是進(jìn)行通風(fēng)流場分析的基礎(chǔ)；通風(fēng)優(yōu)化是保證通風(fēng)方案經(jīng)濟(jì)合理、通風(fēng)流場安全可靠的控制措施，降低或消除通風(fēng)不利對工作人員和設(shè)備可能造成的危害。數(shù)十年來，國內(nèi)外對射流巷道式通風(fēng)展開了大量研究，也取得了一些重要進(jìn)展。劉洪偉[2]在傳統(tǒng)巷道式通風(fēng)的基礎(chǔ)上引入射流風(fēng)機(jī)對隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行通風(fēng)測試對射流巷道式通風(fēng)的效果進(jìn)行了肯定；李建軍[3]通過對大相嶺泥巴山隧道進(jìn)行通風(fēng)計算，在隧道需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)供風(fēng)量、射流風(fēng)機(jī)數(shù)量等方面比較了壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)兩種通風(fēng)方式，證明了長大隧道采用巷道式通風(fēng)效果好、成本低的結(jié)論；張雪金等[4]根據(jù)樂園瓦斯隧道輔助坑道布置及瓦斯涌出特點，確定了獨頭壓入式和射流巷道式相結(jié)合的通風(fēng)方案，不僅在樂園隧道施工期間取得了較好的效果，也為類似的瓦斯隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計提供了參考。在射流巷道式通風(fēng)流場研究方面，日本的中山伸介等[5]對三維條件下掘進(jìn)巷道通風(fēng)流場以及風(fēng)速進(jìn)行了測定，得到了掘進(jìn)巷道流場分布；Parra等[6]通過數(shù)值模擬和試驗分析的基礎(chǔ)上，揭示了通風(fēng)空間中危險區(qū)域的分布規(guī)律；彭佩等[7]利用流體力學(xué)軟件Fluent建立隧道三維模型，對隧道內(nèi)及其與橫通道連接處的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為巷道式通風(fēng)會使隧道內(nèi)形成多個渦流區(qū)，并且橫通道會在一定范圍內(nèi)影響風(fēng)流，超過這個范圍風(fēng)流將趨于穩(wěn)定。在隧道施工通風(fēng)方案及流場分析的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者對射流巷道式通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了研究。譚信榮等[8]提出壓入式通風(fēng)、射流巷道式通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)措施，并在粉塵超標(biāo)段設(shè)置干式除塵機(jī)，有效地降低了粉塵量，保證了隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量；方勇等[9]對低瓦斯隧道施工期間的通風(fēng)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)橫通道附近存在瓦斯?jié)舛雀?、風(fēng)速低的危險區(qū)域，通過流場分析提出了增設(shè)射流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化方案；何知思等[10]通過對壁板坡特長隧道施工通風(fēng)影響因素現(xiàn)場測試、分析及總結(jié)，為特長隧道施工通風(fēng)及優(yōu)化提供了參考。作為通風(fēng)優(yōu)化的基本研究方法，對實際問題進(jìn)行現(xiàn)場測試以及數(shù)值模擬，提出改進(jìn)方案并得到優(yōu)化效果的通風(fēng)優(yōu)化處理模式[11]已經(jīng)普遍應(yīng)用，但基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)壓理論的通風(fēng)調(diào)整及優(yōu)化方式，在射流巷道式通風(fēng)系統(tǒng)中研究較少。因此，擬在前人研究的基礎(chǔ)上，從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)壓理論的角度來探討射流巷道式通風(fēng)優(yōu)化方案，提高通風(fēng)質(zhì)量。

1 風(fēng)路壓力簡化分析方法

在風(fēng)路中，風(fēng)壓是空氣流動的動力[12]，將風(fēng)路簡化為一維對象，忽略壓力在橫截面上的變化，風(fēng)路中風(fēng)壓可以用曲線的形式直觀表現(xiàn)出來，如圖1所示，以壓力基準(zhǔn)點為原點，壓力上升則曲線向上，壓力下降則曲線向下，風(fēng)路中的壓力變化如摩擦阻力、局部阻力以及射流風(fēng)機(jī)升壓力等組成了風(fēng)路壓力分布的曲線形式。

1.1 摩擦阻力

隧道和橫通道壁面對空氣流動都存在摩擦阻力作用，在巷道橫截面和方向均不發(fā)生變化的情況下，壓力損失與路程成正比，因此，分別以左端和右端為基準(zhǔn)，直巷道內(nèi)壓力變化可以簡化為一條斜向下線段，如圖1(a)所示。漸縮或漸擴(kuò)段壓力變化也可以簡化為一條斜向下的線段。摩擦阻力可按下式計算

(1)

式中，hf為摩擦阻力，Pa；λ為摩擦系數(shù)；L為長度，m；d為水力直徑，m；v為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3[13]。

1.2 局部阻力

局部阻力產(chǎn)生處如進(jìn)出口、拐彎、突然擴(kuò)大或縮小端，雖然這些地方壓力是漸變的，但簡化為一維問題后，可以認(rèn)為局部阻力處壓力是突變的，因此，局部阻力處壓力變化可以簡化為一條垂直向下的線段，如圖1(b)所示(不考慮摩擦阻力)。局部擴(kuò)大或縮小的壓力損失可按式(2)或式(3)計算[13]

(2)

式中，hx為局部壓力損失，Pa；ξ為局部阻力系數(shù)；v1為管路小斷面處的風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；A1為管路小斷面面積，m2；Q為通過局部點的風(fēng)量，m3/s。

1.3 射流風(fēng)機(jī)升壓力

射流風(fēng)機(jī)可以為風(fēng)路提供升壓力，升壓范圍包括風(fēng)機(jī)前方誘導(dǎo)段和風(fēng)機(jī)后方吸入段[14]，因此其升壓效果需要足夠的長度來發(fā)展，并且射流風(fēng)機(jī)升壓段在隧道內(nèi)的靜壓近似線性增加[15]，射流風(fēng)機(jī)的升壓情況可以簡化為一條斜向上的線段，如圖1(c)所示(不考慮摩擦阻力)，升壓所需長度為(b-a)。

圖1 阻力及壓力簡化示意

2 射流巷道式通風(fēng)特征分析

對于長大雙洞隧道施工通風(fēng)而言，可采用管道壓入式通風(fēng)或主扇巷道式通風(fēng)，但這兩種方式都存在不足之處，前者要求送風(fēng)管路過長，會導(dǎo)致沿途總漏風(fēng)量大、通風(fēng)耗能很大，后者雖能解決長距離送風(fēng)問題，但存在風(fēng)門造價高、漏風(fēng)大等缺陷[16]。在這種情況下，射流巷道式通風(fēng)因其能較好解決風(fēng)管送風(fēng)距離過長、風(fēng)門漏風(fēng)嚴(yán)重等問題，在長大隧道中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 射流巷道式通風(fēng)實例分析

在隧道射流巷道通風(fēng)中，除最前方橫通道之外的橫通道均應(yīng)封閉[17]，但實際由于橫通道正在施工或出渣進(jìn)料的需要，個別橫通道不能封閉或封堵不嚴(yán)(圖2)，這將導(dǎo)致整個通風(fēng)系統(tǒng)的混亂，下面以實例進(jìn)行分析說明。

圖2 橫通道封堵不嚴(yán)現(xiàn)場

巴陜高速公路上的米倉山隧道施工期間采用射流巷道式通風(fēng)[18]，其中某區(qū)段如圖3所示，帶箭頭的折線表示通風(fēng)風(fēng)路。根據(jù)米倉山隧道通風(fēng)方案，通風(fēng)風(fēng)路上布設(shè)額定升壓力為9 Pa的射流風(fēng)機(jī)共8臺，其中11號車行橫通道內(nèi)布置1臺，距左、右線洞口100 m處分別布置3臺、4臺射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)間距為100 m。另外，除11號車行橫通道外，其余車行橫通道全部關(guān)閉，防止風(fēng)流互竄。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)示意(單位：m)

考慮到橫通道較短，風(fēng)機(jī)前方只有30 m長度，而誘導(dǎo)段長度約需要45 m，誘導(dǎo)段長度按公式(4)計算，風(fēng)機(jī)的升壓力不能充分發(fā)展。將橫通道風(fēng)機(jī)升壓力按長度進(jìn)行折減，若實際風(fēng)機(jī)升壓力按照6 Pa計算，風(fēng)機(jī)總升壓力為69 Pa。此時隧道風(fēng)速將略大于設(shè)計風(fēng)速，通風(fēng)阻力也將變大，橫通道阻力增大為6.48×(69/66.15)=6.76 Pa，其中由左線進(jìn)入橫通道局部阻力為3.32 Pa，橫通道沿程阻力0.24 Pa，橫通道到右線局部阻力為3.2 Pa。主洞沿程阻力為62.24 Pa，主洞射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)段長度約為80 m，射流風(fēng)機(jī)升壓段取為100 m，包括誘導(dǎo)段80 m和吸入段20 m，射流風(fēng)機(jī)升壓段沿程阻力為0.57 Pa，則風(fēng)機(jī)的實際升壓力為8.43 Pa。

l=(7.16+62.93T-108.2mU)de(4)

式中，l為誘導(dǎo)段長度；T為橫通道風(fēng)速與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速之比，T=vt/vj；m為斷面風(fēng)機(jī)并列臺數(shù)；U為風(fēng)機(jī)出口面積與橫通道面積之比，U=Aj/At[19]。

以洞口為壓力基準(zhǔn)點，根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)壓理論，該風(fēng)路的風(fēng)壓變化如圖4所示?？梢钥闯觯捎谧缶€洞口處3臺射流風(fēng)機(jī)的升壓作用，使得壓力突增，然后在沿程阻力的作用下，壓力不斷減小；11號車行橫通道處有1臺射流風(fēng)機(jī)升壓，但由于局部阻力過大，抵消了升壓效果；在右線出口處4臺射流風(fēng)機(jī)升壓作用，使得左右線洞口壓力相等。由圖4可知，風(fēng)路前半段為正壓，后半段為負(fù)壓，17號車行橫通道兩端的壓力差ΔPab達(dá)到了53.6 Pa。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，若17號車行橫通道無法封閉，就會使左線進(jìn)入的新鮮風(fēng)迅速進(jìn)入右線排出隧道，導(dǎo)致隧道前方得不到足夠的新鮮空氣而使整個通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓。

圖4 風(fēng)路壓力分布曲線

2.2 射流巷道式通風(fēng)缺陷分析

射流巷道式通風(fēng)缺陷在未封閉橫通道處表現(xiàn)為兩種形式：一是新鮮風(fēng)沒有充分利用就流出隧道，即新風(fēng)短路；二是污染風(fēng)在隧道內(nèi)回流，即污風(fēng)循環(huán)，實質(zhì)上都是由于橫通道兩端存在壓力差造成的。以圖3所示風(fēng)路為例，假設(shè)17號車行橫通道封堵不嚴(yán)，將a、b兩點間風(fēng)路和17號車行橫通道看作并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，其中分支3代表17號車行橫通道。

圖5 兩種漏風(fēng)形式的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)a點壓力大于b點壓力時(分支2射流風(fēng)機(jī)升壓小于通風(fēng)阻力)，部分新鮮空氣沒有經(jīng)過利用直接通過分支3到達(dá)排風(fēng)洞排出洞外，表現(xiàn)為新風(fēng)短路；當(dāng)a點壓力小于b點壓力時(分支2射流風(fēng)機(jī)升壓大于通風(fēng)阻力)，橫通道內(nèi)空氣由b流向a，造成污染空氣流入進(jìn)風(fēng)洞，表現(xiàn)為污風(fēng)循環(huán)。

從理論上說，將橫通道嚴(yán)格封堵就可以完全避免這兩種現(xiàn)象發(fā)生[20]，但在實際操作中由于施工現(xiàn)場條件限制，很難完全消除這種現(xiàn)象。因此，對于施工中無法關(guān)閉的橫通道必須進(jìn)行一定的控制，避免風(fēng)流亂竄現(xiàn)象的發(fā)生，使新鮮風(fēng)進(jìn)入掌子面，污染風(fēng)排出隧道。楊立新[21]在對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，提出了射流巷道式通風(fēng)的橫通道風(fēng)流控制方法，對橫通道射流減阻、射流增阻、無射流3種調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了風(fēng)量計算和節(jié)能比較，卻忽略了調(diào)節(jié)過程中的污風(fēng)循環(huán)和新風(fēng)短路現(xiàn)象，但在實際隧道施工通風(fēng)過程中，通風(fēng)效率和質(zhì)量才是第一位的。因此，必須通過解決問題的實質(zhì)即橫通道兩端存在的壓力差，來解決未封閉橫通道的通風(fēng)缺陷。本文將通過對射流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化布置，分析隧道內(nèi)風(fēng)壓曲線，實現(xiàn)橫通道兩端壓力控制，達(dá)到對射流巷道式通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。

3 射流巷道式通風(fēng)優(yōu)化

3.1 射流風(fēng)機(jī)布置方案分析

為研究射流風(fēng)機(jī)設(shè)置方式對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，以及如何控制橫通道處新風(fēng)短路現(xiàn)象，現(xiàn)通過以下4種工況進(jìn)行研究：(1)射流風(fēng)機(jī)全部布置在左線出口和橫通道；(2)射流風(fēng)機(jī)全部布置在右線出口和橫通道；(3)射流風(fēng)機(jī)分別布置在左、右線出口(2.1節(jié)實例)和橫通道；(4)射流風(fēng)機(jī)均勻布置在隧道內(nèi)。這4種工況風(fēng)路簡化示意如圖6所示，風(fēng)路壓力分布曲線如圖7所示。

圖6 4種工況的風(fēng)路簡化示意(單位：m)

圖7 4種工況風(fēng)路壓力分布曲線

仍然假設(shè)17號車行橫通道無法封閉，根據(jù)圖7得到橫通道兩端壓力及壓力差如表1所示。從表1可以看出，工況1、2、3壓力差絕對值遠(yuǎn)大于工況4，橫通道新風(fēng)短路情況嚴(yán)重。從圖7也可以明顯看出，工況4壓力變化升壓和降壓分布比較均勻，最高壓力和最低壓力相差15 Pa左右，這說明橫通道兩端壓力差最多只能達(dá)到15 Pa，而其他幾種工況由于風(fēng)路中間沒有射流風(fēng)機(jī)升壓，壓力從進(jìn)口到出口一直降低，最高壓力和最低壓力相差接近60 Pa。因此，將風(fēng)機(jī)均勻布置在通風(fēng)路徑上可以有效降低橫通道兩端壓力差，進(jìn)而控制新風(fēng)短路現(xiàn)象。

表1 車行橫通道兩端壓力及壓差 Pa

3.2 射流風(fēng)機(jī)布置優(yōu)化方法

射流風(fēng)機(jī)均勻布置于風(fēng)路中是對通風(fēng)路徑整體的優(yōu)化，即通過減小每個橫通道兩端所能達(dá)到的最大壓差的方式，來控制新風(fēng)短路現(xiàn)象，并沒有考慮橫通道在什么位置，如果知道某個橫通道封堵情況較差，風(fēng)流短路嚴(yán)重，還可以通過對射流風(fēng)機(jī)位置的微調(diào)進(jìn)一步減小該橫通道兩端壓差，甚至減小到?jīng)]有壓差。

如圖7所示，射流風(fēng)機(jī)的升壓力由一條突變的升壓曲線表示，對于射流風(fēng)機(jī)位置的改變，可以通過平移升壓曲線來體現(xiàn)，這樣就可以快速地對局部流場進(jìn)行優(yōu)化。以上一節(jié)工況4通風(fēng)布置為例，17號車行橫通道兩端壓差為9.2 Pa，在圖6中將最右端的風(fēng)機(jī)沿摩擦阻力曲線的方向平移一段距離，如圖8箭頭所示，代表該風(fēng)機(jī)向隧道右線出口方向移動一段距離，使風(fēng)機(jī)的升壓曲線完全在b點和右線出口之間，即可達(dá)到明顯的優(yōu)化效果。比如若按圖8中的箭頭方向移動330 m，a、b兩點間的壓力差將減小為0.4 Pa，這時，橫通道即使不封閉，也幾乎不會發(fā)生新風(fēng)短路的現(xiàn)象。

圖8 局部優(yōu)化示意

當(dāng)存在不止一個橫通道漏風(fēng)的情況時，也可通過現(xiàn)場多個射流風(fēng)機(jī)位置的調(diào)整或增加射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)，使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中橫通道兩側(cè)的壓力差顯著減小甚至消失，以達(dá)到理想的通風(fēng)效果。但在實際施工掘進(jìn)過程中，頻繁移動風(fēng)機(jī)不現(xiàn)實，增加射流風(fēng)機(jī)的臺數(shù)會增加施工成本，因此，對于圖2所示的存在漏風(fēng)的橫通道，必須及時進(jìn)行修補(bǔ)，達(dá)到不漏風(fēng)的要求；對于正在施工的橫通道，宜采用本文提出的方法，即調(diào)整射流風(fēng)機(jī)位置來減小橫通道兩側(cè)的壓力差；對于出渣進(jìn)料等車輛通行，應(yīng)由最前方橫通道通過，使后方橫通道全部封閉，以保證隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過對隧道射流巷道式施工通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一維簡化，基于風(fēng)壓曲線的分析，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

(1)對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一維簡化后，沿程壓力損失、局部壓力損失以及射流風(fēng)機(jī)升壓都用曲線來表示，組成風(fēng)路壓力曲線圖，直觀反映出風(fēng)路風(fēng)壓分布，曲線形狀只與風(fēng)機(jī)布置有關(guān)，與風(fēng)機(jī)升壓力無關(guān)。

(2)射流巷道式通風(fēng)中新風(fēng)短路或污風(fēng)循環(huán)現(xiàn)象的本質(zhì)是橫通道兩端存在壓力差，壓力差越大，這兩種現(xiàn)象就越明顯，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)混亂。

(3)從整體上來說，相比集中布置，射流風(fēng)機(jī)均勻布置在通風(fēng)路徑上時，風(fēng)壓曲線升壓、降壓段的分布更加均勻，橫通道兩端壓力差更小。

(4)在實際隧道施工過程中，出渣進(jìn)料等車輛由最前方橫通道通行，其余橫通道均應(yīng)封閉，出現(xiàn)漏風(fēng)的橫通道應(yīng)及時修補(bǔ)，對于正在施工的橫通道出現(xiàn)新風(fēng)短路或污風(fēng)循環(huán)現(xiàn)象，通過移動風(fēng)壓曲線中代表射流風(fēng)機(jī)的升壓曲線可以快速確定風(fēng)機(jī)的最佳位置，使該橫通道兩端壓力差減小，甚至消失。