提高復(fù)雜洞室施工通風(fēng)效率的措施與認(rèn)識(shí)

趙 曉，王瑞凱，2，張文輝，李 斌

(1.武警水電部隊(duì)三峽工程指揮部，武漢 430073;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

隨著地下開挖技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜洞室工程越來越多，最為典型的是地下水電站和儲(chǔ)藏?zé)N類物質(zhì)的洞室。地下水電站因?yàn)榈叵聫S房、主變壓器室、尾水調(diào)壓室、引水隧洞、尾水隧洞以及交通洞的連通使得洞室規(guī)模越來越大;儲(chǔ)藏?zé)N類物質(zhì)以地下石油庫(kù)為代表，往往包含有多組洞罐、用于注入石油的操作豎井、通風(fēng)豎井、水幕巷道、連接洞、交通洞等，洞室規(guī)模大，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通狀況復(fù)雜，如圖1所示的某地下石油庫(kù)一組洞罐的空間立體示意圖。

圖1 某地下石油庫(kù)的空間立體示意圖Fig.1 Three-dimensional diagram of an underground oil-storage cavern

洞室空間狀況與連通狀況復(fù)雜，給施工過程的通風(fēng)帶來了諸多困難與問題，主要表現(xiàn)在:如何提高通風(fēng)效率，即在給定條件下盡可能縮短通風(fēng)時(shí)間、節(jié)省能耗，保證洞室施工的空氣條件;如何組織、優(yōu)化風(fēng)流路徑，因?yàn)樵诙词衣?lián)通狀況復(fù)雜的情況下，風(fēng)流路徑的辨識(shí)具有一定的難度;如何確定復(fù)雜洞室貫通情況下的流場(chǎng)，這是現(xiàn)場(chǎng)施工人員調(diào)整、優(yōu)化通風(fēng)方案的理論基礎(chǔ)。

本文所涉及到的內(nèi)容，其實(shí)是多年施工經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和在某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)建設(shè)過程的總結(jié)，對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。

2 提高通風(fēng)效率的認(rèn)識(shí)與措施

式中:A為隧洞斷面積(m2);De為隧洞當(dāng)量直徑(m)。

讓風(fēng)筒出口距掌子面的距離，應(yīng)該在公式確定的范圍之內(nèi)，但現(xiàn)場(chǎng)往往做不到，其原因是布置偏近時(shí)，有施工的干擾、飛石會(huì)損壞通風(fēng)管等因素。但“及時(shí)、適當(dāng)”是應(yīng)把握的原則，如新奧法地下施工“適時(shí)支護(hù)”的原則、延長(zhǎng)通風(fēng)筒不會(huì)在圍巖條件差的情況下延長(zhǎng)支護(hù);“及時(shí)支護(hù)”困難更大，但這種情況下的支護(hù)是必要的，且許多困難就可以克服、解決，也可以找出一套快速延長(zhǎng)通風(fēng)筒的施工程序。

2.1 延長(zhǎng)通風(fēng)筒出口的位置

對(duì)于通風(fēng)來說，最重要的工程參數(shù)是“有效風(fēng)流作用長(zhǎng)度Le”。不同的國(guó)家所給出的計(jì)算公式有一定差別，如前蘇聯(lián)給出的公式(1)［1］與日本給出的公式(2)［2］，這些差別可認(rèn)為是有效作用長(zhǎng)度的變化范圍，都是合理的。表1給出了隧洞斷面積為58 m2時(shí)，通風(fēng)筒出口距掌子面長(zhǎng)度分別為40 m和80 m的情況下，隧洞工作面附近必要通風(fēng)時(shí)間。根據(jù)式(1)計(jì)算出的“有效風(fēng)流作用長(zhǎng)度”為38 m。由表1可以看出，當(dāng)風(fēng)筒出口與工作面的距離從40 m增至80 m時(shí)，所需通風(fēng)時(shí)間增長(zhǎng)了171%，具有明顯的變化。

表1 通風(fēng)時(shí)間對(duì)比Table 1 Comparison of ventilation time

2.2 優(yōu)化通風(fēng)筒出口形式

水工建筑物的進(jìn)流、泄流出口都采用漸變的形式，高壓水槍為增大射流距離也有專門的出口設(shè)計(jì)［3］。通風(fēng)問題是典型的有限域內(nèi)的射流問題。據(jù)研究，洞內(nèi)污染氣體的排除，與2個(gè)重要因素有關(guān):一是射流的掃掠面積(可視為隨張角擴(kuò)大的面積);二是射流與周圍氣體的紊動(dòng)交換。其中以第一因素為主［4］。目前，尚沒見到工程上改變通風(fēng)筒出口的形狀來具體應(yīng)用的例子，其實(shí)進(jìn)行該方面的優(yōu)化是有意義的。文獻(xiàn)［4］的計(jì)算表明，擴(kuò)大的出口面積可以增大掃掠面積，洞內(nèi)回流的流速分布更為均勻，有利于污染物的排出，從通風(fēng)時(shí)間上來說，帶來了約7%左右的效率提高;收縮的出口雖然不能提高效率，但對(duì)于特定的情況，比如通風(fēng)筒的延長(zhǎng)確有困難，但又確實(shí)需要增長(zhǎng)風(fēng)流作用長(zhǎng)度、或?yàn)榱讼植繀^(qū)域的污染物滯留，是可以考慮加上收縮式出口的。

2.3 優(yōu)化通風(fēng)效率

圖2是一個(gè)示意圖，用來說明在風(fēng)流進(jìn)出口存在高差變化情況下的“煙囪效應(yīng)”，隧洞內(nèi)外的壓差ΔP可由式(3)計(jì)算。

式中:γ1和γ2分別是隧洞外部與豎井內(nèi)部的空氣重度;Δh為豎井的高度;P1為隧洞進(jìn)口處大氣壓強(qiáng);P2為隧洞內(nèi)部大氣壓強(qiáng);圖中P0為豎井頂部大氣氣體壓強(qiáng)。

通常，洞內(nèi)溫度T2可視為恒溫，冬天大氣氣溫T1低，γ1＞ γ2，因此 ΔP ＞0，煙囪效應(yīng)明顯;夏季大氣溫度T1高，可能出現(xiàn)γ1＜γ2，此時(shí)的煙囪效應(yīng)是負(fù)的。我們知道，工業(yè)煙囪很多，作用很大，而洞室施工通風(fēng)中，人們往往忽略煙囪效應(yīng)。正確認(rèn)識(shí)、利用煙囪效應(yīng)，有提高效率、節(jié)約能源的益處，如冬天利用煙囪效應(yīng)，可提高通風(fēng)效率，減小通風(fēng)時(shí)間，或者降低通風(fēng)功率，節(jié)約電力;夏天則需要適當(dāng)提高通風(fēng)功率。

圖2 煙囪效應(yīng)示意圖Fig.2 Chimney effect

鑒于冬天外部氣溫低于洞內(nèi)，所以，ΔP為正值，這可視為冬天所附加的額外動(dòng)力，也是煙囪效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工檢驗(yàn)，在掌子面附近，冬天通風(fēng)時(shí)間約＜10 min，而夏天則需30 min左右;就整個(gè)洞室而言，冬天通風(fēng)時(shí)間約需2～3 h，但夏天則需要近乎10 h，可見冬天和夏天的通風(fēng)效率差別較大，因此，地下洞室施工時(shí)，可利用洞室內(nèi)外的溫差提高通風(fēng)效率與節(jié)約能源。

另外需要注意:夏天空氣濕度大，山體內(nèi)地下水位高，洞壁滲水現(xiàn)象增多，由洞壁帶來的附加蒸發(fā)量會(huì)大大增加，如果同時(shí)洞內(nèi)積水現(xiàn)象嚴(yán)重，加上煙囪效應(yīng)的減弱或負(fù)效應(yīng)，會(huì)使洞內(nèi)水汽濃度增大，這很不利于污染氣體的排除，因此，及時(shí)清理洞內(nèi)積水，也是改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量的有效措施，應(yīng)引起注意。

2.4 增加連接巷道

洞室長(zhǎng)度增長(zhǎng)，洞與洞之間的連接狀況復(fù)雜時(shí)，風(fēng)流路徑會(huì)變得復(fù)雜，給通風(fēng)帶來困難，可表現(xiàn)在不同洞室之間的污染氣體排除效率不同，如本工程平行的主洞罐之間，有的污染氣體已經(jīng)完全排除干凈，有的洞罐污染氣體濃度還比較大;或者是，局部區(qū)段出現(xiàn)漩渦和死角，導(dǎo)致污染氣體排除不暢。綜合考慮施工期的長(zhǎng)短，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)比較，可在適當(dāng)?shù)囟卧黾舆B接巷道，增加通風(fēng)路徑。如圖1中所示在主洞室A末端增加了與主洞B的連接巷道，圖3為有無該連接巷道情況下，通風(fēng)6 250 s后，地下洞室中CO濃度分布比較，其中圖3(a)中可以看到明顯的有害氣體滯留，而圖3(b)則沒有，因此，連接巷道的增加，徹底解決了主洞室B中原本存在的有害氣體滯留的問題，這是解決通風(fēng)問題的良好措施，僅僅增加少量的工程投資，但是綜合效益巨大。

2.5 優(yōu)化風(fēng)流路徑

圖3 通風(fēng)6 250 s后CO濃度分布Fig.3 Distribution of CO concentration after ventilation for 6 250s

污染氣體能以較高的效率排出，必須要保持一定的風(fēng)流流速，這是關(guān)鍵，所以規(guī)范中有所謂的最小風(fēng)速的限制［5］。隨著洞室貫通情況的復(fù)雜化，污染氣體可能擴(kuò)散至更多的孔道，原來設(shè)定的風(fēng)流路徑內(nèi)的流速就會(huì)降低，這樣，污染氣體的排除時(shí)間不但要增長(zhǎng)，而且有可能導(dǎo)致某些隧洞內(nèi)污染氣體的積聚，由此可知，并不是連接通道越多效果就越好，可利用風(fēng)簾將巷道與相鄰巷道隔絕，使巷道內(nèi)風(fēng)流集中，這要根據(jù)實(shí)際情況予以判斷。圖4是一個(gè)說明該情況的實(shí)際例子，當(dāng)用風(fēng)簾將連接巷道堵塞以后，通風(fēng)效率有了明顯的提高，杜絕了風(fēng)流分散到相鄰巷道，使得有害氣體集中從通風(fēng)豎井排除。

圖4 風(fēng)簾示意圖Fig.4 Air brattice

2.6 通風(fēng)筒位置布置

通風(fēng)筒的位置，有布置于隧洞頂部的，有布置于側(cè)壁，或者布置于角落，基本上以布置方便為原則，這些位置基本上都是可以的。但從提高通風(fēng)效率講，應(yīng)使通風(fēng)射流盡可能晚地接觸到洞壁，也就是說要使出流的掃掠半徑(射流中心距離射流錐面的距離，即錐底半徑)最大，其道理存在于如下2方面:一是掃掠面積大的效果好(見本文2.2節(jié)的說明);另一方面，掃掠半徑大，使得通風(fēng)風(fēng)流接角邊壁較晚，因而通風(fēng)自出流口出風(fēng)到受到邊壁的約束作用時(shí)間較長(zhǎng)，有效風(fēng)流長(zhǎng)度Le會(huì)有一定程度的增大，從日本給出的有效風(fēng)流長(zhǎng)度可以充分看出這一點(diǎn)，如圖5所示，風(fēng)筒放置在不同位置，根據(jù)式(4)至式(6)［2］，Le有所不同。

風(fēng)管安裝位置在隧道中央時(shí)

風(fēng)管安裝位置在隧道拱頂中央時(shí)

風(fēng)管安裝位置在隧道下拐角處時(shí)

圖5 風(fēng)筒布置示意圖Fig.5 Arrangement of air duct

2.7 數(shù)值模擬手段

利用數(shù)值計(jì)算來預(yù)先模擬通風(fēng)效果是一個(gè)很有效的手段［6－10］，可以對(duì)通風(fēng)設(shè)計(jì)予以評(píng)估、優(yōu)化，特別是在額外增加通風(fēng)洞、通風(fēng)豎井時(shí)，來預(yù)先模擬其必要性并優(yōu)化位置，這具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)值模擬可以獲得較多有價(jià)值的成果:如復(fù)雜洞室連通情況下的風(fēng)流路徑，因?yàn)槎帱c(diǎn)通風(fēng)、連通洞復(fù)雜，不能確切知曉風(fēng)流方向、風(fēng)流路徑，甚至有的風(fēng)流方向與預(yù)想的相反，如設(shè)想的是出流，實(shí)際上可能是入流，而數(shù)值流場(chǎng)分析可以很直觀地知道流向，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)流路徑的可視化;數(shù)值模擬可以計(jì)算出所需的通風(fēng)時(shí)間，為施工環(huán)節(jié)的安排(如放炮后何時(shí)出渣)提供理論依據(jù);數(shù)值模擬可以計(jì)算出不同通風(fēng)口的污染物排出量，從而為有目的地控制不同路徑的污染物排出量提供數(shù)值依據(jù)，如有時(shí)為改善司機(jī)以及相關(guān)施工、通勤人員的空氣環(huán)境質(zhì)量不允許交通洞內(nèi)排出過多的污染氣體;數(shù)值模擬還可以發(fā)現(xiàn)何處存在污染氣體滯留區(qū)，為臨時(shí)布置小型風(fēng)機(jī)、清除滯留區(qū)污染氣體提供依據(jù)。通風(fēng)實(shí)踐證明，數(shù)值模擬方法確實(shí)是很有用的工具。

2.8 優(yōu)化通風(fēng)機(jī)位置

在水平施工洞與通風(fēng)豎井相交之后，對(duì)于壓入式通風(fēng)，隨著隧洞掘進(jìn)長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，通風(fēng)機(jī)的位置可以放置于豎井處的地面，也可以放在井底，各有優(yōu)缺點(diǎn)。放在地面，可改善洞內(nèi)施工環(huán)境，如避免噪音，便于維修，但通風(fēng)筒長(zhǎng)度會(huì)增加;如將通風(fēng)機(jī)設(shè)置在井底，則可以矛在采用封閉措施后，直接利用豎井吸入新鮮空氣，就可以減少通風(fēng)筒的長(zhǎng)度，減少沿程漏風(fēng)損失。但是由于通風(fēng)機(jī)在井底，位于施工巷道內(nèi)在交通要道頂部，將導(dǎo)致洞內(nèi)噪聲超限，同時(shí)不便于通風(fēng)機(jī)的管理維護(hù)。在以上情況下，要經(jīng)過詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，才能確定最優(yōu)方案。對(duì)于通風(fēng)機(jī)放在洞內(nèi)的情形，要特別注意污染氣體循環(huán)卷吸的情況發(fā)生，避免通風(fēng)效率的降低。

2.9 加強(qiáng)通風(fēng)筒布的管理

在接近施工掌子面的地方，由于難以避免爆破飛石的打擊，通風(fēng)筒布容易被擊穿，這些擊穿的孔洞，大小不一，除較為明顯的孔洞外，小孔洞往往不被人們重視，隨著通風(fēng)管道的延長(zhǎng)，這些孔洞的漏風(fēng)量影響很大，所以，在延伸通風(fēng)布的時(shí)候，及時(shí)修補(bǔ)已經(jīng)擊穿的孔洞是很必要，必須引起重視;通風(fēng)管連接處、特別是分叉連接處，也往往是漏風(fēng)量最為集中的地方，管理人員在現(xiàn)場(chǎng)巡察時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注這些地方。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合多年的工程管理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了幾條提高通風(fēng)效率的措施和認(rèn)識(shí)。工程各有不同，都有自己的特點(diǎn)，但本文抽象出的幾條經(jīng)驗(yàn)具有一定的通用性，對(duì)于壓入式通風(fēng)的布置、優(yōu)化有一定的參考意義。特別是對(duì)加快排除有害氣體的速度、提高通風(fēng)效率、節(jié)約能源幾方面有一定的指導(dǎo)意義。

(1)風(fēng)流作用長(zhǎng)度，掌子面要盡可能布置在有效風(fēng)流作用長(zhǎng)度之內(nèi)。

(2)盡可能利用季節(jié)溫差，提高通風(fēng)效率、動(dòng)態(tài)調(diào)整通風(fēng)時(shí)間;要能夠及時(shí)做到利用隨時(shí)變化的內(nèi)外溫差來優(yōu)化通風(fēng)，則有較大的節(jié)能潛力。

(3)不同通風(fēng)方案的選定、優(yōu)化問題，可事先對(duì)擬定的每一種方案進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果可動(dòng)態(tài)顯示通風(fēng)過程、風(fēng)流路徑、通風(fēng)時(shí)間、有害氣體排除量、是否存在有害氣體滯留區(qū)、以及低風(fēng)速區(qū)域等，現(xiàn)代通風(fēng)設(shè)計(jì)要善于利用數(shù)值仿真工具。

(4)管理方面的問題，主要是要注意對(duì)通風(fēng)設(shè)施的維護(hù)。

［1］吳中立.獨(dú)頭巷道爆破后通風(fēng)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1959:11－13.(WU Zhong-li.Ventilation in Heading Face after Blasting［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1959:11 －13.(in Chinese))

［2］郭志武.隧道施工通風(fēng)壓入式風(fēng)管管口射流射程計(jì)算方法探討［J］.隧道建設(shè)，2003，23(5):42－45.(GUO Zhi-wu.Discussion on the Effective Length of Jet Flow of Forced Ventilation in Tunnel Construction Period［J］.Tunnel Construction，2003，23(5):42 － 45.(in Chinese))

［3］李仲奎，馬吉明，張 明.水力發(fā)電建筑物［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:23－24.(LI Zhong-kui，MA Ji-ming，ZHANG Ming.Hydropower Structures［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2007:23 － 24.(in Chinese))

［4］NAN Chun-zi，MA Ji-ming，LUO Zhao.Numerical Simulation of Impacts of Different Types of Air Duct Outlets on Ventilation［C］∥Proceedings of the 2nd International Conference on Civil Engineering，Architecture and Sustainable Infrastructure，Zhengzhou，China，July 13 － 15，2013.

［5］SL378—2007，水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007:53.(SL378—2007，Technical Specifications on Construction of Underground Excavation of Hydraulic Structures［S］.Beijing:China Water Power Press，2007:53.(in Chinese))

［6］PARRA M T，VILLAFRUELA J M，CASTRO F，et al.Numerical and Experimental Analysis of Different Ventilation Systems in Deep Mines［J］.Building and Environment，2006，41(2):87 －93.

［7］NAKAYAMA S，UCHINO K，INOUE M.In-situ Measurement and Simulation by CFD of Methane Gas Distribution at a Heading Faces［J］.Shigen-to-Sozai，1998，114(11):769－775.

［8］王曉玲，陳紅超，劉雪朋，等.引水隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)工作面風(fēng)流組織與CO擴(kuò)散的模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39(1):121 －127.(WANG Xiao-ling，CHEN Hong-chao，LIU Xue-peng，et al.Simulation on Ventilation Airflow and CO Diffusion in Leading Face of Excavation in Tunnel［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39(1):121 －127.(in Chinese))

［9］劉 釗，陳興周，馮 璐，等.長(zhǎng)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)壓入式施工通風(fēng)數(shù)值模擬［J］.西北水電，2012，(1):66－69.(LIU Zhao，CHEN Xing-zhou，F(xiàn)ENG Lu，et al.Simulation of Values of Forced Ventilation for Construction of Long Tunnel Excavated from a Single End［J］.Northwest Hydropower，2012，(1):66 －69.(in Chinese))

［10］王海橋.掘進(jìn)工作面射流通風(fēng)流場(chǎng)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(5):498－501.(WANG Hai-qiao.Study on Jet Ventilation Flow field in Heading Face［J］.Journal of China Coal Society，1999，24(5):498 － 501.(in Chinese ))