关键词:
多掌子面隧道通风
调压分风
污染物扩散及窜流
智能控制
摘要:
随着我国经济的发展,国内公路隧道建设项目越来越多,施工过程中受施工条件、施工工期的限制,在单一隧道中同时布置多个开挖掌子面的情况越来越常见,尤其是正洞洞口无法布置施工场地的隧道以及长度较长的隧道。而在多掌子面隧道中单个风机承担两个及两个以上掌子面施工的通风情况将十分常见。然而,单一隧道内多个掌子面施工的情况将导致洞内的施工环境复杂,通风风流相互干扰,污染物相互影响难以排出等问题。当污染物从掌子面窜流至其他掌子面时,极有可能对其产生严重影响,甚至对施工工人的生命安全造成威胁,严重影响隧道施工的安全与质量。为此,本文围绕单一隧道中多个掌子面同时施工的情况,对风筒供风的分风效率和污染物运移规律展开研究,并开发了智能高效节能的通风控制系统,对提高掌子面施工环境,改善人员工作条件具有重要意义。本研究得到的主要结论如下:(1)现场测试了隧道内风速以及污染物浓度。对西苏角隧道内的通风风速、爆破后一氧化碳浓度、粉尘浓度进行了现场测试,得到两侧隧道通风风速在各测点的数值几乎相等,且随着距掌子面距离的增加而变小,最后逐渐趋于稳定。研究发现爆破后短时间内存在“炮烟抛掷距离”,随着通风时间的变化测点浓度呈现出先上升后下降的趋势,且下降速度逐渐缓慢,距掌子面距离越远的测点,一氧化碳浓度的峰值就越小;随着距掌子面距离的增加,喷浆粉尘浓度逐渐减小,掌子面附近施工人员所在区域中的粉尘浓度高达346 mg/m3。(2)提出了多掌子面供风的可调压分风方式,得到了可调压分风方式的分风风流特性。根据风流特性,得出多掌子面最佳分风方式为Y型,且最佳开口角度为90°,在该方式下的分风效率最高。研究调压分风中调压板角度对风流特性的变化影响,以及不同调压板角度下调压器两端的出口风速的比值,得到调压角度与出风风速比的关系。研究了多掌子面两端风筒长度不同时的调压器工作情况,确定出不同调压板角度下,风筒长度比与风筒出口风速比的二次项函数。拟合不同角度上述二次项函数中的系数变化,得到两端风筒长度比、调压板角度与出口风速比三者之间的函数关系。(3)得出不同工况下多掌子面隧道中一氧化碳、粉尘的扩散规律,以及一氧化碳窜流率的变化规律。分析多掌子面隧道的风流特性,发现在两侧隧道同时通风时,隧道内风流呈螺旋形,两端掌子面附近都会出现涡流区,且在与通风斜井的交叉口处出现涡流与不稳定风流。非等长隧道中的风流较等长隧道更为紊乱,交叉口处会有更大范围涡流区。非等长隧道中粉尘的扩散变化不明显,多掌子面隧道长度对粉尘的沉降和扩散影响较小。一端的隧道掘进长度增加会降低另一端支洞隧道一氧化碳的扩散速度,降低气体污染物的排出速率。单侧掌子面供风的情况下会发生明显的一氧化碳窜流,右侧隧道的一氧化碳窜流至左侧隧道。应用窜流率表示窜流的量,随着通风时间的持续,窜流率呈现出先上升后下降的趋势;随着左侧隧道长度变长,窜流率在达到峰值后的下降速度变慢。且一侧隧道爆破时,另一侧隧道即使开挖长度短,也应开启通风措施,排出窜流的气体污染物。(4)开发了一种基于多掌子面隧道的智能通风控制系统。该系统可以根据各掌子面的污染物情况,结合隧道施工长度等因素,自动调整风机的运行频率以及调压器的调压板角度,在保证多掌子面隧道内的施工环境下,实现精准控风、节约能耗。将该系统应用于西苏角隧道右洞的施工中,隧道内污染物浓度得到有效控制,实现降低污染物、节约能耗的目的。