高海拔隧道施工通风风管漏风率研究

李 琦, 于 丽, 严 涛, 刘 祥, 王明年

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；3. 中国中铁二院工程集团有限公司， 四川 成都 610031)

隧道施工中，通常采用管道把新鲜的空气送到掌子面，把粉尘、有害气体等排出隧道，以创造必要的作业施工环境，控制漏风量是保证长隧道管道式通风成败的关键。评价和计算通风管路漏风的主要理论有平均百米漏风率理论、高木英夫理论、青函隧道理论和沃洛宁理论等，国内外学者在风管漏风率方面进行了较多研究，其中：Dindorf等[1]研究得到了管道中的空气泄漏流量要基于在两个时间间隔中的压力比测量计算，测量方法在于确定管道中的空气泄漏流量与受控空气流量间的关系；Ma等[2]采用实测的方法验证并得到一种简化的空气泄漏测试方法，并证明该方法具有很强的可操作性；赵力等[3]采用试验的方法对风管的漏率进行研究，最终获得了简单可行的风管漏风量及漏风率的计算方法；杨立新[4]针对现有通风管路漏风理论存在的问题，提出通风管路漏风量新的评价指标，通过分析研究推出末段百米漏风率的测定方法，得出了由末段百米漏风率计算漏风量和风机供风量公式；倪文耀[5]基于理想气体风流连续性方程的近似方法计算矿井外部漏风率所带来的缺陷，以热力学基本原理为依据，推导出了测算矿井外部漏风率的正确方法。

高海拔地区主要集中于西部地区，其面积占到我国国土面积的60%以上。为了推动西部经济跨越式发展，其铁路交通网不断在延伸，因而，高海拔隧道的数量和里程也随之增多。由于随着海拔高度的提升，大气环境中出现气压降低、空气密度减小等特点[6]。在高海拔环境中，隧道施工时风管在通风一段距离后便会出现风筒干瘪，漏风严重的情况，在平原地区情况相对较好，见图1。高海拔地区由于其特有的气候特点，即使在风机功率、风压、风量、风管长度以及破损程度都相同的条件下，风管漏风率在高海拔地区与平原地区也是有差别的。对于高海拔地区隧道的研究目前主要集中在运营通风、制氧供氧、排污卫生等方面[7-12]，对于高海拔隧道施工通风风管漏风率的研究还相对比较少。

雀儿山隧道全长7 048 m，洞口海拔高度4 377 m，是目前世界上海拔高度最高的公路隧道。隧址区大气压力约为59 kPa，空气中氧含量约为174 g/m3,两者均仅为平原地区的60%左右。本文依托雀儿山隧道，对高海拔地区隧道施工通风的风管漏风率进行研究。

1 风管漏风率计算原理

对于通风风管，由于材料和工艺原因，其密闭性存在欠缺，而且在施工过程中，由于一些不可避免的原因造成风管管壁出现破损等情况，导致气体在风管内输送时从破损处漏出。原因是当气体在风管内流动时，流动产生的静压将垂直作用于风管管壁，并且气体的流动会造成风管内外存在静压差，因此，如果风管侧壁上有孔洞，气体便会沿着垂直于风管壁的方向从开孔处流出[13]。管道内的风速越大，管道内外的静压差越大，则风管的漏风量越大。

静压差产生的流速为

( 1 )

风管内产生的流速为

( 2 )

式中：pj为风管内空气的静压差，Pa；pd为风管内空气的动压，Pa；ρ为空气密度，kg/m3。

由于风管内流速的影响，孔口出流方向要发生偏斜，实际流速为合成流速[13]，见图2。

由图2可知，孔口实际流速为

( 3 )

孔口流出风量为

qv=3 600μfv

( 4 )

孔口出流风量为

( 5 )

风管的漏风率为

( 6 )

式中：Q为风管内风量。

2 高海拔地区风管漏风率计算

由于风管存在沿程阻力，则风管内各个部位的静压有所变化。根据风管漏风率理论以及各个断面能量守恒公式，可以计算出其各段的漏风率大小，具体计算示意见图3[13]。

各个断面能量守恒式为

pj(n)+pd(n)=

pj(n+1)+pd(n+1)+(RL+Δpz)n-(n+1)

( 7 )

表1 空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数

注：表中v1为1-1断面流速，v2为2-2断面流速。

由式( 7 )可知，当海拔升高时，空气密度会减小，则风管中的沿程阻力和动压减少，由于全压不变，所以静压会增大。由式( 5 )可知，漏风量与静压成正比、与空气密度成反比。因此，在相同条件下，随着海拔高度的升高，隧道施工的风管漏风率将逐渐增大。

对于风管漏风率计算，可将风管分为n段，每段10 m，分别计算各段的漏风率，在各段风管内可认为风量、风压、风速不变，根据JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》规定[15]，风管的百米漏风率不大于2%，则每段的漏风口面积可近似取为0.008 m2，孔口流量系数μ取为0.63[13]，通风风管摩阻系数为0.014，风管直径d为1.8 m，所用通风机械参数见表2。平原地区空气密度为1.22 kg/m3，雀儿山隧道海拔4 300 m，空气密度为0.8 kg/m3。计算得到平原地区和高海拔地区各段风管漏风率见表3、表4。

表2 风机参数

表3 平原地区各段风管漏风率计算结果

表4 高海拔地区各段风管漏风率计算结果

平原地区和高海拔隧道的风管漏风率曲线变化,见图4。

由表3、表4和图4可知：平原地区的风管百米漏风率约为2.0%，高海拔地区的风管百米漏风率约为3.1%，则高海拔地区的风管百米漏风率约为平原地区的1.5倍，且在高海拔地区风管漏风率随风管长度增加而增大较快。说明随着海拔高度的升高，风管的漏风率相应增加，故在高海拔地区更需要对风管进行维修保护，防止漏风率进一步增加。

3 高海拔地区风管漏风率修正

为了得到高海拔地区风管漏风率的修正系数，假设平原地区与高海拔地区风管的破损程度f0和孔口的流量系数μ相同。

则高海拔地区风管漏风率与平原地区风管漏风率相比，可得

( 8 )

式中：c为风管漏风率的海拔高度修正系数。

不同海拔高度的空气密度见表5，则由式( 7 )可以计算得到海拔高度与风管漏风率修正系数的关系，见图5。

表5 不同海拔高度的空气密度

根据高海拔地区风管漏风率修正系数曲线，可以得出高海拔风机漏风率的修正系数理论公式模型为

c=e2×10-4H

( 9 )

式中：H为海拔高度，m。

4 高海拔地区风管漏风率现场实测

本次测试在海拔4 300 m的雀儿山隧道内，测试段在距风机入口4.5 km附近进行测试，此段风管平直、风流较稳定，每个断面间距100 m，测试断面见图6。所测风机的直径为1.8 m，由于风管的断面形状为圆形对称，因此，可根据对数线性法确定每个断面的测点个数为6个，风管横断面测点位置见图7。通过电子风速仪测得每个断面的6个点位风速值，再取其平均值作为该断面的断面风速值。

根据现场测试直线段各个断面的风速结果进行处理，可以得到风管断面风速的分布规律见图8，直线段各个断面的平均风速见表6。根据理论方法可以计算出400 m直线段的理论漏风率，实测结果和理论结果对比见表7。

由图8可知，风管横断面上的风速变化规律为风管中心处风速最大，管壁处风速最小，风速整体呈现随远离风管中心逐渐减少的分布规律。

表6 雀儿山隧道风管直线段各个断面风速测试结果

根据表7计算所得理论上的漏风率可以发现，理论上计算得到的风管漏风率与实际测试得到的漏风率基本相符，约为3%。因此，高海拔隧道施工通风风管漏风率的修正理论公式可靠性得以验证。

表7 雀儿山隧道风管百米漏风率对比

5 结论

通过对高海拔隧道施工通风风管漏风率的研究，得到如下结论：

(1) 基于风管孔口流量理论，推导得到了风管漏风率的海拔修正系数计算公式。

(2) 通过平原地区和高海拔地区隧道施工风管漏风率的比较，得出高海拔地区隧道施工风管漏风率约为平原地区的1.5倍，且在高海拔地区风管漏风率随风管长度增加而增大较快。

(3) 实测雀儿山隧道风机风管百米漏风率约为3%，与理论计算结果较吻合。