提高复杂洞室施工通风效率的措施与认识

赵 晓，王瑞凯，2，张文辉，李 斌

(1.武警水电部队三峡工程指挥部，武汉 430073;2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)

1 研究背景

随着地下开挖技术的进步，复杂洞室工程越来越多，最为典型的是地下水电站和储藏烃类物质的洞室。地下水电站因为地下厂房、主变压器室、尾水调压室、引水隧洞、尾水隧洞以及交通洞的连通使得洞室规模越来越大;储藏烃类物质以地下石油库为代表，往往包含有多组洞罐、用于注入石油的操作竖井、通风竖井、水幕巷道、连接洞、交通洞等，洞室规模大，空间结构复杂，连通状况复杂，如图1所示的某地下石油库一组洞罐的空间立体示意图。

图1 某地下石油库的空间立体示意图Fig.1 Three-dimensional diagram of an underground oil-storage cavern

洞室空间状况与连通状况复杂，给施工过程的通风带来了诸多困难与问题，主要表现在:如何提高通风效率，即在给定条件下尽可能缩短通风时间、节省能耗，保证洞室施工的空气条件;如何组织、优化风流路径，因为在洞室联通状况复杂的情况下，风流路径的辨识具有一定的难度;如何确定复杂洞室贯通情况下的流场，这是现场施工人员调整、优化通风方案的理论基础。

本文所涉及到的内容，其实是多年施工经验的认识和在某地下储油洞库建设过程的总结，对类似工程具有一定的参考价值。

2 提高通风效率的认识与措施

式中:A为隧洞断面积(m2);De为隧洞当量直径(m)。

让风筒出口距掌子面的距离，应该在公式确定的范围之内，但现场往往做不到，其原因是布置偏近时，有施工的干扰、飞石会损坏通风管等因素。但“及时、适当”是应把握的原则，如新奥法地下施工“适时支护”的原则、延长通风筒不会在围岩条件差的情况下延长支护;“及时支护”困难更大，但这种情况下的支护是必要的，且许多困难就可以克服、解决，也可以找出一套快速延长通风筒的施工程序。

2.1 延长通风筒出口的位置

对于通风来说，最重要的工程参数是“有效风流作用长度Le”。不同的国家所给出的计算公式有一定差别，如前苏联给出的公式(1)［1］与日本给出的公式(2)［2］，这些差别可认为是有效作用长度的变化范围，都是合理的。表1给出了隧洞断面积为58 m2时，通风筒出口距掌子面长度分别为40 m和80 m的情况下，隧洞工作面附近必要通风时间。根据式(1)计算出的“有效风流作用长度”为38 m。由表1可以看出，当风筒出口与工作面的距离从40 m增至80 m时，所需通风时间增长了171%，具有明显的变化。

表1 通风时间对比Table 1 Comparison of ventilation time

2.2 优化通风筒出口形式

水工建筑物的进流、泄流出口都采用渐变的形式，高压水枪为增大射流距离也有专门的出口设计［3］。通风问题是典型的有限域内的射流问题。据研究，洞内污染气体的排除，与2个重要因素有关:一是射流的扫掠面积(可视为随张角扩大的面积);二是射流与周围气体的紊动交换。其中以第一因素为主［4］。目前，尚没见到工程上改变通风筒出口的形状来具体应用的例子，其实进行该方面的优化是有意义的。文献［4］的计算表明，扩大的出口面积可以增大扫掠面积，洞内回流的流速分布更为均匀，有利于污染物的排出，从通风时间上来说，带来了约7%左右的效率提高;收缩的出口虽然不能提高效率，但对于特定的情况，比如通风筒的延长确有困难，但又确实需要增长风流作用长度、或为了消除局部区域的污染物滞留，是可以考虑加上收缩式出口的。

2.3 优化通风效率

图2是一个示意图，用来说明在风流进出口存在高差变化情况下的“烟囱效应”，隧洞内外的压差ΔP可由式(3)计算。

式中:γ1和γ2分别是隧洞外部与竖井内部的空气重度;Δh为竖井的高度;P1为隧洞进口处大气压强;P2为隧洞内部大气压强;图中P0为竖井顶部大气气体压强。

通常，洞内温度T2可视为恒温，冬天大气气温T1低，γ1＞ γ2，因此 ΔP ＞0，烟囱效应明显;夏季大气温度T1高，可能出现γ1＜γ2，此时的烟囱效应是负的。我们知道，工业烟囱很多，作用很大，而洞室施工通风中，人们往往忽略烟囱效应。正确认识、利用烟囱效应，有提高效率、节约能源的益处，如冬天利用烟囱效应，可提高通风效率，减小通风时间，或者降低通风功率，节约电力;夏天则需要适当提高通风功率。

图2 烟囱效应示意图Fig.2 Chimney effect

鉴于冬天外部气温低于洞内，所以，ΔP为正值，这可视为冬天所附加的额外动力，也是烟囱效应的驱动力。根据现场施工检验，在掌子面附近，冬天通风时间约＜10 min，而夏天则需30 min左右;就整个洞室而言，冬天通风时间约需2～3 h，但夏天则需要近乎10 h，可见冬天和夏天的通风效率差别较大，因此，地下洞室施工时，可利用洞室内外的温差提高通风效率与节约能源。

另外需要注意:夏天空气湿度大，山体内地下水位高，洞壁渗水现象增多，由洞壁带来的附加蒸发量会大大增加，如果同时洞内积水现象严重，加上烟囱效应的减弱或负效应，会使洞内水汽浓度增大，这很不利于污染气体的排除，因此，及时清理洞内积水，也是改善洞内空气质量的有效措施，应引起注意。

2.4 增加连接巷道

洞室长度增长，洞与洞之间的连接状况复杂时，风流路径会变得复杂，给通风带来困难，可表现在不同洞室之间的污染气体排除效率不同，如本工程平行的主洞罐之间，有的污染气体已经完全排除干净，有的洞罐污染气体浓度还比较大;或者是，局部区段出现漩涡和死角，导致污染气体排除不畅。综合考虑施工期的长短，经过经济比较，可在适当地段增加连接巷道，增加通风路径。如图1中所示在主洞室A末端增加了与主洞B的连接巷道，图3为有无该连接巷道情况下，通风6 250 s后，地下洞室中CO浓度分布比较，其中图3(a)中可以看到明显的有害气体滞留，而图3(b)则没有，因此，连接巷道的增加，彻底解决了主洞室B中原本存在的有害气体滞留的问题，这是解决通风问题的良好措施，仅仅增加少量的工程投资，但是综合效益巨大。

2.5 优化风流路径

图3 通风6 250 s后CO浓度分布Fig.3 Distribution of CO concentration after ventilation for 6 250s

污染气体能以较高的效率排出，必须要保持一定的风流流速，这是关键，所以规范中有所谓的最小风速的限制［5］。随着洞室贯通情况的复杂化，污染气体可能扩散至更多的孔道，原来设定的风流路径内的流速就会降低，这样，污染气体的排除时间不但要增长，而且有可能导致某些隧洞内污染气体的积聚，由此可知，并不是连接通道越多效果就越好，可利用风帘将巷道与相邻巷道隔绝，使巷道内风流集中，这要根据实际情况予以判断。图4是一个说明该情况的实际例子，当用风帘将连接巷道堵塞以后，通风效率有了明显的提高，杜绝了风流分散到相邻巷道，使得有害气体集中从通风竖井排除。

图4 风帘示意图Fig.4 Air brattice

2.6 通风筒位置布置

通风筒的位置，有布置于隧洞顶部的，有布置于侧壁，或者布置于角落，基本上以布置方便为原则，这些位置基本上都是可以的。但从提高通风效率讲，应使通风射流尽可能晚地接触到洞壁，也就是说要使出流的扫掠半径(射流中心距离射流锥面的距离，即锥底半径)最大，其道理存在于如下2方面:一是扫掠面积大的效果好(见本文2.2节的说明);另一方面，扫掠半径大，使得通风风流接角边壁较晚，因而通风自出流口出风到受到边壁的约束作用时间较长，有效风流长度Le会有一定程度的增大，从日本给出的有效风流长度可以充分看出这一点，如图5所示，风筒放置在不同位置，根据式(4)至式(6)［2］，Le有所不同。

风管安装位置在隧道中央时

风管安装位置在隧道拱顶中央时

风管安装位置在隧道下拐角处时

图5 风筒布置示意图Fig.5 Arrangement of air duct

2.7 数值模拟手段

利用数值计算来预先模拟通风效果是一个很有效的手段［6－10］，可以对通风设计予以评估、优化，特别是在额外增加通风洞、通风竖井时，来预先模拟其必要性并优化位置，这具有显著的经济效益。数值模拟可以获得较多有价值的成果:如复杂洞室连通情况下的风流路径，因为多点通风、连通洞复杂，不能确切知晓风流方向、风流路径，甚至有的风流方向与预想的相反，如设想的是出流，实际上可能是入流，而数值流场分析可以很直观地知道流向，即可实现风流路径的可视化;数值模拟可以计算出所需的通风时间，为施工环节的安排(如放炮后何时出渣)提供理论依据;数值模拟可以计算出不同通风口的污染物排出量，从而为有目的地控制不同路径的污染物排出量提供数值依据，如有时为改善司机以及相关施工、通勤人员的空气环境质量不允许交通洞内排出过多的污染气体;数值模拟还可以发现何处存在污染气体滞留区，为临时布置小型风机、清除滞留区污染气体提供依据。通风实践证明，数值模拟方法确实是很有用的工具。

2.8 优化通风机位置

在水平施工洞与通风竖井相交之后，对于压入式通风，随着隧洞掘进长度的进一步增加，通风机的位置可以放置于竖井处的地面，也可以放在井底，各有优缺点。放在地面，可改善洞内施工环境，如避免噪音，便于维修，但通风筒长度会增加;如将通风机设置在井底，则可以矛在采用封闭措施后，直接利用竖井吸入新鲜空气，就可以减少通风筒的长度，减少沿程漏风损失。但是由于通风机在井底，位于施工巷道内在交通要道顶部，将导致洞内噪声超限，同时不便于通风机的管理维护。在以上情况下，要经过详细技术经济比较，才能确定最优方案。对于通风机放在洞内的情形，要特别注意污染气体循环卷吸的情况发生，避免通风效率的降低。

2.9 加强通风筒布的管理

在接近施工掌子面的地方，由于难以避免爆破飞石的打击，通风筒布容易被击穿，这些击穿的孔洞，大小不一，除较为明显的孔洞外，小孔洞往往不被人们重视，随着通风管道的延长，这些孔洞的漏风量影响很大，所以，在延伸通风布的时候，及时修补已经击穿的孔洞是很必要，必须引起重视;通风管连接处、特别是分叉连接处，也往往是漏风量最为集中的地方，管理人员在现场巡察时，要重点关注这些地方。

3 结语

本文结合多年的工程管理经验，总结了几条提高通风效率的措施和认识。工程各有不同，都有自己的特点，但本文抽象出的几条经验具有一定的通用性，对于压入式通风的布置、优化有一定的参考意义。特别是对加快排除有害气体的速度、提高通风效率、节约能源几方面有一定的指导意义。

(1)风流作用长度，掌子面要尽可能布置在有效风流作用长度之内。

(2)尽可能利用季节温差，提高通风效率、动态调整通风时间;要能够及时做到利用随时变化的内外温差来优化通风，则有较大的节能潜力。

(3)不同通风方案的选定、优化问题，可事先对拟定的每一种方案进行数值仿真，仿真结果可动态显示通风过程、风流路径、通风时间、有害气体排除量、是否存在有害气体滞留区、以及低风速区域等，现代通风设计要善于利用数值仿真工具。

(4)管理方面的问题，主要是要注意对通风设施的维护。

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