TBM通風(fēng)系統(tǒng)計算

1、雙護盾TBM風(fēng)量計算1.1 TBM通風(fēng)設(shè)計隧道通風(fēng)是雙護盾TBM施工的重要保障，也是長距離地鐵施工安全的關(guān)鍵。合理的通風(fēng)系統(tǒng)、理想的通風(fēng)效果是實現(xiàn)雙護盾TBM快速掘進(jìn)、保障施工安全和施工人員身心健康的重要保證。根據(jù)以往城市地鐵隧道TBM通風(fēng)經(jīng)驗及對當(dāng)前通風(fēng)設(shè)備技性能的調(diào)研結(jié)果，綜合考慮施工過程中可能出現(xiàn)的情況，制定本TBM通風(fēng)方案。雙護盾TBM在整個施工過程中，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列標(biāo)準(zhǔn)：（1）斜井進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不低于20%，二氧化碳濃度不超過0.5%。（2）有害氣體最高容許濃度如下表：隧道有害氣體最高允許濃度表序號名稱最高允許濃度1一氧化碳CO0.0024%2氧化氮（換算成二氧化氮NO2）0

2、.00025%3二氧化硫SO20.0005%4硫化氫H2S0.00066%5氨NH30.004%（3）TBM施工通風(fēng)應(yīng)能提供斜井內(nèi)各項作業(yè)所需的最小風(fēng)量，每人每分鐘供給風(fēng)量不少于4m3。（4）TBM施工施工隧道風(fēng)速不小于m/s、TBM隧道需要的風(fēng)量，按照施工隧道最小通風(fēng)風(fēng)速、同時工作的最多人數(shù)分別計算，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗，采用其中的最大值。施工過程中，合理的通風(fēng)系統(tǒng)、理想的通風(fēng)效果是實現(xiàn)隧道快速施工、保障施工安全和施工人員身心健康的重要保證。隧道通風(fēng)設(shè)計的參數(shù)主要有TBM同時施工人員、隧道最小內(nèi)燃機功率數(shù)等。斜井通風(fēng)設(shè)計參數(shù)一覽表序號項 目單位參數(shù)備注1獨頭通風(fēng)長度Lm32932管片內(nèi)徑m3

3、斜井?dāng)嗝娣eS斷m²4斜井內(nèi)最多工作人數(shù)M人305風(fēng)筒直徑Dm1.26風(fēng)筒面積S風(fēng)m²7過流面積s流（s流=S斷-S風(fēng)）m²21.768每一工作人員所需新鮮空氣Qnm³/min410風(fēng)管每100m漏風(fēng)率P百%12通風(fēng)備用系數(shù)k13空氣密度kg/m³14斷面風(fēng)速不小于Vminm/s15斷面風(fēng)速不大于m/s4采用壓入式通風(fēng)。在洞口10m外設(shè)軸流風(fēng)機，通過風(fēng)筒將新鮮空氣送到TBM后配套尾部，然后由TBM設(shè)備上配備的二次接力通風(fēng)系統(tǒng)完成通風(fēng)作業(yè)。具體的斷面風(fēng)速、風(fēng)機功率可通過理論計算來確定，保證隧道斷面風(fēng)速不小于0.5m/s要求。TBM通風(fēng)布置示意圖如下

4、1.2 風(fēng)機和風(fēng)筒的選擇（1）風(fēng)機的工作風(fēng)量應(yīng)滿足 Q1 的要求。（2）風(fēng)機的工作風(fēng)壓應(yīng)滿足M的要求，但不宜大于風(fēng)筒的允許工作壓力(風(fēng)筒出廠參數(shù))。（1）隧道掘進(jìn)通風(fēng)使用的風(fēng)筒分無骨架柔性風(fēng)筒、 帶剛性骨架的柔性風(fēng)筒和硬質(zhì)風(fēng)筒。無骨架柔性風(fēng)筒重量輕、易于貯存、 搬運、連接和懸吊，且成本低（2）風(fēng)筒的選擇應(yīng)考慮與風(fēng)機的出口直徑相匹配（3）在其他條件相差不多的情況下，應(yīng)選擇百米風(fēng)阻小，百米漏風(fēng)率低的風(fēng)筒。1.3 TBM通風(fēng)計算當(dāng)采用TBM施工通風(fēng)時，工作面要求的風(fēng)量除應(yīng)滿足排塵風(fēng)速要求外，還應(yīng)滿足TBM機組設(shè)備散熱、冷卻、人員舒適性的要求。一般情況下，通風(fēng)系統(tǒng)供給TBM工作面的風(fēng)量應(yīng)不低于TBM后

5、配套風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量。針對TBM施工過程中通風(fēng)量的計算有幾種不同的方法，分別為：根據(jù)同一時間，隧道內(nèi)工作人員所需新鮮空氣計算風(fēng)量；按照內(nèi)燃機功率的需求計算風(fēng)量（由于本項目采用電瓶，無內(nèi)燃機功率需求）；采用最小斷面風(fēng)速法計算風(fēng)量。從目前已投入的地鐵雙護盾TBM機組的配套情況看，TBM施工通風(fēng)的風(fēng)量計算基本沿用的是國外標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)建筑工業(yè)中隧道開挖作業(yè)安全實用規(guī)程（BS6164-2001），按最低風(fēng)速0.5 m/s考慮。特殊情況下，應(yīng)對機組的散熱和冷卻等因素專門計算，TBM施工通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量還應(yīng)滿足運輸及其他作業(yè)要求，如無軌運輸出渣，則需風(fēng)量更大。由于本TBM施工距離較短（3公里），為有軌運輸，因

6、此只要滿足后配套風(fēng)機的風(fēng)量后，其他條件也能滿足。確定通風(fēng)方式常常是確定施工方案一起進(jìn)行的。在確定了施工方案以后，才能確定獨頭掘進(jìn)的長度和通風(fēng)長度，然后才能計算工作面風(fēng)量。風(fēng)機供風(fēng)量 Qj=P*Qh式中Qh-取工作面風(fēng)量計算中各項之最大者。L/d5 =/8式中-管道摩擦阻力系數(shù)，kg/m3; 管道達(dá)西系數(shù)；空氣密度，kg/ m3;d-管道直徑鐵道部2008年發(fā)布的鐵路隧道施工技術(shù)指南規(guī)范（TZ204-2008）和交通部最新發(fā)布的公路隧道施工技術(shù)規(guī)定均規(guī)定，每人供應(yīng)新鮮空氣為4m3/min,則Q=3N式中 Q-工作面風(fēng)量，m3/min每人每分鐘供應(yīng)新鮮空氣不少于4m³。Q1=kMQn=1

7、.2×4×22=288m³/min=m³/s式中，K為風(fēng)量備用系數(shù)，采用1.2；M為同時在斜井內(nèi)工作人數(shù)取22人；Qn為每一工作人員所需新鮮空氣，取4m³/minN-隧道內(nèi)最多人數(shù)序號工種人數(shù)備注1工班長12TBM司機13拼裝手15管片拼裝施工人員36注漿工37豆礫石噴射工28電瓶車司機29洞內(nèi)勤務(wù)210電工211機修工212安全員113技術(shù)員114其他人員1合計22雙護盾TBM施工人員統(tǒng)計鐵路隧道施工規(guī)范（TB10120-2002）規(guī)定：風(fēng)速在全斷面開挖時不小于0.15m/s,坑道內(nèi)不小于0.25 m/s，但均不應(yīng)大于4m/s?？紤]隧道內(nèi)人員

8、作業(yè)環(huán)境、隧道TBM施工等要求，由于是采用壓入式通風(fēng)，新鮮風(fēng)直接送至TBM主機區(qū)，則可設(shè)定斜井內(nèi)平均回風(fēng)風(fēng)速應(yīng)不小于m/s的要求，則工作面風(fēng)量：Q2=Vmin×S流×k=×21.76×1.2=13.05m³/s式中，Vmin為最小斷面風(fēng)速，取m/s；S流為過流斷面面積，取21.76m²；k為通風(fēng)備用系數(shù)，取1.2。本項目隧道掘進(jìn)采用電瓶車出渣，無長時間內(nèi)燃機負(fù)載，但考慮實際施工排水及照明需要，TBM在后配套拖車尾部配備了應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)，柴油機功率為200KW。按稀釋內(nèi)燃機排放廢氣中有害氣體濃度至許可濃度計算Q3=Q0W=3.0×

9、;200=600m³/min=10m³/s式中：W同時在斜井內(nèi)作業(yè)的各種內(nèi)燃機的功率總和（kW）；Q0為每千瓦動力的空氣需求量，取3m³/min·kW則工作面風(fēng)量Q=A式中 Q-工作面風(fēng)量，m3/min；-允許最低風(fēng)速，m/s;開挖斷面積，m2根據(jù)上述計算結(jié)果，取其中的最大值有Q=MAX(Q2，Q1+Q3)=14.8m³/s=÷21.760.68m/s，滿足風(fēng)速0.5m/s、4m/s的要求。 風(fēng)機供風(fēng)量計算由于采用獨頭壓入式通風(fēng)，按照供風(fēng)筒直徑1.2m，供風(fēng)到TBM最后一節(jié)臺車與TBM自帶風(fēng)筒相連接，1.2m風(fēng)筒總長3293m管道計算

10、，TBM自帶風(fēng)筒長130m。由于柔性風(fēng)筒接口處以及本身材質(zhì)容易漏風(fēng)。漏風(fēng)使風(fēng)筒和風(fēng)機連接端的風(fēng)量與風(fēng)筒靠近出口端的風(fēng)量(即隧道內(nèi)所需風(fēng)量)不等。因此，風(fēng)筒漏風(fēng)量L=風(fēng)機連接端風(fēng)量風(fēng)筒出口風(fēng)量。漏風(fēng)量與風(fēng)筒的種類、接頭的數(shù)目、方法和管理質(zhì)量以及風(fēng)簡直徑、風(fēng)壓等有關(guān)，但更主要是與風(fēng)筒的維護和管理密切相關(guān)。反映風(fēng)筒漏風(fēng)程度的指標(biāo)參數(shù)有：風(fēng)筒漏風(fēng)率Le：風(fēng)筒漏風(fēng)量占風(fēng)機工作風(fēng)量的百分?jǐn)?shù)，即：風(fēng)筒漏風(fēng)率Le=風(fēng)筒漏風(fēng)量L/風(fēng)機連接端風(fēng)量×100Le 雖然能反映某一風(fēng)筒的漏風(fēng)情況，但不能作為比較的指標(biāo)。故常用百米漏風(fēng)率Le100 表示 ：百米漏風(fēng)率Le100=風(fēng)筒漏風(fēng)量 L風(fēng)機連接端風(fēng)量

11、5;(風(fēng)筒總長H100)×100其中：H/100構(gòu)成Le100系數(shù)風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率由風(fēng)筒生產(chǎn)廠家在出廠產(chǎn)品的參數(shù)說明中給出。一般要求柔性風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率應(yīng)達(dá)到表1要求。柔性風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率通風(fēng)距離小于200200-500500-10001000-20002000以上 Le100 ()151032表1故風(fēng)筒漏風(fēng)量計算公式：L=Le100×H/100所以風(fēng)機供風(fēng)風(fēng)量Q1=所需風(fēng)量Q風(fēng)筒漏風(fēng)量L取1m風(fēng)筒平均每百m漏風(fēng)率P100=1.0%，取TBM設(shè)備風(fēng)筒平均每百m漏風(fēng)率P100=1.0%。風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)：風(fēng)機供風(fēng)量應(yīng)為：系統(tǒng)風(fēng)壓計算根據(jù)摩擦阻力定律 ,風(fēng)壓 M 的計算公式為 :風(fēng)

12、壓M=風(fēng)阻R×風(fēng)量Q2實際量需要實際參數(shù)來計算，未得到實際參數(shù)前只能用字母表示。在得到實際參數(shù)后可代入公式算出實際量，再根據(jù)相應(yīng)風(fēng)機參數(shù)配置表來選擇風(fēng)機。例如表2表2從理論上講，通風(fēng)系統(tǒng)克服通風(fēng)阻力后在風(fēng)筒末端風(fēng)流具有一定的動壓，克服阻力則取決于系統(tǒng)靜壓，動壓與靜壓之和即為系統(tǒng)需供風(fēng)壓。動壓計算空氣密度，1.2kg/m³；末端管口風(fēng)速，v=14.8/=13.09m/s（按工作面最小風(fēng)速折算）計算風(fēng)筒的風(fēng)阻理論上包括風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻、接頭風(fēng)阻、彎頭風(fēng)阻、風(fēng)筒出口風(fēng)阻。但在實際應(yīng)用中，風(fēng)筒風(fēng)阻除與上述因素有關(guān)外，還與風(fēng)筒的吊掛、維護、風(fēng)壓大小等管理質(zhì)量密切相關(guān)，因此，很難用相應(yīng)的

13、計算公式進(jìn)行精確計算，一般都根據(jù)實測風(fēng)筒百米平均風(fēng)阻作為衡量風(fēng)筒管理質(zhì)量和設(shè)計的數(shù)據(jù)。其百米平均風(fēng)阻R100 由風(fēng)筒生產(chǎn)廠家在出廠產(chǎn)品參數(shù)說明中給出。故風(fēng)筒風(fēng)阻計算式：R= R100×H100式中：R風(fēng)筒風(fēng)阻。R100百米平均風(fēng)阻，簡稱百米風(fēng)阻。H風(fēng)筒全長，H/100構(gòu)成R100系數(shù);按照供風(fēng)筒直徑1.2m，總長3293m。Ns2/m4；供風(fēng)管道的摩擦風(fēng)阻：管道風(fēng)流沿程摩阻風(fēng)壓損失：局部阻力：系統(tǒng)靜壓：系統(tǒng)風(fēng)壓取值：即風(fēng)機需要提供不低于Pa的風(fēng)壓補償，風(fēng)量1320m³/min。風(fēng)筒選擇的防靜電、阻燃風(fēng)筒。1.4 風(fēng)機選型目前我國隧道施工用的通風(fēng)機基本上都是國內(nèi)自行研發(fā)的專用

14、產(chǎn)品，全部屬軸流式通風(fēng)機，主要有三種類型：即單級軸流式、雙旋軸流式和射流風(fēng)機。對旋軸流式隧道通風(fēng)機由兩臺電動機分別驅(qū)動兩個軸流式葉輪，且兩葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，和單級軸流式通風(fēng)機一樣，兩個電動機轉(zhuǎn)速可分級調(diào)速，因而風(fēng)機的性能也可隨時改變，由于對旋式通風(fēng)機有兩個葉輪同時工作，使風(fēng)機在流量相同的條件下，產(chǎn)生的全壓可以接近同直徑同轉(zhuǎn)速單級風(fēng)機的兩倍。這相當(dāng)于兩臺單級軸流風(fēng)機集中串聯(lián)工作。適合使用在獨頭通風(fēng)長度超過3000m的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。 本項目通風(fēng)機選取山西侯馬公司生產(chǎn)的（高壓隧道通風(fēng)機），型號/50Hz，風(fēng)量1865m3/min，全壓6689Pa，電動機功率2×75kW，變頻調(diào)速。滿足提供

15、不低于Pa的風(fēng)壓補償，風(fēng)量1320m3/min的隧道通風(fēng)需求。風(fēng)機安裝在隧道始發(fā)井口，配合直徑1.2m風(fēng)筒將新鮮風(fēng)送至TBM后配套尾部，再通過TBM二次通風(fēng)系統(tǒng)串聯(lián)接力完成斜井范圍內(nèi)的通風(fēng)。1.5 風(fēng)機能耗分析在隧道施工中，由于通風(fēng)長度不斷變化，作業(yè)工序頻繁轉(zhuǎn)換，要求通風(fēng)機的供風(fēng)量能實時調(diào)節(jié)以滿足施工要求，同時節(jié)約通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，提高綜合經(jīng)濟效益。 對旋式軸流通風(fēng)機的性能特點是，當(dāng)對旋風(fēng)機的兩臺電動機只有一臺工作而另外一臺斷電的情況下，風(fēng)機的供風(fēng)量只有兩個葉輪同時工作時的60%。而全壓只有40%因為此時兩個葉輪其實都在旋轉(zhuǎn)，其中一個被動葉輪是被另一個主動葉輪產(chǎn)生的風(fēng)流所驅(qū)動，以風(fēng)輪機的形式消耗

16、能量，使整機的效率下降。由此可見，對旋式風(fēng)機用于掘進(jìn)長度較短的隧道施工是不經(jīng)濟的。從技術(shù)上來說，在通風(fēng)長度和風(fēng)管直徑不變的情況下，通過改變?nèi)~片安裝角度、葉片數(shù)量和電動機的轉(zhuǎn)速均可改變風(fēng)機的性能特性。但從實用性考慮，目前最普遍的方法是通過改變電機的轉(zhuǎn)速來改變通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)葉輪機械的相似定律，當(dāng)通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化時，其流量、全壓、功率將分別按一次方、二次方。三次方的規(guī)律變化。由此不難看出，在非排煙出渣隧道時，風(fēng)量要求較低。及可使風(fēng)機在較低轉(zhuǎn)速下運行，風(fēng)量減少，使用功率降低則更加顯著，因而可獲得顯著的節(jié)能效果。通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能的另一種途徑是使用較大的直徑的通風(fēng)管道，這實際上是改變管道的阻力特性，使之更加平坦，使系統(tǒng)工況點向低風(fēng)阻方向移動，從而降低電動機的使用功率。在長大隧道施工中，使用較大直徑通風(fēng)管道和可改變轉(zhuǎn)速的通風(fēng)機是降低能耗，節(jié)約通風(fēng)費用的主要技術(shù)手段，因此本項目采用通風(fēng)管徑為1200mm,風(fēng)機是可調(diào)轉(zhuǎn)速的雙旋轉(zhuǎn)式軸流風(fēng)機。1.6 隧道除塵分析在施工過程中產(chǎn)生的煙塵。巖塵微粒、水泥和混凝土微粒等統(tǒng)稱粉塵。除塵研究的直接對象時懸浮在空氣中的粉塵，因此一般所指的粉塵就是這種狀態(tài)下的微塵。呼吸性粉塵主要指粒徑在5m以下的微細(xì)塵粒，具