TBM通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算

1、.雙護(hù)盾 TBM 風(fēng)量計(jì)算1.1 TBM 通風(fēng)設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)是雙護(hù)盾TBM 施工的重要保障 ，也是長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)雙護(hù)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(yàn)及對(duì)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(guò)程中可能出現(xiàn)的情況，制定本 TBM 通風(fēng)方案 。通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)雙護(hù)盾 TBM 在整個(gè)施工過(guò)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(guò) 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(hào)名稱最高允許濃度1一氧化碳 C

2、O0.0024%2氧化氮 （換算成二氧化氮NO 2）0.00025%3二氧化硫 SO20.0005%4硫化氫 H 2S0.00066%5氨 NH30.004%（3）TBM 施工通風(fēng)應(yīng)能提供斜井內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)所需的最小風(fēng)量，每人每分鐘供給風(fēng)量不少于4m 3。（4）TBM 施工施工隧道風(fēng)速不小于0.5m/s 、.下載可編輯 .通風(fēng)設(shè)計(jì)的原則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(shí)工作的最多人數(shù)分別計(jì)算 ，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn) ，采用其中的最大值。通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)施工過(guò)程中 ，合理的通風(fēng)系統(tǒng) 、理想的通風(fēng)效果是實(shí)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(jì)的參

3、數(shù)主要有 TBM 同時(shí)施工人員 、隧道最小內(nèi)燃機(jī)功率數(shù)等 。斜井通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表序號(hào)項(xiàng)目單位參數(shù)備注1獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度 Lm32932管片內(nèi)徑m5.43斜井?dāng)嗝娣e S 斷m 222.894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)m 20.787過(guò)流面積 s 流（ s 流=S 斷-S 風(fēng)）m 221.768每一工作人員所需新鮮空氣Qnm 3/min410風(fēng)管每 100m漏風(fēng)率 P百%1.012通風(fēng)備用系數(shù) k1.213空氣密度 kg/m 31.214斷面風(fēng)速不小于 Vminm/s0.5.下載可編輯 .15斷面風(fēng)速不大于m/s4通風(fēng)方式選擇采用壓入式通風(fēng) 。在洞口 10m

4、外設(shè)軸流風(fēng)機(jī) ，通過(guò)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(jī)功率可通過(guò)理論計(jì)算來(lái)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1.2 風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒的選擇風(fēng)機(jī)的選擇（1）風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量應(yīng)滿足Q1 的要求 。（2）風(fēng)機(jī)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) )。風(fēng)筒的選擇（1 ）隧道掘進(jìn)通風(fēng)使用的風(fēng)筒分無(wú)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(wú)骨架柔性風(fēng)筒重量輕 、易于貯存 、 搬.下載可編輯 .運(yùn)、連接和懸吊 ，且成本低（2）風(fēng)筒的選擇

5、應(yīng)考慮與風(fēng)機(jī)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(jì)算當(dāng)采用 TBM 施工通風(fēng)時(shí) ，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(jī)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 后配套風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量 。針對(duì) TBM 施工過(guò)程中通風(fēng)量的計(jì)算有幾種不同的方法 ，分別為：根據(jù)同一時(shí)間 ，隧道內(nèi)工作人員所需新鮮空氣計(jì)算風(fēng)量 ；按照內(nèi)燃機(jī)功率的需求計(jì)算風(fēng)量 （由于本項(xiàng)目采用電瓶 ，無(wú)內(nèi)燃機(jī)功率需求）；采用最小斷面風(fēng)速法計(jì)算風(fēng)量 。從目前已投入的地鐵雙護(hù)盾 TB

6、M 機(jī)組的配套情況看 ，TBM 施工通風(fēng)的風(fēng)量計(jì)算基本沿用的是國(guó)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(shí)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(duì)機(jī)組的散熱和冷卻等因素專門計(jì)算 ，TBM 施工通風(fēng)系統(tǒng)的總風(fēng)量還應(yīng)滿足運(yùn)輸及其他作業(yè)要求 ，如無(wú)軌運(yùn)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(yùn)輸，因此只要滿足后配套風(fēng)機(jī)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(dú)頭掘進(jìn)的長(zhǎng)度和通風(fēng)長(zhǎng)度 ，然后才能計(jì)算工作.下載可編輯 .面風(fēng)量。風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Qj= P*Qh

7、式中 Qh- 取工作面風(fēng)量計(jì)算中各項(xiàng)之最大者。管道風(fēng)阻 R=6.5 L/d 5= /8式中 -管道摩擦阻力系數(shù) ，kg/m 3;管道達(dá)西系數(shù) ；空氣密度 ，kg/ m 3;d- 管道直徑按同時(shí)最多人數(shù)計(jì)算鐵道部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 4m 3/min, 則Q=3N式中 Q- 工作面風(fēng)量 ，m 3/min每人每分鐘供應(yīng)新鮮空氣不少于4m3。Q1=kMQn=1.2 ×4×22=288 m3/min= 4.8m3/s式中，K 為風(fēng)量備用系數(shù) ，采用 1.2；M 為同時(shí)

8、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(hào)工種人數(shù)備注1工班長(zhǎng)1.下載可編輯 .2TBM 司機(jī)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(jī)29洞內(nèi)勤務(wù)210電工211機(jī)修工212安全員113技術(shù)員114其他人員1合計(jì)22雙護(hù)盾 TBM 施工人員統(tǒng)計(jì)按允許最低風(fēng)速計(jì)算鐵路隧道施工規(guī)范 （TB10120-2002 ）規(guī)定：風(fēng)速在全斷面開挖時(shí)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

9、送至 TBM 主機(jī)區(qū)，則可設(shè)定斜井內(nèi)平均回風(fēng)風(fēng)速應(yīng)不小于 0.5m/s 的要求，則工作面風(fēng)量 ：Q2=Vmin ×S流× k=0.5×21.76× 1.2=13.05m3/s式中， Vmin 為最小斷面風(fēng)速 ，取 0.5m/s ；S 流為過(guò)流斷面面.下載可編輯 .積，取 21.76m2；k 為通風(fēng)備用系數(shù) ，取 1.2。按內(nèi)燃機(jī)功率計(jì)算本項(xiàng)目隧道掘進(jìn)采用電瓶車出渣，無(wú)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)燃機(jī)負(fù)載，但考慮實(shí)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(jī)功率為200KW 。按稀釋內(nèi)燃機(jī)排放廢氣中有害氣體濃度至許可濃度計(jì)算Q3=Q 0 W=3.0

10、 ×200=600 m3/min= 10m3/s式中： W同時(shí)在斜井內(nèi)作業(yè)的各種內(nèi)燃機(jī)的功率總和（kW ）； Q0 為每千瓦動(dòng)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(jì)算結(jié)果，取其中的最大值有Q=MAX(Q2 ，Q1+Q3)=14.8 m3/s=14.8 ÷21.760.68m/s ，滿足風(fēng)速 0.5m/s 、4m/s 的要求 。風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算由于采用獨(dú)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(tái)車與 TBM 自帶風(fēng)筒相

11、連接 ，1.2m 風(fēng)筒總長(zhǎng) 3293m 管道計(jì)算 ，TBM 自帶風(fēng)筒長(zhǎng) 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(jī)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 。.下載可編輯 .因此，風(fēng)筒漏風(fēng)量 L= 風(fēng)機(jī)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(jiǎn)直徑、風(fēng)壓等有關(guān) ，但更主要是與風(fēng)筒的維護(hù)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(jī)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(jī)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

12、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(jī)連接端風(fēng)量 ×(風(fēng)筒總長(zhǎng)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(shuō)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 ( ) 1510 3 2 1.5表 1故風(fēng)筒漏風(fēng)量計(jì)算公式 ：L=Le100 ×H/100所以風(fēng)機(jī)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

13、 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% 。.下載可編輯 .風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù) ：L11PL1 P100 1001 0.01 32.931.49風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)為 ：QjPL Q1.49 14.822.0m3 s1320.0m3 min系統(tǒng)風(fēng)壓計(jì)算根據(jù)摩擦阻力定律,風(fēng)壓 M 的計(jì)算公式為:風(fēng)壓 M= 風(fēng)阻 R×風(fēng)量 Q2實(shí)際量需要實(shí)際參數(shù)來(lái)計(jì)算 ，未得到實(shí)際參數(shù)前只能用字母表示。在得到實(shí)際參數(shù)后可代入公式算出實(shí)際量 ，再根據(jù)相應(yīng)風(fēng)機(jī)參數(shù)配置表來(lái)選擇風(fēng)機(jī) 。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(dòng)壓 ，克服

14、阻力則取決于系統(tǒng)靜壓，動(dòng)壓與靜壓之和即為系統(tǒng)需供風(fēng)壓 。動(dòng)壓計(jì)算h 動(dòng)1v 211.2 13 .09 2102 .8 ( p a )22空氣密度 ， 1.2kg/m3；末端管口風(fēng)速， v=14.8/1.13=13.09m/s（按工作面.下載可編輯 .最小風(fēng)速折算 ）風(fēng)阻計(jì)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(shí)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(hù)、風(fēng)壓大小等管理質(zhì)量密切相關(guān) ，因此，很難用相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行精確計(jì)算 ，一般都根據(jù)實(shí)測(cè)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(jì)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)

15、品參數(shù)說(shuō)明中給出 。故風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算式：R= R100 ×H100式中：R 風(fēng)筒風(fēng)阻 。R100 百米平均風(fēng)阻 ，簡(jiǎn)稱百米風(fēng)阻 。H 風(fēng)筒全長(zhǎng) ，H/100 構(gòu)成 R100 系數(shù) ;按照供風(fēng)筒直徑1.2m ，總長(zhǎng) 3293m 。摩擦阻力系數(shù)：據(jù)風(fēng)筒廠提供的技術(shù)指標(biāo)，采用 PVC增強(qiáng)塑纖布作風(fēng)筒材料，值取 0.0018Ns 2/m4 ；供風(fēng)管道的摩擦風(fēng)阻 ：R fLU0.0018 21/ 2 329315 .5 N s2 m 8S 31.13 3管道風(fēng)流沿程摩阻風(fēng)壓損失：h 摩Q j2R fP L15 .522 .025034 ( P a )1.49局部阻力 ：h 局0 . 1h 摩0

16、. 15034503.4（ p a）.下載可編輯 .系統(tǒng)靜壓 ：h靜h摩h 局5034503.45538.2（ p a ）系統(tǒng)風(fēng)壓取值 ：hh（）系統(tǒng)動(dòng)靜即風(fēng)機(jī)需要提供不低于5751.4Pa 的風(fēng)壓補(bǔ)償 ，風(fēng)量 1320m 3/min 。風(fēng)筒選擇 1.2的防靜電 、阻燃風(fēng)筒 。1.4 風(fēng)機(jī)選型目前我國(guó)隧道施工用的通風(fēng)機(jī)基本上都是國(guó)內(nèi)自行研發(fā)的專用產(chǎn)品，全部屬軸流式通風(fēng)機(jī) ，主要有三種類型 ：即單級(jí)軸流式 、雙旋軸流式和射流風(fēng)機(jī) 。對(duì)旋軸流式隧道通風(fēng)機(jī)由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸流式葉輪，且兩葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反 ，和單級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)一樣 ，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可分級(jí)調(diào)速 ，因而風(fēng)機(jī)的性能也可隨時(shí)改變 ，由

17、于對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)有兩個(gè)葉輪同時(shí)工作 ，使風(fēng)機(jī)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(jí)風(fēng)機(jī)的兩倍 。這相當(dāng)于兩臺(tái)單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)集中串聯(lián)工作 。適合使用在獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度超過(guò) 3000m 的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。本項(xiàng)目通風(fēng)機(jī)選取山西侯馬公司生產(chǎn)的（高壓隧道通風(fēng)機(jī) ） ， 型 號(hào)， 風(fēng) 量 1865m 3/min ， 全 壓 6689Pa ，電 動(dòng)機(jī)功率 2×75kW ，變頻調(diào) 速 。 滿足提 供不低 于5751.4Pa 的風(fēng)壓補(bǔ)償 ，風(fēng)量 1320m 3 /min 的隧道通風(fēng)需求 。風(fēng)機(jī)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.下載可編輯 .尾部，再通過(guò)

18、 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(jī)能耗分析在隧道施工中 ，由于通風(fēng)長(zhǎng)度不斷變化，作業(yè)工序頻繁轉(zhuǎn)換，要求通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以滿足施工要求 ，同時(shí)節(jié)約通風(fēng)系統(tǒng)的能耗 ，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益 。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的性能特點(diǎn)是 ，當(dāng)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)只有一臺(tái)工作而另外一臺(tái)斷電的情況下 ，風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量只有兩個(gè)葉輪同時(shí)工作時(shí)的 60%。而全壓只有 40%因?yàn)榇藭r(shí)兩個(gè)葉輪其實(shí)都在旋轉(zhuǎn) ，其中一個(gè)被動(dòng)葉輪是被另一個(gè)主動(dòng)葉輪產(chǎn)生的風(fēng)流所驅(qū)動(dòng) ，以風(fēng)輪機(jī)的形式消耗能量 ，使整機(jī)的效率下降 。 由此可見 ，對(duì)旋式風(fēng)機(jī)用于掘進(jìn)長(zhǎng)度較短的隧道施工是不經(jīng)濟(jì)的 。從技術(shù)上來(lái)說(shuō) ，在通風(fēng)長(zhǎng)度和風(fēng)管直徑不變的情況下 ，通過(guò)改變?nèi)~片安裝角度 、葉片數(shù)量和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速均可改變風(fēng)機(jī)的性能特性。但從實(shí)用性考慮 ，目前最普遍的方法是通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。根據(jù)葉輪機(jī)械的相似定律 ，當(dāng)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí) ，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(shí) ，風(fēng)量要求較低 。及可使