0 引言
在长距离施工隧道独头压入式通风中,由于作业环境恶劣、接头密闭性差等因素导致通风管出现不同程度的漏风现象,影响通风效果,威胁着施工人员的健康。 合理地计算特定工况下的风管漏风量,有助于及时调整风机工作参数,保证通风效率。
部分学者对通风管漏风现象及接力风机进行了相关研究。 谭信荣等[1]通过现场测试,发现风管漏风率对通风效果的影响仅次于隧道断面面积。 王晓亮[2]通过理论分析和现场测试得到不同风压与需风量下的百米漏风率计算公式。 李琦等[3] 基于流体力学理论分析了海拔对隧道风管漏风率的影响程度,并推导出高海拔地区风管漏风率修正系数。 李科祥等[4] 通过现场实测的方法提出了一系列减小风管漏风率的措施。 陈湛文等[5] 采用理论计算和数值模拟推导了风管漏风率的开孔面积修正系数计算公式。 曾艳华等[6] 通过试验测试和理论分析提出一种考虑静压差和风量沿程变化影响的漏风率计算方法。 王岑真[7]结合玉磨铁路巴罗二号隧道斜井工区洞内通风设计施工情况,分析得出为了保证通风效果必须有足够风压的结论,因此采用风机接力的方式进行增压。 周水强[8]对压入式通风和风仓接力式通风的 CO 浓度分布进行了数值分析,结果表明风仓接力式通风可有效提高通风效率。 黄炜焱[9] 通过实测数据发现接力送风的缺陷,改进提出一种可靠有效的小直径长距离泥水平衡盾构接力送风技术。 张恒等[10] 对特长隧道风仓接力式通风关键参数及其效果进行了研究。 辛国平[11]从风机选型、斜井分隔高度等方面对长大隧道分隔巷道与风管联合通风技术进行了研究。 由于影响通风管漏风的因素众多,上述对于漏风的研究均未能将各种因素同时考虑全面,仅适用于特定通风场景,且仅考虑特定通风场景下的接力风机应用。 因此,应结合多种漏风因素对长距离隧道接力风机的安装位置进行研究。
本文首先建立风管沿程漏风率、漏风量计算公式,并运用 Python 编程开发风管沿程漏风率计算程序,以提高计算效率;然后,与常规漏风计算公式对比验证其先进性;最后,结合理论计算结果确定合武高铁隧道实际通风工程中接力风机的安装位置,以期研究结果为长距离施工隧道独头压入式通风方案提供参考。
1 风管沿程漏风率计算公式
将风管分为多个单元段,并根据伯努利方程[12]、能量守恒方程[13-14] 建立相邻 2 个单元段间的等量关系,以求得相对更加准确的漏风率计算公式。 风管能量守恒计算示意如图 1 所示。 图中: Qn-1 、Qn 分别为第 n-1 段、第 n 段风管内的风量; Ej,n-1 和 Ed,n-1 分别为第 n-1 段的静压能和动压能; Ej,n 和 Ed,n 分别为第 n段的静压能和动压能; Qn′-1为第 n-1 段到第 n 段的风管漏风量; ΔEn-1—n 为第 n-1 段到第 n 段的流动能量损失,包括摩擦阻力 fn 和局部阻力 fm 2 种阻力损失。
图 1 风管能量守恒计算示意图
根据图 1 可建立风管相邻单元段间的能量守恒方程,如式(1)—(3)所示。
式(2)—(3)中: Rm , n -1 为比摩阻,Pa·m-1; L 为风管均等分段长度,m; ξn -1 为空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数; ρ 为空气密度, kg / m3; v′n -1为第 n - 1956段与第 n 段之间漏风口的流速,m3/ s; λ 为摩擦因数; D 为管径,m; vn -1 为风管第 n-1 段的计算断面流速,m3/ s。空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数与风管内相邻断面间风速大小密切相关,其具体取值可根据表1 通过插值法求得。
表 1 空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数 ξ 取值
根据风管漏风率的定义得到第 i(i = 1,2,…,n)段风管漏风率 ηi 的计算公式如式(4)所示[15]。
结合式(4)—(7)得到第 i( i = 1,2,…,n)段风管漏风率
式(4)—(8)中: ηi 为第 i 段风管漏风率,%; Qi 为第 i段风管入口风量,第 1 段风管风量 Q1 即为风机初始风量,m3·s-1; Qi′为第 i 段风管的漏风量; μ 为孔口的流量系数; A0 为孔口面积,m2; pj 为风流静压,Pa; pi为第 i 段风管内气体全压,Pa,其为前 1 段风管内的全压减去沿程阻力和局部阻力,第 1 段风管全压 p1 即为风机初始风压。其中,第 i 段风管内气体全压
进一步地:
由于相邻 2 段风管间的风压存在相互影响,且各管段的漏风量与该段的平均风压直接相关,前段漏掉的风量会降低该段风压,因此,在实际计算过程中需要结合相邻 2 段间的风压不断迭代,最后求和。 将风管分为 n 段,其中单元段的序号从出口处至入口处依次递增,如图 2 所示。
图 2 风管沿程漏风率计算示意图
第 i 段风管的漏风量
第 i+1 段风管的入口风量即第 i 段风管的出口风量
整段风管的总漏风率
由于计算过程涉及多次迭代,尤其当风管过长时,人工计算不仅效率低,而且容易出现错误,为此,使用Python 开发风管沿程漏风率计算程序,以提高计算效率,避免出错。
2 理论计算公式先进性分析
常规漏风计算方法最终得到的数据以风管漏风率和风机供风量为主,因此选择不同的计算方法对风管漏风率和风机供风量计算结果进行对比,进而评价本文提出的风管沿程漏风率、漏风量计算公式的先进性。
2. 1 总漏风率
在相同的供风条件下,分别采用本文的风管沿程漏风率计算公式、秦岭公式[16]、基于静压变化的风管漏风率计算公式[17]进行漏风率计算,并对计算结果进行对比分析,相关计算参数假定如表 2 所示。
表 2 计算参数假定
图 3 示出采用上述各公式计算得到的漏风率结果。 由于施工通风是一个动态的过程,各项数据会随着距离的增加不断变化,故尽可能延长通风距离以增强对比结果的差异性。
图 3 风管总漏风率计算结果对比
由图 3 可知:
1)当通风距离为 300 ~ 1500m 时,基于静压变化的风管漏风率计算方法与秦岭公式计算得到的风管总漏风率基本一致,最大可达到 15%左右。 但随着通风距离的增长,2 种计算方法的差异性逐渐体现出来,当通风距离达到 3 000 m 时,2 种计算方法得到的风管总漏风率分别为 32. 06%、30. 58%。 这是由于秦岭公式将漏风系数理想化处理为一个常数,并没有综合考虑风管内部风量及静压变化规律。 当通风距离为 300 ~1500m 时,风管内部静压较大,沿程损失可近似忽略;当通风距离超过 1500m 时,风管静压与沿程损失的比值不断缩小,此时,充分考虑静压变化得到的漏风
率才更加精确。
2)在通风距离为 300 ~ 3 000 m 时,采用本文提出的风管沿程漏风率计算公式得到的风管总漏风率均高于另外 2 种计算方法。 当通风距离为 300m 时,风管总漏风率为 3. 85%,较基于静压变化的风管漏风率计算方法高出 0. 87%;当通风距离为 1 500 m 时,风管总漏风率计算结果差距最大,本文提出的风管沿程漏风率计算公式计算结果比秦岭公式高 2. 81%,但随着通风距离的增加,风管沿程漏风率计算结果与其他计算方法的计算结果差距不断减小; 当通风距离为 3000m 时,3 种方法计算得到的风管总漏风率分别为33. 30%、32. 06%、30. 58%。 由于基于静压变化的风管漏风率计算方法没有考虑漏风孔,故得到的风管漏风率整体小于本文提出的风管沿程漏风率计算结果。 当通风距离增加到一定值后,风管内静压明显降低,导致单元段漏风量减小,因此当通风距离超过 1500m 时,采用本文提出的风管沿程漏风率计算方法得到的风管漏风率与其他计算方法得到的风管漏风率差距不断减小。
2. 2 风机供风量
根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》[18] 中对漏风率的规定,隧道压入式风管的百米平均漏风率不宜大于 1%,故假定风管的百米漏风率为 1%,且安装条件相同,掌子面需风量为 40 m3·s-1,分别采用本文提出的风管沿程漏风量计算公式、沃洛宁计算公式[19]、日本高木英夫计算公式[20]确定风机供风量。 图 4 示出采用各公式计算得到的风机供风量计算结果。
图 4 风机供风量计算结果对比
由图 4 可知:
1)在通风距离为 300 ~ 3000 m 时,采用日本高木英夫公式计算得到的风机供风量最小,且随着通风距离的增长,其与另外 2 种计算方法得到的风机供风量差距逐渐增大;当通风距离为 3000 m 时,采用本文提出的风管沿程漏风量计算公式、沃洛宁计算公式及日本高木英夫计算公式计算得出的风机供风量分别为60、57. 60、54. 07 m3·s-1。 由于高木英夫公式所取的百米漏风率是一个常数,无法真实反映风管内的漏风变化规律,且该值仅为主观估值或规范规定,未考虑施工现场的通风条件,故计算得到的风机供风量仅供参考,与实际工程贴合度较低。
2)在通风距离为300~600m时,沃洛宁公式与本文提出的风管沿程漏风量计算公式得到的风机供风量基本一致;当通风距离为600m时,所需供风量分别为 43.26、43.33 m’·s;当通风距离达到3000 m 时采用本文提出的风管沿程漏风量计算公式得到的风机供风量比沃洛宁公式大2.4m’·s。由于沃洛宁计算公式对漏风的考虑主要在风管接头处,但接头处漏风普遍较小,且漏风系数根据具体漏风情况的不同会有所差异,取常数进行计算显然不够合理,所以整体供风量计算结果偏小。
综上所述,对于风管总漏风率或风机供风量的计算,传统的计算方法均随着通风距离的增长逐渐体现出不足,而本文提出的风管沿程漏风率、漏风量计算公式由于综合考虑了风管内风压、风量的逐段变化情况,无论通风距离如何变化,都能够较好地计算不同工况下的漏风数据。
3 接力风机安装位置分析
当需要增加静压时,可采用多台风机串联的方式,此时通过管路的总风量( 漏风量与掌子面需风量之和) 等于风管入口处的轴流风机风量,所有风机的工作风压之和等于所需要克服的管路总阻力和出口处的动压。 接力风机通风示意如图 5所示。
3. 1 依托工程
合武高铁隧道Ⅰ号斜井工区大里程侧采用压入式通风,掌子面所需新鲜风流通过斜井洞口的压入式轴流风机压入,最长独头通风区段长达 3658 m。 该工区通风示意如图 6 所示。
图 5 接力风机通风示意图
图 6 合武高铁隧道Ⅰ号斜井工区大里程侧通风示意图
3. 2 安装位置确定
当风管管径较小时,由于沿程阻力损失大,入口处轴流风机所提供的风压不足以支持风管内风流继续流向风管出口,此时,考虑在入口风量大于掌子面需风量且风压无法将剩余风量继续推向出口的前一段增设接力风机,以完成通风。一般出风口风速不大于 15 m / s,需风量确定的情况下,风速与风带直径的 2 次方成反比,通常采用大直径风带、相对较低的出口风速,可以降低能耗。 因此,计算不同管径下通风时所需的风量、风压值时,分别采用表 3 中对应风机型号的工作压力与风量作为独头风机的压力与风量。
表 3 不同管径通风风机风量及风压
将风管分为 37 段,其中,前 36 段每段长 100 m,各段开孔面积为 0. 02 m2; 第 37 段长 58 m,不设漏风孔。 运用本文提出的风管沿程漏风率计算公式计算不同管径(1. 5、1. 8、2. 0 m)下风流进入各单元段时的入口风量及风压,结果如表 4 所示。
表 4 不同管径下通风单元段入口风量与风压
由表 4 可知:
1) 随着通风距离的增长,风管内的全压不断减小。 当管径为 1. 5 m 时,风流在流入第 23 段前剩余风量 32. 95 m3·s-1,剩余全压 231. 18 Pa,导致出口处风速难以满足通风需求,故在通风 2200 m 处增设接力风机继续通风。
2)当管径为 1. 8 m 时,风流在流入第 21 段前剩余风量 50. 73 m3·s-1,剩余全压 255. 28 Pa,难以完成第21 段的通风需求,故在通风 2000 m 处增设接力风机继续通风。
3)当管径为 2. 0 m 时,风流在流入第 20 段前剩余风量 64. 39 m3·s-1,剩余全压 276. 68 Pa,难以完成第20 段的通风需求,故在通风 1900 m 处增设接力风机继续通风。不同管径通风单元段风压损失情况如表 5 所示。
由表 5 可知: 通风时,随着风管直径的逐渐增大,第 1段和第 2 段之间的风压损失逐渐减小,其他段风压损失也呈逐渐减小的趋势,因此能耗少; 随着通风距离的增大,风压损失也逐渐减小。
表 5 不同管径通风单元段风压损失情况
3. 3 接力风机选型
根据计算得到管径为 1. 5、1. 8、2. 0 m 时通风所需的接力风机全压值,选择相匹配的风机型号完成接力通风,如表 6 所示。
表 6 不同管径下通风接力风机型号及参数
根据工程实际调研,轴流风机暂选用隧道内常用的 SDF 系列可变频通风机,该风机可无极调速,根据不同环境风量、风压进行风量调节,能够很好地适用于复杂环境下的施工通风。 各风机特性如表 7 所示。
表 7 不同型号接力风机特性
3. 4 通风指标完成度
3. 4. 1 管径 1. 5 m 的风管接力通风时通风指标完成度
使用 1. 5 m 管径的风管进行接力通风时,风管内沿程风压及风量变化规律如图 7 所示。
图 7 1. 5 m 管径接力通风管沿程风压及风量变化规律
由图 7 可知: 1)风管内的风压呈现出先下降然后在接力风机安装点迅速上升再逐渐下降的趋势,到风管出口时减小至293 Pa; 2)风管出口风量为28. 97 m3·s-1,经计算可得风管出口风速为 16. 40 m·s-1,较推荐的大里程侧风管出口风速 15 m·s-1 大 1. 4 m·s-1。
3. 4. 2 管径 1. 8 m 的风管接力通风时通风指标完成度
使用 1. 8 m 管径的风管进行接力通风时,风管内沿程风压及风量变化规律如图 8 所示。
图 8 1. 8 m 管径接力通风管沿程风压及风量变化规律
由图 8 可知: 1)风管内的风压呈现出先下降然后在接力风机安装点迅速上升再逐渐下降的趋势,到风管出口时减小至240 Pa; 2)风管出口风量为46. 81 m3·s-1,经计算可得风管出口风速为 18. 40 m·s-1,较推荐的大里程侧风管出口风速 15 m·s-1 大 3. 4 m·s-1。
3. 4. 3 管径 2. 0 m 的风管接力通风时通风指标完成度
使用 2. 0 m 管径的风管进行接力通风时,风管内沿程风压及风量变化规律如图 9 所示。
图 9 2. 0 m 管径接力通风管沿程风压及风量变化规律
由图 9 可知: 1)风管内的风压呈现出先下降然后在接力风机安装点迅速上升再逐渐下降的趋势,到风管出口时减小至232 Pa; 2)风管出口风量为60. 48 m3·s-1,经计算可得风管出口风速为 19. 26 m·s-1,较推荐的大里程侧风管出口风速 15 m·s-1 大 4. 26 m·s-1。
综上,管径 1. 5、1. 8、2. 0 m 风管接力风机选型及安装位置均满足大里程侧掌子面需风量及风管出口风速要求,其中,管径为 1. 5 m 时风管出口风速最接近推荐值 15 m·s-1。
4 数值模拟验证
4. 1 几何模型建立
根据合武高铁隧道Ⅰ号斜井工区大里程侧接力风机的实际通风条件进行 1 ∶ 1 等比例建模,其中,每隔100 m 在风管底部设置 1 个 0. 02 m2 的漏风孔,风管出口与掌子面间距离参考文献[21]取 45 m。 为保证模拟结果的准确性,进行如下假设: 1)忽略新鲜空气在通风管内流动过程中压缩性的影响; 2)隧道侧壁、拱顶、底部及风管表面平整; 3)忽略隧道内障碍物及施工设备对风流的影响。 网格划分情况如图 10 所示。
图 10 接力风机通风网格划分
4. 2 边界条件及参数设置
将完成网格划分后的模型导入 Ansys Fluent 中,结合实际情况分析,当第 1 段风机提供的风压难以将剩余风量压入出口时,加入接力风机,此时接力风机设置的风量与前端风机最末端风量应相等,再根据其风量值计算出所需要的风压值,以此达到接力效果。模型边界条件设置为: 使用 Pressure-Based 求解器进行 Transient 仿真计算,设定风管入口为速度入口(velocity-inlet),风管内壁摩擦因数为 0. 0023,隧道出口为压力出口(pressure-outlet),隧道壁面为无滑移壁面,采用标准壁面函数(standard wall functions)。 不同管径风管通风时风管入口风量及压力如表 8 所示。
表 8 不同管径风管通风时风管入口风量及压力
4. 3 风流场分布
加装接力风机后,风管内风压会显著增大,同时,各漏风孔漏风状态也会发生显著变化。 为避免漏风导致风量损失过大,不满足风管出口的风速要求,通过CFD-Post 软件计算风管出口风速,确定其是否满足文献[21]中的风速要求。图 11 和图 12 分别示出 1. 5、1. 8、2. 0 m 管径的风管接力通风时 Y = 0 m 平面上的风速云图与风流迹线图。
图 11 不同管径风管接力通风时 Y= 0 m 平面上的风速云图
图 12 不同管径风管接力通风时 Y= 0 m 平面上的风流迹线图
由图 11 和图 12 可知:
1)管径为1. 5 m时,新鲜风流经过风管出口后,风速逐渐减小,其中管口处平均风速为15. 67 m·s-1,较推荐的大里程侧风速大 0. 67 m·s-1。
2)管径为1. 8 m时,新鲜风流经过风管出口后,流动轨迹正常,风速逐渐减小,其中管口处平均风速为 16. 33 m·s-1,较推荐的大里程侧风速大 1. 33 m·s-1。
3)管径为2. 0 m时,新鲜风流经过风管出口后,流动轨迹正常,风速逐渐减小,其中管口处平均风速为 18. 91 m·s-1,较推荐的大里程侧风速大 3. 91 m·s-1。
综上,理论计算值与模拟结果具有较好的一致性,管径 1. 5、1. 8、2. 0 m 条件下接力风机选型及安装位置均满足大里程侧掌子面风管出口风速要求,其中,管径为 1. 5 m 时风管出口风速最接近推荐值。
5 结论与讨论
本文以合武高铁隧道为依托工程,采用理论分析、数值模拟、Python 编程相结合的方式对长距离施工隧道通风接力风机安装位置进行了优化研究,得到以下结论:
1)通风时,随着管径的增大,风压损失逐渐减小,因此能耗减少;随着通风距离的增长,风压损失也在逐渐减小。
2)合武高铁隧道斜井工区大里程侧使用管径1. 5 m 风管时风管出口风速最接近推荐值 15 m·s-1,在 2200 m 处加装 SDF(A) -2-No4. 0 型接力风机进行通风效果最好。
此外,本文研究尚有未完全解决的问题,有待进一步研究:
1)使用接力风机时存在正负压的变化带来的复杂漏风情况,后续研究中需要着重考虑。
2)不能确定漏风孔在长期加压通风过程中是否会进一步增大,从而造成漏风孔面积不统一的情况,因此还需进行不同漏风孔面积情况下的漏风率研究,以及相应的补救措施，
3)当将2个风机和管路当作一个整体时存在风机串联的问题,还需继续研究。