长大隧道施工通风系统优化研究与应用
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摘要
长大独头隧道掘进施工中,钻爆法施工工艺是一种最主要的经济高效施工工艺。在钻爆法施工循环中,通风排烟是重要的一环,通风的时间过长影响工程进度,炮烟的排除未能达到预期的限度,严重影响工人的健康及劳动生产效率。本文以长大独头隧道钻爆法施工通风系统为研究对象,运用隧道施工通风理论、空气动力学理论和通风系统优化理论,对长大独头隧道施工通风系统优化进行了研究。本文在借鉴已有研究成果的基础上,取得了如下研究结果：
1、本文对钻爆法施工工艺、TBM (Tunnel Boring Machine)施工工艺对通风要求进行了比较分析,得出在通风技术要求上钻爆法掘进比TBM掘进困难。归纳总结了隧道通风方式,对管道通风方式进行了比较分析,双软管混合式通风方式能极大改善洞内作业环境。
2、本文建立了独头隧道通风系统设计的数学模型。应用建立的数学模型,分析确定了换风筒但不换风机、不换风筒换风机、单台风机通风距离的求解及多台风机串联工作的求解四个类型的设计方法及计算求解。
3、本文对双软管混合式通风与一般混合式通风有效风量的变化规律进行了比较分析,通过分析确定了双软管混合式通风风量计算方法。通过实验数据的分析,确定了风筒口的合理位置和风量比。对双软管混合式通风设计和实践有重要参考价值。
4、本文根据分阶段通风优化设计理论,以期达到节能的目的,确定了分阶段通风设计计算中分段数和风筒直径两个变量。结合阶段通风方法,应用独头隧道通风系统设计的数学模型进行计算,采取双软管混合式通风方式,对小湾水电站地下厂房尾水系统1#尾水隧洞—期施工通风,进行了通风优化设计,比传统的设计方法节省47500元。
The drill-blasting construction is the main economic and efficient technology in the construction of one ended large scale tunnel. One of the key technical issues—ventilation during construction of tunnel affects the construction schedule. It seriously affects the health of workers and labor productivity, if the smoke exhaustion does not achieve the desired limit. The dissertation took the drill-blasting construction ventilation system of one ended large scale tunnel as research target. Using the tunnel construction ventilation theory, the aerodynamics theory and the optimization of the ventilation system theory, it focuses on the construction ventilation system optimization of one ended large scale tunnel. Based on the already research results, some important conclusion of the dissertation is made.
Firstly, the paper compares and analysis the ventilation requirements of the drill-blasting construction technology and Tunnel Boring Machine construction technology. And come to the result that the drill-blasting construction more difficult than Tunnel Boring Machine construction in the ventilation technology.Ventilation methods is summarized. And compares and analysis the duct-ventilated methods, and come to the result that the two-way tube composite ventilation method is able to improve work condition in hole.
Secondly, the paper establishs the mathematical model of the one ended tunnels ventilation system design. Applying this model to Analyse on the four types of the one ended tunnels ventilation system design and determine calculation method, including same flow fan but differnet wine tube, same wine tube but different flow fan, ventilation distance of single flow fan and severalflow fans working in series.
Thirdly, the paper compares and analysis the law of effective fresh wind of the two-way tube composite ventilation and common composite ventilation. Determined the wind amount of the two-way tube composite ventilation by analysed. According to the analysed experimental data, determined the reasonable parameters of ventilation, it is important reference value to the two-way tube composite ventilation design and practice.
Lastly, according to the theory of the optimization design of stepped ventilation, this paper will achieve the purpose of energy saving. The subsection number and tube diameter are determined. Combining the stepped ventilation method, applying the mathematical model of the one ended tunnels ventilation system design to calculate, and taking the two-way tube composite ventilation method to optimal design of the first period of the 1# tailrace tunnel construction ventilation of underground powerhouse of xiaowan hydropower station, it saves 47,500 yuan comapring with the traditional design method.
1、本文对钻爆法施工工艺、TBM (Tunnel Boring Machine)施工工艺对通风要求进行了比较分析,得出在通风技术要求上钻爆法掘进比TBM掘进困难。归纳总结了隧道通风方式,对管道通风方式进行了比较分析,双软管混合式通风方式能极大改善洞内作业环境。
2、本文建立了独头隧道通风系统设计的数学模型。应用建立的数学模型,分析确定了换风筒但不换风机、不换风筒换风机、单台风机通风距离的求解及多台风机串联工作的求解四个类型的设计方法及计算求解。
3、本文对双软管混合式通风与一般混合式通风有效风量的变化规律进行了比较分析,通过分析确定了双软管混合式通风风量计算方法。通过实验数据的分析,确定了风筒口的合理位置和风量比。对双软管混合式通风设计和实践有重要参考价值。
4、本文根据分阶段通风优化设计理论,以期达到节能的目的,确定了分阶段通风设计计算中分段数和风筒直径两个变量。结合阶段通风方法,应用独头隧道通风系统设计的数学模型进行计算,采取双软管混合式通风方式,对小湾水电站地下厂房尾水系统1#尾水隧洞—期施工通风,进行了通风优化设计,比传统的设计方法节省47500元。
The drill-blasting construction is the main economic and efficient technology in the construction of one ended large scale tunnel. One of the key technical issues—ventilation during construction of tunnel affects the construction schedule. It seriously affects the health of workers and labor productivity, if the smoke exhaustion does not achieve the desired limit. The dissertation took the drill-blasting construction ventilation system of one ended large scale tunnel as research target. Using the tunnel construction ventilation theory, the aerodynamics theory and the optimization of the ventilation system theory, it focuses on the construction ventilation system optimization of one ended large scale tunnel. Based on the already research results, some important conclusion of the dissertation is made.
Firstly, the paper compares and analysis the ventilation requirements of the drill-blasting construction technology and Tunnel Boring Machine construction technology. And come to the result that the drill-blasting construction more difficult than Tunnel Boring Machine construction in the ventilation technology.Ventilation methods is summarized. And compares and analysis the duct-ventilated methods, and come to the result that the two-way tube composite ventilation method is able to improve work condition in hole.
Secondly, the paper establishs the mathematical model of the one ended tunnels ventilation system design. Applying this model to Analyse on the four types of the one ended tunnels ventilation system design and determine calculation method, including same flow fan but differnet wine tube, same wine tube but different flow fan, ventilation distance of single flow fan and severalflow fans working in series.
Thirdly, the paper compares and analysis the law of effective fresh wind of the two-way tube composite ventilation and common composite ventilation. Determined the wind amount of the two-way tube composite ventilation by analysed. According to the analysed experimental data, determined the reasonable parameters of ventilation, it is important reference value to the two-way tube composite ventilation design and practice.
Lastly, according to the theory of the optimization design of stepped ventilation, this paper will achieve the purpose of energy saving. The subsection number and tube diameter are determined. Combining the stepped ventilation method, applying the mathematical model of the one ended tunnels ventilation system design to calculate, and taking the two-way tube composite ventilation method to optimal design of the first period of the 1# tailrace tunnel construction ventilation of underground powerhouse of xiaowan hydropower station, it saves 47,500 yuan comapring with the traditional design method.
引文
[1]吴中立.独头巷道爆破后通风[M].北京：冶金工业出版社,1959
[2]徐竹云.矿井通风系统优化原理与设计计算方法[M].北京：冶金工业出版社,1996
[3]陈开岩.矿井通风系统优化理论及应用[M].北京：中国矿业大学出版社,2003
[4]杨庆学,郑家祥.大型地下洞室群施工通风动态仿真研究[J].水电站设计,2003,19(1)：1-5
[5]刘路.长隧道施工通风控制方法的应用研究.同济大学硕士学位论文.2005
[6]赖涤泉.隧道施工通风与防尘[M].北京：中国铁道出版社,1994
[7]赖涤泉,朱京国等.长梁山双线铁路隧道施工通风系统研究与试验[J].石家庄铁道学院学报,2003,16(2)：28-30,80
[8]赖涤泉,彭道富.秦岭铁路隧道Ⅱ线出口平导独头掘进9km施工通风系统的研究与实现[J].铁道标准设计,2002,(9)：53-55
[9]刘瑞永,李世功等.秦岭铁路隧道出口段(Ⅱ线)施工通风效果评价[J].铁道劳动安全卫生与环保,1999,26(2)：123-125
[10]Shani Wallis. Avioding an NATM downfall[J]. Tunnels & Tunnelling.1988, 20(6):32-37
[11]Harding, Piers G. FRESH AIR FOR FREJUS:VENT SHAFT EXCAVATION IN EUROPE'S TOP TUNNEL[J]. Tunnels and Tunnelling.1980,12(4):25-27
[12]祝启坤,叶镇杰.独头巷道中利用可控循环风通风的试验[J].工业安全与工程,1997,(5)：25-27
[13]杨家松.隧道无轨运输独头掘进超9600m施工通风技术[J].探矿工程,2008,(10)：66-70
[14]余庆华,苏祖晔.压差补偿器在长独头掘进串联通风中的应用[J].中国矿山工程,2005,34(8)：34-37
[15]王剑武,颜志华.独头巷道高效通风系统的开发研究与应用[J].西部探矿工程,2005,(8)：84-85
[16]涂习成.长距离独头巷道通风的改进[J].黄金,2004,2(25)：18-20
[17]王英敏,刘温新等.独头作业面多机射流通风新技术研究[J].工业安全与防 尘,1994,(4)：1-4
[18]王晓莉,钱振镛.局扇通风系统的优化设计[J].工业安全与防尘,1989,(12)：24-25
[19]陆愈实,张国屏等.独头长巷分阶段通风的优化设计法[J].探矿工程,1993,(3)：58-59
[20]谭允祯.矿井通风系统优化[M].北京：煤炭工业出版社,1992
[21]傅贵.矿井通风系统分析与优化[M].北京：机械工业出版社,1995
[22]谢贤平.人工智能在矿井通风系统优化设计与控制中的应用.北京科技大学博士学位论文.1997
[23]陈士海.现代钻爆理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社,1998
[24]丛铁军.巷道掘进机[M].北京：煤炭工业出版社,1982
[25]编委会.岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M].北京：中国铁道出版社,2004
[26]张照煌.全断面岩石掘进机及其刀具破岩理论[M].北京：中国铁道出版社,2003
[27]王英敏.矿井通风与防尘[M].北京：冶金工业出版社,1993
[28]李永生.隧道施工通风方式的选择[J].西部探矿工程,2004,(6)：86-89
[29]金学易,陈文英.隧道通风及空气动力学[M].北京：中国铁道出版社,1983
[30]汪德淇.矿井通风防尘[M].北京：冶金工业出版社,1994
[31]吴中立.矿井通风与安全[M].徐州：中国矿业大学出版社,1989
[32]黄元平.矿井通风[M].徐州：中国矿业大学出版社,1986
[33]罗占夫,丁文义.双软管混合式通风在施工隧道中的应用[J].隧道建设,2004,24(2)：54-55,60
[34]赵福财.独头长巷道混合式通风应注意的几个问题[J].探矿工程,1990,(6)：59-60
[36]V.S.VUTUKURI. Air Lekage in Ventilation Durtingand the Ductign of Auxilliary Ventilation Systems[J]. The Mining Engineer,1983
[37]谢贤平,赵梓成.局扇通风系统设计的数学模型与解法[J].云南冶金,1996(2)：13-17
[38]暨朝颂.常用矿井风量计算方法问题的剖析[J].有色矿山,2000,29(6)：1-5
[39]赵梓成.扇风机特性曲线的数学处理[J].云南冶金,1986(2)：13-19
[40]承伯仁.保证独头巷道有效通风风流诸参数[M].北京：煤炭工业出版社,1958
[41]杨立新,赵军喜等.隧道施工中双软管混合式通风的风量配置[J].地下工程,2000,3(9)：26-29
[42]周熔义,杨立新.长独头巷道用软管混合式通风的试验研究[J].隧道建设,1994,(1)：45-49
[43]李之道,钟国清.混合式通风解决掘进串联风的实践[J].矿业安全与环保,2000,27(4)：14,27
[44]赵全福主编.煤矿安全手册.第一篇：矿井通风与空调(第1版)[M].北京：煤炭工业出版社,1990
[45]幸大学.掘进混合式通风合理抽压风筒口位置的探讨[J].矿业安全与环保,2005,32(4)：25-27
[46]煤科总院重庆分院掘进通风组.巷道掘进混合式通风的应用方法[J].煤炭工程师,1992,(8)：51-58
[47]席立群,钟训红等.巷道掘进混合式通风及除尘效果实践[J].煤炭技术,2006,25(2)：67-69
[48]牛保炉,陈颖兴等.古书院矿掘进工作面混合式通风除尘技术的试验研究[J].矿业安全与环保,2006,33(6)：41-46
[49]煤炭科学研究总院重庆分院掘进通风组.掘进巷道混合式通风的排尘效果[J].煤炭工程师,1991,(9)：1-10
[50]黎忠文等.独头长巷通风各要素匹配关系的确定[J].探矿工程,1993,(4)：52-54
[51]陆愈实等.独头长巷通风技术[J].西部探矿工程,1996,(1)：19-21
[52]郑德明.降低独头长巷通风电费的探索[J].河北煤炭,1997,(3)：42-43
[53]吴超.局部通风应用大直径风筒的效果分析[J].工业安全与环保,2001,27(10)： 1-3
[54]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站大型地下洞室群通风方案实施成果报告.2005年11月
[55]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站引水发电系统施工 通风方案设计研究报告.2004年2月
[56]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站施工通风布置图册.2005年5月
[57]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站引水发电系统施工通风方案测试成果报告.2005年11月
[58]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站施工工期提前建议方案施工总进度计划表.2004年2月
[59]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.惠州抽水蓄能电站地下洞室群施工通风方案研究报告.2004年1月
[60]Schattanek Guido, Wan Ping K.. Air quality assessment techniques for roadway tunnel projects[J]. Proceedings of the Air & Waste Management Association's Annual Meeting & Exhibition.1996
[61]Maevski I.. Features of tunnel ventilation systems design in hot climate[J].12th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.2006, (1):331-337
[62]Kennedy W.D., Harvey N.A.. Heating in long road tunnels[J].12th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.2006, (1):223-230
[63]Guinan James W., Ginzburg Helen. Methodology to control air quality levels near the tunnel portals and optimize ventilation system design[J]. Proceedings of the Air & Waste Management Association's Annual Meeting & Exhibition.1997
[64]Gehrke P.J., Stacey C.H.B., Agnew N.D.. Rail tunnel temperature stratification and implications for train and tunnel ventilation design[J]. International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.2003, (2):727-741
[65]Xin H., Berry I.L., Tabler G.T.. Temperature and humidity profiles of broiler houses with experimental conventional and tunnel ventilation systems[J]. Applied Engineering in Agriculture.1994, (10):535-542
[66]Gendler S.G., Sokolov V.A.. The choice of operation regimes for an air quality maintenance system in the Northern Mujsky railway tunnel [J]. International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.2003, (1):289-308
[67]Lowndes Ian S., Crossley Amanda J., Yang Zhi-Yuan. The ventilation and climate modelling of rapid development tunnel drivages[J]. Tunnelling and Underground Space Technology.2004, (19):139-150
[2]徐竹云.矿井通风系统优化原理与设计计算方法[M].北京：冶金工业出版社,1996
[3]陈开岩.矿井通风系统优化理论及应用[M].北京：中国矿业大学出版社,2003
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[7]赖涤泉,朱京国等.长梁山双线铁路隧道施工通风系统研究与试验[J].石家庄铁道学院学报,2003,16(2)：28-30,80
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[11]Harding, Piers G. FRESH AIR FOR FREJUS:VENT SHAFT EXCAVATION IN EUROPE'S TOP TUNNEL[J]. Tunnels and Tunnelling.1980,12(4):25-27
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[17]王英敏,刘温新等.独头作业面多机射流通风新技术研究[J].工业安全与防 尘,1994,(4)：1-4
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[26]张照煌.全断面岩石掘进机及其刀具破岩理论[M].北京：中国铁道出版社,2003
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[36]V.S.VUTUKURI. Air Lekage in Ventilation Durtingand the Ductign of Auxilliary Ventilation Systems[J]. The Mining Engineer,1983
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[47]席立群,钟训红等.巷道掘进混合式通风及除尘效果实践[J].煤炭技术,2006,25(2)：67-69
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[56]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站施工通风布置图册.2005年5月
[57]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站引水发电系统施工通风方案测试成果报告.2005年11月
[58]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.小湾水电站施工工期提前建议方案施工总进度计划表.2004年2月
[59]昆明理工大学,中国水利水电第十四工程局.惠州抽水蓄能电站地下洞室群施工通风方案研究报告.2004年1月
[60]Schattanek Guido, Wan Ping K.. Air quality assessment techniques for roadway tunnel projects[J]. Proceedings of the Air & Waste Management Association's Annual Meeting & Exhibition.1996
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[63]Guinan James W., Ginzburg Helen. Methodology to control air quality levels near the tunnel portals and optimize ventilation system design[J]. Proceedings of the Air & Waste Management Association's Annual Meeting & Exhibition.1997
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[65]Xin H., Berry I.L., Tabler G.T.. Temperature and humidity profiles of broiler houses with experimental conventional and tunnel ventilation systems[J]. Applied Engineering in Agriculture.1994, (10):535-542
[66]Gendler S.G., Sokolov V.A.. The choice of operation regimes for an air quality maintenance system in the Northern Mujsky railway tunnel [J]. International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels.2003, (1):289-308
[67]Lowndes Ian S., Crossley Amanda J., Yang Zhi-Yuan. The ventilation and climate modelling of rapid development tunnel drivages[J]. Tunnelling and Underground Space Technology.2004, (19):139-150