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1工程概況

三都隧道位于貴州省黔南州都勻市境內(nèi)，全長(zhǎng)14598m，最大埋深約600m。隧道進(jìn)口沿前進(jìn)方向左側(cè)設(shè)有平行導(dǎo)坑，距離正洞30m，長(zhǎng)2270m，設(shè)4個(gè)橫通道與隧道相連。其運(yùn)輸為無(wú)軌運(yùn)輸。

2通風(fēng)方案的合理性及節(jié)能研究

三都隧道進(jìn)口施工開挖采用平導(dǎo)超前、通過(guò)橫通道增開正洞工作面的施工方法。風(fēng)管壓入式通風(fēng)不適用的原因是：正洞和平導(dǎo)作業(yè)面需風(fēng)量大，風(fēng)管的直徑大，平導(dǎo)斷面不能滿足多趟風(fēng)管的布置，且壓入式通風(fēng)耗電量大。混合式不適用于無(wú)軌運(yùn)輸。因此，必須采用主扇通風(fēng)或射流通風(fēng)來(lái)解決通風(fēng)問(wèn)題。三都隧道進(jìn)口工區(qū)的施工通風(fēng)共分為4個(gè)階段，難度最大的是第2階段。以第2階段的通風(fēng)方案進(jìn)行分析比較。

2．1射流巷道通風(fēng)方案

在第2階段，隧道的二通和三通與正洞和平導(dǎo)貫通，此時(shí)平導(dǎo)超前開挖，在正洞形成2個(gè)開挖工作面，平導(dǎo)有1個(gè)開挖工作面，需要3個(gè)管路分別向3個(gè)掌子面送風(fēng)，形成射流巷道式的通風(fēng)。

2．2采用主扇通風(fēng)方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)的通風(fēng)方案，采用主扇通風(fēng)時(shí)，第2階段需要的新風(fēng)量最大。其通風(fēng)布置見圖2。經(jīng)計(jì)算比選，第2階段通風(fēng)設(shè)備配置見表2。

2．3射流巷道式和主扇式通風(fēng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2．3．1技術(shù)方面

從技術(shù)上講，射流通風(fēng)和主扇通風(fēng)2種方法都是可行的。射流巷道通風(fēng)是在華鎣山公路隧道創(chuàng)造的新方法，是通過(guò)射流風(fēng)機(jī)把新風(fēng)從平導(dǎo)引入，污濁空氣從正洞排出，各開挖作業(yè)面送風(fēng)的局扇放置在新鮮風(fēng)流中，通過(guò)局扇和軟風(fēng)管為其送風(fēng)，射流風(fēng)機(jī)安裝方便、靈活，阻力小。主扇通風(fēng)是在平導(dǎo)旁邊修建送風(fēng)道，建主扇房，安裝大功率通風(fēng)機(jī)，同時(shí)在平導(dǎo)口安裝自動(dòng)風(fēng)門，以防止漏風(fēng)，但影響平導(dǎo)交通。通過(guò)主扇經(jīng)平導(dǎo)壓入新風(fēng)，污風(fēng)從正洞排出，各開挖作業(yè)面需要的新風(fēng)由放在平導(dǎo)新風(fēng)內(nèi)的局扇通過(guò)軟風(fēng)管送入。射流巷道式通風(fēng)的先進(jìn)性很明顯。

2．3．2經(jīng)濟(jì)方面

采用射流通風(fēng)和主扇通風(fēng)時(shí)，其局扇的功率和軟風(fēng)管數(shù)量及直徑都是一樣的。采用射流通風(fēng)時(shí)，其射流風(fēng)機(jī)的總功率僅僅為110kW，如采用主扇通風(fēng)，其功率為330kW，采用射流通風(fēng)比采用主扇通風(fēng)電機(jī)功率節(jié)省220kW，僅此一項(xiàng)1年節(jié)省電費(fèi)154．18萬(wàn)元，射流巷道通風(fēng)更經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。

3通風(fēng)設(shè)備節(jié)能研究

在隧道施工過(guò)程中，不同的施工工序所需要的風(fēng)量是不同的，如出渣、噴漿作業(yè)需要的風(fēng)量大，打鉆、支護(hù)作業(yè)需要的風(fēng)量相對(duì)要小，而風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量往往是按隧道內(nèi)最大需風(fēng)量來(lái)設(shè)計(jì)的。在隧道施工過(guò)程中，風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，造成電能大量浪費(fèi)。采用隧道施工通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)用模糊PID控制與變頻調(diào)速技術(shù)控制交流異步電動(dòng)機(jī)的輸入頻率，以隧道掘進(jìn)工作面有害物質(zhì)濃度與作業(yè)環(huán)境溫度等為控制對(duì)象來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面風(fēng)量的閉環(huán)控制，在保證隧道施工作業(yè)需風(fēng)要求的情況下可有效節(jié)約能源。

3．1節(jié)能原理

根據(jù)流體力學(xué)理論［6］，對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有n1改變?yōu)閚2時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系式中：n1，n2為通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r／min；H1，H2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa；N1，N2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，kW。由以上的比例關(guān)系，可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這說(shuō)明通過(guò)改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風(fēng)機(jī)的輸入功率，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

3．2施工通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及風(fēng)量控制模式

各作業(yè)工序需要的風(fēng)量大致為打眼裝藥120m3／min，放炮排煙250m3／min，初噴350m3／min，出渣654m3／min，初期支護(hù)350m3／min。出渣運(yùn)輸作業(yè)所需風(fēng)量最大。隧道施工通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)由隧道通風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制柜、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、傳感器組成。傳感器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)面相關(guān)參數(shù)的不間斷監(jiān)測(cè)，信號(hào)傳輸線是用來(lái)把傳感器所監(jiān)測(cè)到的信息傳輸給自動(dòng)控制柜，自動(dòng)控制柜根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)控制通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)量的大小，以此來(lái)達(dá)到根據(jù)作業(yè)面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。系統(tǒng)配置時(shí)，自動(dòng)控制柜布置在風(fēng)機(jī)附近，PLC及擴(kuò)展模塊、變頻器、光端機(jī)以及電度表均設(shè)置在自動(dòng)控制柜內(nèi)；CO傳感器、粉塵傳感器、O2傳感器及NO2傳感器布置在掌子面附近，風(fēng)速傳感器設(shè)置在風(fēng)管內(nèi)距離出風(fēng)口10m處，傳感器通過(guò)光纖與自動(dòng)控制柜連接；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)布置在洞外監(jiān)控室，并通過(guò)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線與自動(dòng)控制柜連接。

4通風(fēng)效果分析

三都隧道進(jìn)口工區(qū)平導(dǎo)采用射流巷道通風(fēng)方式和自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)，不僅取得了很好的通風(fēng)環(huán)境效果，而且也取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。圖6為自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。在試驗(yàn)過(guò)程中，選擇一個(gè)施工循環(huán)進(jìn)行分析。其施工工序?yàn)椋?：10放炮—8：25開始出渣—10：55出渣結(jié)束、開始初期支護(hù)—12：55開始噴漿—13：25開始打鉆—15：25循環(huán)結(jié)束。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集的風(fēng)速、粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度和O2濃度的變化繪制成曲線。除了放炮后存在短時(shí)間的CO濃度超標(biāo)外，其他時(shí)間段未出現(xiàn)任何有害物質(zhì)濃度的超限、O2濃度不足的情況，在炮后15min內(nèi)將CO濃度降到了規(guī)范允許值以內(nèi)。出渣階段，由于內(nèi)燃機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)，氮氧化物濃度起控制作用，變頻器頻率一直保持在50Hz的運(yùn)行狀態(tài)。出渣結(jié)束進(jìn)入初期支護(hù)階段時(shí)，各有害物質(zhì)濃度明顯降低，變頻系統(tǒng)輸出頻率也相應(yīng)降低，直到噴漿階段，系統(tǒng)檢測(cè)到粉塵濃度呈快速上升趨勢(shì)后，變頻系統(tǒng)輸出頻率又上升到50Hz的運(yùn)行狀態(tài)。噴漿結(jié)束后到打鉆階段，粉塵濃度逐漸下降，各有害物質(zhì)及O2濃度均為達(dá)標(biāo)狀態(tài)，輸出頻率逐漸降到44Hz，并一直以該頻率運(yùn)轉(zhuǎn)直至該班結(jié)束。在整個(gè)開挖循環(huán)時(shí)間內(nèi)，有近40％的時(shí)間段系統(tǒng)以較低頻率運(yùn)行。期間對(duì)平導(dǎo)耗電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，未采用自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)48h內(nèi)耗電量為3232kWh，采用自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)48h內(nèi)耗電量為2706kWh?？梢?，采用自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)節(jié)省耗電量526kWh，節(jié)能效率達(dá)16．3％。5結(jié)論與建議在輔助導(dǎo)坑條件下多作業(yè)面平行施工時(shí)，通風(fēng)問(wèn)題往往是影響正常施工的一個(gè)主要問(wèn)題，采用射流巷道式通風(fēng)方法能有效地解決其通風(fēng)問(wèn)題；采用施工通風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道施工作業(yè)面新鮮風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可有效地節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸受隧道檢底，對(duì)襯砌段的影響較大，建議對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸作進(jìn)一步研究，以消除有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

作者：趙軍喜單位：中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心