TBM通风系统计算.docx
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TBM通风系统计算
双护盾TBM风量计算
1.1TBM通风设计
隧道通风是双护盾TBM施工的重要保障，也是长距离地铁施工安全的关键。
合理的通风系统、理想的通风效果是实现双护盾TBM快速掘进、保障施工安全和施工人员身心健康的重要保证。
根据以往城市地铁隧道TBM通风经验及对当前通风设备技性能的调研结果，综合考虑施工过程中可能出现的情况，制定本TBM通风方案。
1.1.1通风设计标准
双护盾TBM在整个施工过程中，作业环境应符合下列标准：
（1）斜井进风流中，氧气浓度不低于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%。
（2）有害气体最高容许浓度如下表：
隧道有害气体最高允许浓度表
序号
名称
最高允许浓度
1
一氧化碳CO
0.0024%
2
氧化氮（换算成二氧化氮NO2）
0.00025%
3
二氧化硫SO2
0.0005%
4
硫化氢H2S
0.00066%
5
氨NH3
0.004%
（3）TBM施工通风应能提供斜井内各项作业所需的最小风量，每人每分钟供给风量不少于4m3。
（4）TBM施工施工隧道风速不小于0.5m/s、
1.1.2通风设计的原则
TBM隧道需要的风量，按照施工隧道最小通风风速、同时工作的最多人数分别计算，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值。
1.1.3通风设计参数
施工过程中，合理的通风系统、理想的通风效果是实现隧道快速施工、保障施工安全和施工人员身心健康的重要保证。
隧道通风设计的参数主要有TBM同时施工人员、隧道最小内燃机功率数等。
斜井通风设计参数一览表
序号
项目
单位
参数
备注
1
独头通风长度L
m
3293
2
管片内径
m
5.4
3
斜井断面积S断
m²
22.89
4
斜井内最多工作人数M
人
30
5
风筒直径D
m
1.2
6
风筒面积S风
m²
0.78
7
过流面积s流（s流=S断-S风）
m²
21.76
8
每一工作人员所需新鲜空气Qn
m³/min
4
10
风管每100m漏风率P百
%
1.0
12
通风备用系数k
1.2
13
空气密度ρ
kg/m³
1.2
14
断面风速不小于Vmin
m/s
0.5
15
断面风速不大于
m/s
4
1.1.4通风方式选择
采用压入式通风。
在洞口10m外设轴流风机，通过风筒将新鲜空气送到TBM后配套尾部，然后由TBM设备上配备的二次接力通风系统完成通风作业。
具体的断面风速、风机功率可通过理论计算来确定，保证隧道断面风速不小于0.5m/s要求。
TBM通风布置示意图如下
1.2风机和风筒的选择
1.2.1风机的选择
（1）风机的工作风量应满足Q1的要求。
（2）风机的工作风压应满足M的要求，但不宜大于风筒的允许工作压力（风筒出厂参数）。
1.2.2风筒的选择
（1）隧道掘进通风使用的风筒分无骨架柔性风筒、带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒。
无骨架柔性风筒重量轻、易于贮存、搬运、连接和悬吊，且成本低
（2）风筒的选择应考虑与风机的出口直径相匹配
（3）在其他条件相差不多的情况下，应选择百米风阻小，百米漏风率低的风筒。
1.3TBM通风计算
当采用TBM施工通风时，工作面要求的风量除应满足排尘风速要求外，还应满足TBM机组设备散热、冷却、人员舒适性的要求。
一般情况下，通风系统供给TBM工作面的风量应不低于TBM后配套风机的设计风量。
针对TBM施工过程中通风量的计算有几种不同的方法，分别为：
根据同一时间，隧道内工作人员所需新鲜空气计算风量；按照内燃机功率的需求计算风量（由于本项目采用电瓶，无内燃机功率需求）；采用最小断面风速法计算风量。
从目前已投入的地铁双护盾TBM机组的配套情况看，TBM施工通风的风量计算基本沿用的是国外标准，即根据《建筑工业中隧道开挖作业安全实用规程》（BS6164-2001），按最低风速0.5m/s考虑。
特殊情况下，应对机组的散热和冷却等因素专门计算，TBM施工通风系统的总风量还应满足运输及其他作业要求，如无轨运输出渣，则需风量更大。
由于本TBM施工距离较短（3公里），为有轨运输，因此只要满足后配套风机的风量后，其他条件也能满足。
确定通风方式常常是确定施工方案一起进行的。
在确定了施工方案以后，才能确定独头掘进的长度和通风长度，然后才能计算工作面风量。
风机供风量
Qj=P*Qh
式中Qh-取工作面风量计算中各项之最大者。
管道风阻R=6.5αL/d5α=λρ/8
式中α-管道摩擦阻力系数，kg/m3;
λ–管道达西系数；
ρ–空气密度，kg/m3;
d-管道直径
1.3.1按同时最多人数计算
铁道部2008年发布的《铁路隧道施工技术指南规范》（TZ204-2008）和交通部最新发布的《公路隧道施工技术规定》均规定，每人供应新鲜空气为4m3/min,则
Q=3N
式中Q-工作面风量，m3/min
每人每分钟供应新鲜空气不少于4m³。
Q1=kMQn=1.2×4×22=288m³/min=4.8m³/s
式中，K为风量备用系数，采用1.2；M为同时在斜井内工作人数取22人；Qn为每一工作人员所需新鲜空气，取4m³/min
N-隧道内最多人数
序号
工种
人数
备注
1
工班长
1
2
TBM司机
1
3
拼装手
1
5
管片拼装施工人员
3
6
注浆工
3
7
豆砾石喷射工
2
8
电瓶车司机
2
9
洞内勤务
2
10
电工
2
11
机修工
2
12
安全员
1
13
技术员
1
14
其他人员
1
合计
22
双护盾TBM施工人员统计
1.3.2按允许最低风速计算
《铁路隧道施工规范》（TB10120-2002）规定：
风速在全断面开挖时不小于0.15m/s,坑道内不小于0.25m/s，但均不应大于4m/s。
考虑隧道内人员作业环境、隧道TBM施工等要求，由于是采用压入式通风，新鲜风直接送至TBM主机区，则可设定斜井内平均回风风速应不小于0.5m/s的要求，则工作面风量：
Q2=Vmin×S流×k=0.5×21.76×1.2=13.05m³/s
式中，Vmin为最小断面风速，取0.5m/s；S流为过流断面面积，取21.76m²；k为通风备用系数，取1.2。
1.3.3按内燃机功率计算
本项目隧道掘进采用电瓶车出渣，无长时间内燃机负载，但考虑实际施工排水及照明需要，TBM在后配套拖车尾部配备了应急发电系统，柴油机功率为200KW。
按稀释内燃机排放废气中有害气体浓度至许可浓度计算
Q3=Q0ΣW=3.0×200=600m³/min=10m³/s
式中：
∑W——同时在斜井内作业的各种内燃机的功率总和（kW）；Q0为每千瓦动力的空气需求量，取3m³/min·kW
则工作面风量
Q=νA
式中Q-工作面风量，m3/min；ν-允许最低风速，m/s;
开挖断面积，m2
根据上述计算结果，取其中的最大值有Q=MAX（Q2，Q1+Q3）=14.8m³/s
ν=14.8÷21.76＝0.68m/s，满足风速≥0.5m/s、≤4m/s的要求。
1.3.4风机供风量计算
由于采用独头压入式通风，按照供风筒直径Φ1.2m，供风到TBM最后一节台车与TBM自带风筒相连接，Φ1.2m风筒总长3293m管道计算，TBM自带风筒长130m。
由于柔性风筒接口处以及本身材质容易漏风。
漏风使风筒和风机连接端的风量与风筒靠近出口端的风量（即隧道内所需风量）不等。
因此，风筒漏风量L=风机连接端风量－风筒出口风量。
漏风量与风筒的种类、接头的数目、方法和管理质量以及风简直径、风压等有关，但更主要是与风筒的维护和管理密切相关。
反映风筒漏风程度的指标参数有：
风筒漏风率Le：
风筒漏风量占风机工作风量的百分数，即：
风筒漏风率Le=风筒漏风量L/风机连接端风量×100％
Le虽然能反映某一风筒的漏风情况，但不能作为比较的指标。
故常用百米漏风率Le100表示：
百米漏风率Le100=风筒漏风量L／[风机连接端风量×（风筒总长H／100）]×100％
其中：
H/100构成Le100系数
风筒的百米漏风率由风筒生产厂家在出厂产品的参数说明中给出。
一般要求柔性风筒的百米漏风率应达到表1要求。
柔性风筒的百米漏风率
通风距离
小于200
200-500
500-1000
1000-2000
2000以上
Le100（％）
＜15
＜10
＜3
＜2
＜1.5
表1
故风筒漏风量计算公式：
L=Le100×H/100
所以
风机供风风量Q1=所需风量Q＋风筒漏风量L
取Φ1m风筒平均每百m漏风率P100=1.0%，取TBM设备风筒平均每百m漏风率P100=1.0%。
风筒漏风系数：
风机供风量应为：
1.3.5系统风压计算
根据摩擦阻力定律,风压M的计算公式为:
风压M=风阻R×风量Q2
实际量需要实际参数来计算，未得到实际参数前只能用字母表示。
在得到实际参数后可代入公式算出实际量，再根据相应风机参数配置表来选择风机。
例如表2
表2
从理论上讲，通风系统克服通风阻力后在风筒末端风流具有一定的动压，克服阻力则取决于系统静压，动压与静压之和即为系统需供风压。
动压计算
γ—空气密度，1.2kg/m³；
ν—末端管口风速，v=14.8/1.13=13.09m/s（按工作面最小风速折算）
1.3.6风阻计算
风筒的风阻理论上包括风筒的摩擦风阻、接头风阻、弯头风阻、风筒出口风阻。
但在实际应用中，风筒风阻除与上述因素有关外，还与风筒的吊挂、维护、风压大小等管理质量密切相关，因此，很难用相应的计算公式进行精确计算，一般都根据实测风筒百米平均风阻作为衡量风筒管理质量和设计的数据。
其百米平均风阻R100由风筒生产厂家在出厂产品参数说明中给出。
故风筒风阻计算式：
R=R100×H／100
式中：
R风筒风阻。
R100百米平均风阻，简称百米风阻。
H风筒全长，H/100构成R100系数;
按照供风筒直径Φ1.2m，总长3293m。
摩擦阻力系数α：
据风筒厂提供的技术指标，采用PVC增强塑纤布作风筒材料，α值取0.0018Ns2/m4；
供风管道的摩擦风阻：
管道风流沿程摩阻风压损失：
局部阻力：
系统静压：
系统风压取值：
即风机需要提供不低于5751.4Pa的风压补偿，风量1320m³/min。
风筒选择φ1.2的防静电、阻燃风筒。
1.4风机选型
目前我国隧道施工用的通风机基本上都是国内自行研发的专用产品，全部属轴流式通风机，主要有三种类型：
即单级轴流式、双旋轴流式和射流风机。
对旋轴流式隧道通风机由两台电动机分别驱动两个轴流式叶轮，且两叶轮旋转方向相反，和单级轴流式通风机一样，两个电动机转速可分级调速，因而风机的性能也可随时改变，由于对旋式通风机有两个叶轮同时工作，使风机在流量相同的条件下，产生的全压可以接近同直径同转速单级风机的两倍。
这相当于两台单级轴流风机集中串联工作。
适合使用在独头通风长度超过3000m的隧道通风系统。
本项目通风机选取山西侯马公司生产的（高压隧道通风机），型号SDF（c）-No.11.5/50Hz，风量1865m3/min，全压6689Pa，电动机功率2×75kW，变频调速。
满足提供不低于5751.4Pa的风压补偿，风量1320m3/min的隧道通风需求。
风机安装在隧道始发井口，配合直径1.2m风筒将新鲜风送至TBM后配套尾部，再通过TBM二次通风系统串联接力完成斜井范围内的通风。
1.5风机能耗分析
在隧道施工中，由于通风长度不断变化，作业工序频繁转换，要求通风机的供风量能实时调节以满足施工要求，同时节约通风系统的能耗，提高综合经济效益。
对旋式轴流通风机的性能特点是，当对旋风机的两台电动机只有一台工作而另外一台断电的情况下，风机的供风量只有两个叶轮同时工作时的60%。
而全压只有40%
因为此时两个叶轮其实都在旋转，其中一个被动叶轮是被另一个主动叶轮产生的风流所驱动，以风轮机的形式消耗能量，使整机的效率下降。
由此可见，对旋式风机用于掘进长度较短的隧道施工是不经济的。
从技术上来说，在通风长度和风管直径不变的情况下，通过改变叶片安装角度、叶片数量和电动机的转速均可改变风机的性能特性。
但从实用性考虑，目前最普遍的方法是通过改变电机的转速来改变通风机的转速。
根据叶轮机械的相似定律，当通风机的转速变化时，其流量、全压、功率将分别按一次方、二次方。
三次方的规律变化。
由此不难看出，在非排烟出渣隧道时，风量要求较低。
及可使风机在较低转速下运行，风量减少，使用功率降低则更加显著，因而可获得显著的节能效果。
通风系统节能的另一种途径是使用较大的直径的通风管道，这实际上是改变管道的阻力特性，使之更加平坦，使系统工况点向低风阻方向移动，从而降低电动机的使用功率。
在长大隧道施工中，使用较大直径通风管道和可改变转速的通风机是降低能耗，节约通风费用的主要技术手段，因此本项目采用通风管径为1200mm,风机是可调转速的双旋转式轴流风机。
1.6隧道除尘分析
在施工过程中产生的烟尘。
岩尘微粒、水泥和混凝土微粒等统称粉尘。
除尘研究的直接对象时悬浮在空气中的粉尘，因此一般所指的粉尘就是这种状态下的微尘。
呼吸性粉尘主要指粒径在5μm以下的微细尘粒，具有很强的危害性。
通风除尘是指通过风的流动将作业点的悬浮矿尘带出，降低作业场所的矿尘浓度，因此搞好通风工作能有效地稀释和及时的派出矿尘。
决定通风除尘效果的主要因素是风速及矿尘密度、粒度、形状、湿润程度等。
风速过低，粗粒矿尘将于空气分离下沉，不易排出；风速过高，能见落尘扬起，增大空气中的粉尘浓度。
因此，除尘效果是在一定范围内随风速的增加而逐渐增加，达到最佳效果。
一般来说，掘进工作面的最优风速为0.4～0.7m/s,同时规程规定的工作面最高允许风速为4m/s，此参数不仅考虑了工作面供风量的要求，同时也充分考虑到烟尘的二次飞扬问题。
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