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
隧道通风就是双护盾TBM施工得重要保障，也就是长距离地铁施工安全得关键。
合理得通风系统、理想得通风效果就是实现双护盾TBM快速掘进、保障施工安全与施工人员身心健康得重要保证。
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得调研结果，综合考虑施工过程中可能出现得情况，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得最小风量，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通风设计得原则
TBM隧道需要得风量，按照施工隧道最小通风风速、同时工作得最多人数分别计算，并按允许风速进行检验，采用其中得最大值。
1、1、3通风设计参数
施工过程中，合理得通风系统、理想得通风效果就是实现隧道快速施工、保障施工安全与施工人员身心健康得重要保证。
隧道通风设计得参数主要有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设备上配备得二次接力通风系统完成通风作业。
具体得断面风速、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风机与风筒得选择
1、2、1风机得选择
（1）风机得工作风量应满足Q1得要求。
（2）风机得工作风压应满足M得要求，但不宜大于风筒得允许工作压力（风筒出厂参数）。
1、2、2风筒得选择
（1）隧道掘进通风使用得风筒分无骨架柔性风筒、带刚性骨架得柔性风筒与硬质风筒。
无骨架柔性风筒重量轻、易于贮存、搬运、连接与悬吊，且成本低
（2）风筒得选择应考虑与风机得出口直径相匹配
（3）在其她条件相差不多得情况下，应选择百米风阻小，百米漏风率低得风筒。
1.3TBM通风计算
当采用TBM施工通风时，工作面要求得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、人员舒适性得要求。
一般情况下，通风系统供给TBM工作面得风量应不低于TBM后配套风机得设计风量。
针对TBM施工过程中通风量得计算有几种不同得方法，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；按照内燃机功率得需求计算风量（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。
从目前已投入得地铁双护盾TBM机组得配套情况瞧，TBM施工通风得风量计算基本沿用得就是国外标准，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，应对机组得散热与冷却等因素专门计算，TBM施工通风系统得总风量还应满足运输及其她作业要求，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得风量后，其她条件也能满足。
确定通风方式常常就是确定施工方案一起进行得。
在确定了施工方案以后，才能确定独头掘进得长度与通风长度，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年发布得《铁路隧道施工技术指南规范》（TZ204-2008）与交通部最新发布得《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
其她人员
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，由于就是采用压入式通风，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得要求，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——同时在斜井内作业得各种内燃机得功率总与（kW）；Q0为每千瓦动力得空气需求量，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，取其中得最大值有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得要求。
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。
漏风使风筒与风机连接端得风量与风筒靠近出口端得风量（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。
漏风量与风筒得种类、接头得数目、方法与管理质量以及风简直径、风压等有关，但更主要就是与风筒得维护与管理密切相关。
反映风筒漏风程度得指标参数有：
风筒漏风率Le：
风筒漏风量占风机工作风量得百分数，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得漏风情况，但不能作为比较得指标。
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
风筒得百米漏风率由风筒生产厂家在出厂产品得参数说明中给出。
一般要求柔性风筒得百米漏风率应达到表1要求。
柔性风筒得百米漏风率
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得计算公式为:
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得动压，克服阻力则取决于系统静压，动压与静压之与即为系统需供风压。
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
风筒得风阻理论上包括风筒得摩擦风阻、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，还与风筒得吊挂、维护、风压大小等管理质量密切相关，因此，很难用相应得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与设计得数据。
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：
据风筒厂提供得技术指标，采用PVC增强塑纤布作风筒材料，α值取0、0018Ns2/m4；
供风管道得摩擦风阻：
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得风压补偿，风量1320m³/min。
风筒选择φ1、2得防静电、阻燃风筒。
1.4风机选型
目前我国隧道施工用得通风机基本上都就是国内自行研发得专用产品，全部属轴流式通风机，主要有三种类型：
即单级轴流式、双旋轴流式与射流风机。
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，与单级轴流式通风机一样，两个电动机转速可分级调速，因而风机得性能也可随时改变，由于对旋式通风机有两个叶轮同时工作，使风机在流量相同得条件下，产生得全压可以接近同直径同转速单级风机得两倍。
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得隧道通风系统。
本项目通风机选取山西侯马公司生产得（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得风压补偿，风量1320m3/min得隧道通风需求。
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得通风。
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，要求通风机得供风量能实时调节以满足施工要求，同时节约通风系统得能耗，提高综合经济效益。
对旋式轴流通风机得性能特点就是，当对旋风机得两台电动机只有一台工作而另外一台断电得情况下，风机得供风量只有两个叶轮同时工作时得60%。
而全压只有40%
因为此时两个叶轮其实都在旋转，其中一个被动叶轮就是被另一个主动叶轮产生得风流所驱动，以风轮机得形式消耗能量，使整机得效率下降。
由此可见，对旋式风机用于掘进长度较短得隧道施工就是不经济得。
从技术上来说，在通风长度与风管直径不变得情况下，通过改变叶片安装角度、叶片数量与电动机得转速均可改变风机得性能特性。
但从实用性考虑，目前最普遍得方法就是通过改变电机得转速来改变通风机得转速。
根据叶轮机械得相似定律，当通风机得转速变化时，其流量、全压、功率将分别按一次方、二次方。
三次方得规律变化。
由此不难瞧出，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，因而可获得显著得节能效果。
通风系统节能得另一种途径就是使用较大得直径得通风管道，这实际上就是改变管道得阻力特性，使之更加平坦，使系统工况点向低风阻方向移动，从而降低电动机得使用功率。
在长大隧道施工中，使用较大直径通风管道与可改变转速得通风机就是降低能耗，节约通风费用得主要技术手段，因此本项目采用通风管径为1200mm,风机就是可调转速得双旋转式轴流风机。
1.6隧道除尘分析
在施工过程中产生得烟尘。
岩尘微粒、水泥与混凝土微粒等统称粉尘。
除尘研究得直接对象时悬浮在空气中得粉尘，因此一般所指得粉尘就就是这种状态下得微尘。
呼吸性粉尘主要指粒径在5μm以下得微细尘粒，具有很强得危害性。
通风除尘就是指通过风得流动将作业点得悬浮矿尘带出，降低作业场所得矿尘浓度，因此搞好通风工作能有效地稀释与及时得派出矿尘。
决定通风除尘效果得主要因素就是风速及矿尘密度、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，增大空气中得粉尘浓度。
因此，除尘效果就是在一定范围内随风速得增加而逐渐增加，达到最佳效果。
一般来说，掘进工作面得最优风速为0、4～0、7m/s,同时规程规定得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得要求，同时也充分考虑到烟尘得二次飞扬问题。
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