CN109614761A

CN109614761A - 一种隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法

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Publication number: CN109614761A
Application number: CN201910082796.2A
Authority: CN
Inventors: 于丽; 王明年; 王晓亮; 魏军政; 王旭; 邓涛
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-04-12

Abstract

本发明公开了一种在长距离隧道独头施工中风管漏风率的获得模型及方法。包括：获得通风软风管入口的初始风量、初始风压、风管横截面积、风管周长、空气密度；设定通风软管单位长度有一个漏风孔、漏风孔之间的距离；采用恒定总流的伯努利方程，确定漏风孔处的静压，根据流体力学孔口出流原理，获得漏风量；根据漏风孔上游软风管的风量和漏风孔的漏风量，通过质量守恒公式，确定漏风孔下游的风管风量；从风管的初始段向风管的末端计算风量和压力；最后获得漏风率。本发明结合风管的具体材质、进风口压力来确定风管漏风率，相较于采用厂家直接提供一个恒定的百米漏风率的方法，更加精确，获得结果的成本大大降低。

Description

一种隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其属于隧道施工中通风技术领域，特别涉及一种隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法。

背景技术

长距离隧道独头施工通风是制约施工进度和施工安全的重要因素之一，对掌子面提供足够的通风量能快速排出洞内因开挖产生的有害气体及粉尘、保证人体呼吸和机械运转所需要的新鲜风量，保障洞内良好的作业环境及施工人员的人身安全。而长距离独头施工通风中由于通风距离较长，其沿程风量损失较为严重，因此风管漏风率是影响长距离独头施工中掌子面处新鲜风量的主要因素之一。

风管漏风率表征了从隧道洞口处风机提供的风量通过风管到达掌子面前方风管末端时所剩余的风量大小。在独头施工通风系统设计中，一般先确定掌子面处所需要的新鲜风量，再通过风管漏风率可计算出隧道洞口处风机所提供的风量，据此来进行风机配置，所以通风风管的实际漏风率影响到风机选型，直接关系到掌子面前方的作业环境及施工人员的人身安全。但目前，在配置施工通风风机时，直接按照标称的风管漏风率进行计算需风量，对于长距离施工隧洞中采用的通风管，采用全尺寸模型试验的方法测试风管的漏风率。全尺寸模型试验，成本高，试验繁琐。风管材料均采用的是PE等有机材料编制，存在着空隙，产生漏风，对风管的漏风面积进行测试，通过测试的风管漏风面积，对风管漏风率进行计算，获得漏风量，可大大降低测试成本。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种在长距离隧道独头施工中风管漏风率的获得模型及方法。本发明要解决的问题是提供一种以更好地进行长距离隧道施工中独头通风设计的模型及方法。

本发明提供以下技术方案：

本发明针对隧道内采用软风管进行施工通风的隧道。隧道施工中独头通风管漏风率的获得方法，包括以下步骤：

①获得通风软风管入口的初始风量Q_n、初始风压p_n、风管横截面积A、风管周长C、空气密度ρ；其中：

初始风量Q_n，所述初始风量Q_n是进入风管入口总的风量，采用风管测试的对数线性法，由皮托管测得初始风量Q_n；

初始风压p_n，所述初始风压p_n是进入风管入口的风压，采用风管测试的对数线性法，由皮托管测得初始风压p_n；

风管周长C，采用量测的方法直接获得风管的周长；

风管横截面面积A，由实测或生产数据提供；

空气密度ρ，按照空气密度公式计算，

式中，ρ₀—0℃，压力为0.1013MPa状态下干空气的密度，单位kg/m³；p—绝对压力，单位MPa；t—空气温度，单位℃；p_b—温度t时，饱和空气中，水蒸汽的分压力，单位MPa；—空气相对湿度，单位％；

②设定通风软管每隔单位长度有一个漏风孔，两漏风孔之间的距离L，单位M；

③采用恒定总流的伯努利方程，确定漏风孔处的静压；

④根据流体力学孔口出流原理，获得该漏风孔处的漏风量；

⑤根据漏风孔上游软风管的风量和漏风孔的漏风量，通过质量守恒公式，确定漏风孔下游的风管风量；

⑥从风管的初始段向风管的末端计算风量和压力；

⑦通过漏风率的计算公式获得漏风率。

所述的漏风孔处静压由下式得到：

式中，p_i+1—紧邻漏风孔i上游的漏风孔i+1处的静压力，单位Pa；p_i—漏风孔i处的静压力，单位Pa；λ—风管沿程阻力系数；A—风管横截面积，单位m²；L—两漏风孔之间的长度，单位m；C—风管周长，单位m；D—风管的水力直径，单位m；ρ—空气密度，单位kg/m³。

所述的漏风孔下游风管内的风量有下式获得：

式中，Q_漏—风量，单位m³/s；μ—漏风系数；a—漏风孔面积，单位m²；p—漏风孔处静压，单位Pa；ρ为空气密度，单位kg/m³；

所述的漏风孔下游的风管风量由下式获得：

式中，Q_i+1—漏风孔i上游风量，单位m³/s；Q_i—漏风孔i下游风量，单位m³/s；μ—漏风系数；a—漏风孔面积，单位m²；p_i—漏风孔i处的静压力，单位Pa；ρ—空气密度，单位kg/m³；依次向下一漏风孔递推，获得风管出口段风量Q₀。

漏风率由下式得到：

式中，P—漏风率，单位％；Q_n—初始风量，单位m³/s；Q₀—风管末端风量，单位m³/s。

本发明漏风率获得方法仅考虑风管侧壁上漏风孔面积值。所述漏风孔面积值根据风管材料及其制造方法决定，由厂家根据其产品特性提供。

通常，如采用PE等有机材料编制成的风管，在织物经线和纬线之间存在着大量的均匀分布的微小空隙。本发明方法假设单位长度上风管不漏风，漏风是由该段风管侧壁存在一个由材料特质决定的小孔导致的漏风。假设风管内的风流各物理量不随时间变化，即为恒定总流。考虑到风管织物结构致密，单位长度上的总空隙面积较小。将其视为小孔出流。由于风管侧壁很薄，空口面积较小，将其视为孔口出流。

本发明有益性：本发明结合风管的具体材质、进风口压力来确定风管漏风率，相较于之前厂家直接提供一个恒定的百米漏风率的方法，更加精确；相较于采用长距离风管进行试验测试的方法，成本大大降低。

附图说明

图1为本发明送风管模型示意图。

图中，1是软风管，2是漏风孔。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

在本发明模型及方法中，设定单位长度上风管不漏风，漏风是由该段风管侧壁存在一个小孔导致的漏风，设定风管内的风流各物理量不随时间变化，即为恒定总流。考虑到风管织物结构致密，单位长度上的总空隙面积较小。将其视为小孔出流。由于风管侧壁很薄，空口面积较小，将其视为孔口出流。

考虑折减后的风机功率参数曲线，确定初始风机压力p_n及初始风量Q_n。

根据恒定总流的伯努利方程，风管内两孔之间的压力损失为：

式中，p_i+1为紧邻漏风口i上游的漏风孔i+1处的静压力，单位Pa；λ为风管沿程阻力系数；A为风管的横截面面积，单位m²；L为两漏风孔之间的长度，单位m；D为风管的水力直径，对于圆管，即为其直径，单位m；ρ为空气密度，单位kg/m³；

已知风管内的风流，隧洞内的根据流体力学中孔口出流的原理，在一个截面上有一个小孔，其泄露的流量为：

式中，Q_漏为风量，单位m³/s；μ为漏风系数；a为漏风孔面积，单位m²；p为压力，单位Pa；ρ为空气密度，单位kg/m³；

则风管的漏风为

式中，Q_i+1为漏风孔i上游风量，根据测定的初始风量进行计算，单位m³/s；Q_i为漏风孔i下游风量，通过上游风量计算可得，单位m³/s；μ为漏风系数，常数，查表确定；a为漏风孔面积，由厂家标定所得，单位m²；p_i为漏风孔i处的静压力，根据测试提供，无数据时，可根据风机性能确定，单位Pa；ρ为空气密度，按照空气密度公式，计算所得，单位kg/m³；

通过计算，最终可获得风管末端的风量。根据风管漏风率公式，最终获得风管百米漏风率。

式中，P为漏风率，单位％；Q_n为初始风量，单位m³/s；Q₀为风管末端风量，单位m³/s。

本例假设通风软管每隔固定长度有一个漏风孔漏风，风管其他位置不漏风。假定初始风量和初始风压后，根据式(1)计算出下一个漏风孔处的静压，根据式(2)计算出此处风管的漏风量。获得风管漏风量后，根据式(3)计算出此漏风孔下游段的风量，然后依次递进，最终获得风管出口处的风压。最终，根据式(4)计算获得风管的漏风率。

应用实例

某输水隧洞，采用某企业生产的直径2.2m的通风软风管，风管的沿程阻力系数为0.014，风管漏风孔的面积为4.5mm²/m²,设风机的初始压力为3000Pa，风机的初始风量为50m³/s。采用本发明风管漏风率获得方法，得到的百米漏风率为0.34％，与厂家提供的0.345％～0.35％符合。

Claims

1.一种隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，所述通风管为软风管；

其特征在于包括以下步骤：

①获得通风软风管入口的初始风量Q_n、初始风压p_n、风管横截面积A、风管周长C、空气密度ρ；

②设定通风软管每隔单位长度有一个漏风孔，两漏风孔之间的距离L；

③采用恒定总流的伯努利方程，确定漏风孔处的静压；

④根据流体力学孔口出流原理，获得该漏风孔处的漏风量；

⑥从风管的初始段向风管的末端计算风量和压力；

⑦通过漏风率的计算公式获得漏风率。

2.根据权利要求1所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于，所述的漏风孔处静压由下式得到：式中，p_i+1—紧邻漏风孔i上游的漏风孔i+1处的静压力，单位Pa；p_i—漏风孔i处的静压力，单位Pa；λ—风管沿程阻力系数；A—风管横截面积，单位m²；L—两漏风孔之间的长度，单位m；C—风管周长，单位m；D—风管的水力直径，单位m；ρ—空气密度，单位kg/m³。

3.根据权利要求2所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于，所述的漏风孔下游风管内的风量由下式获得：式中，Q_漏—风量，单位m³/s；μ—漏风系数；a—漏风孔面积，单位m²；p—漏风孔处静压，单位Pa；ρ为空气密度，单位kg/m³。

4.根据权利要求3所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于，所述的漏风孔下游的风管风量由下式获得：式中，Q_i+1—漏风孔i上游风量，单位m³/s；Q_i—漏风孔i下游风量，单位m³/s；μ—漏风系数；a—漏风孔面积，单位m²；p_i—漏风孔i处的静压力，单位Pa；ρ—空气密度，单位kg/m³；依次向下一漏风孔递推，获得风管出口段风量Q₀。

5.根据权利要求4所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于，漏风率由下式得到：式中，P—漏风率，单位％；Q_n—初始风量，单位m³/s；Q₀—风管末端风量，单位m³/s。

6.根据权利要求5所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于：所述漏风率获得方法仅考虑风管侧壁上漏风孔面积值。

7.根据权利要求1至6任一项所述的隧道施工中独头通风管漏风率的获得模型及方法，其特征在于：所述风管单位长度上不漏风，漏风由该段风管侧壁存在一个由材料特质决定的小孔导致；设定风管内的风流各物理量不随时间变化，为恒定总流；将风流视为小孔出流、孔口出流模式。