CN112177657B - 长距离隧道用分段式通风系统及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离隧道用分段式通风系统及其实施方法，涉及隧道施工技术领域，包括沿隧道长度布置的送风分系统和排风分系统，隧道通过N‑1个风墙分隔为N个通风子区域，送风分系统包括送风风筒、送风主风机及N个送风支路风机，排风分系统包括排风风筒、排风主风机及N个排风支路风机，每个通风子区域均设有环境监测传感器、送风支路风机及排风支路风机；送风主风机及N个送风支路风机、排风主风机及N个排风支路风机均与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接，采用测量值与预设值的差值最大优先逻辑模式分别对主风机和支路风机进行风速调控，实现对隧道内部通风子区域的个性化通风处理。本发明相比动力集中式通风系统，能够有效降低能耗。

Description

长距离隧道用分段式通风系统及其实施方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种长距离隧道用分段式通风系统。

背景技术

随着交通基础设施建设规模不断扩大，我国已成为世界上隧道建设规模最大、难度最高与数量最多的国家。隧道施工期间，爆破、开挖等行为会产生大量的粉尘，车辆及其他内燃机械在洞内行驶会排出尾气，与粉尘混合，形成浓烟聚集区，影响施工作业安全。此外，由于越来越多的隧道穿越油气盆地、煤系地层等瓦斯积聚区山脉，瓦斯隧道随之增多。隧道瓦斯会导致中毒、窒息、爆炸等灾难性后果，施工中的瓦斯管理与控制十分关键。

目前，通风是防止隧道内部粉尘、瓦斯等有毒有害气体浓度超限的基本措施。隧道通风方式主要包括压入式、抽出式、混合式、巷道式等，主风机一般布置在洞口，均为动力集中式通风。长距离隧道施工通风存在的问题在于，由于风筒的长度加长，维护不及时，容易导致风筒出现褶皱、损坏漏风、角度变化过大的问题，严重的影响了出筒的风速和风量，需要片面地增大风机功率来弥补沿程通风损失，能耗大。

另外，目前长距离隧道的通风换气方式无论隧道有几个工作点位，都必须启动整体的通风换气系统，因此能耗大，生产运行成本高。同质化的通风换气方式对粉尘、瓦斯、有毒气体等污染严重的重点区域不能进行个性化重点处理，对轻微粉尘污染的区域不能减少通风换气处理量，对没有污染区域（或停产区域）进行无效的通风换气，造成能源浪费，导致成本上升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种长距离隧道用分段式通风系统及其实施方法，结构设计合理，能够实现隧道局部通风、整体通风的效果，操作灵活方便，能够主动排放围岩中溢出的瓦斯，有效防治隧道施工过程中或运营期间瓦斯溢出的潜在危险。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种长距离隧道用分段式通风系统，包括沿隧道长度方向布置的送风分系统和排风分系统，所述送风分系统和排风分系统对称布置于隧道的两侧；所述隧道内通过N-1个风墙分隔为N个通风子区域，所述送风分系统包括送风风筒、与送风风筒相连的送风主风机及N个送风支路风机，每个通风子区域对应设有一个送风支路风机；所述排风分系统包括排风风筒、与排风风筒相连的排风主风机及N个排风支路风机，每个通风子区域对应设有一个排风支路风机；所述排风支路风机及送风支路风机分别设有朝向隧道内部的进风口及出风口；所述送风主风机及N个送风支路风机、排风主风机及N个排风支路风机均与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接，每个通风子区域内的隧道内部均设有环境监测传感器。

优选的，所述风墙包括射流风机、骨架及用于覆盖骨架的包覆层，所述骨架为框架式结构，所述骨架的中部留有通道，所述射流风机设置于骨架的顶部、且其射流方向垂直向下。

优选的，所述送风风筒上设有N-1个异径T型三通，第Ⅰ异径T型三通至第N-1异径T型三通自外向内依次对应设置于第Ⅰ通风子区域至第N-1通风子区域内，第Ⅰ送风支路风机至第N-1送风支路风机依次对应设置于第Ⅰ异径T型三通至第N-1异径T型三通内，第N送风支路风机设置于第N通风子区域内；所述排风风筒上的N-1个异径T型三通及N个排风支路风机与送风风筒上的布置相同。

优选的，第Ⅰ送风支路风机至第N-1送风支路风机分别设置于第Ⅰ异径T型三通的内部至第N-1异径T型三通的内部，第N送风支路风机设置于第N通风子区域的末端接头内，所述末端接头设置于隧道内部的第N-1送风筒末端，所述送风主风机设置于第Ⅰ送风筒的首端、且置于隧道洞口的外部；所述排风风筒上排风支路风机的布置与送风支路风机的布置相同。

优选的，所述异径T型三通包括内设风机基座的中空壳体，所述壳体的一端设有进口，所述壳体的另一端设有第Ⅰ出口，所述壳体的侧壁上设有开口朝向隧道的第Ⅱ出口；所述风机基座用于安装送风支路风机或排风支路风机；所述进口及第Ⅱ出口均为外大内小的锥体管，所述第Ⅰ出口为外小内大的锥体管；所述风机基座与旋转手柄固连，所述旋转手柄的末端延伸至壳体的外部，用于调节送风支路风机的叶轮与送风风筒的夹角，或者调节排风支路风机的叶轮与排风风筒的夹角；所述第Ⅰ出口设有第Ⅰ出口阀门，所述第Ⅱ出口设有第Ⅱ出口阀门。

优选的，所述环境监测传感器为粉尘传感器及一氧化碳传感器，所述环境监测传感器均通过路由器与总控室内的PLC控制柜相连。

优选的，所述环境监测传感器还包括瓦斯传感器，所述瓦斯传感器通过路由器与总控室内的PLC控制柜相连。

优选的，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均设有变频器及继电器，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均与电源并联连接。

优选的，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机分别通过控制器与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接；所述电源为双路电源。

本发明还提供上述分段式通风系统的实施方法，包括以下步骤：

N个通风子区域沿隧道长度方向按照200～300m的长度进行均等划分，不同子区域之间采用风墙进行隔离；

所述通风子区域靠近掌子面的一侧设定为里侧，靠近隧道洞口的一侧设定为外侧；每一通风子区域内的送风支路风机布设在距离该通风子区域的里侧边界10～20m的位置；每一通风子区域的排风支路风机布设在距离该通风子区域的外侧边界10～20m的位置；

PLC控制柜的智能控制原理为根据隧道施工规范要求和隧道施工实际情况，选定不同的环境检测指标及其界限值，作为预设值，采用环境监测传感器的测量值与预设值的差值最大优先逻辑模式分别对主风机和支路风机进行风速调控，主风机包括送风主风机及排风主风机，支路风机包括送风支路风机及排风支路风机。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明将长距离隧道分为若干个独立的通风子区域，以适应粉尘、有毒有害气体沿隧道纵向分布的情况，各个通风子区域单独设置环境监测传感器、送风支路风机及排放支路风机，通过送风支路风机与送风主风机、排风支路风机与排风主风机的协作实现对隧道内部不同位置的个性化通风处理。本发明相比动力集中式通风系统，可以有效降低能耗；同时，工作人员在总控室即可控制隧道通风，操作灵活方便，送风分系统和排风分系统均采用风管方式，尤其适用于煤系地层和油气盆地等瓦斯富集、风险高的瓦斯隧道。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种长距离隧道用分段式通风系统的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图3是图1中的B-B剖视图；

图4是图1中异径T型三通的结构示意图；

图5是图4中异径T型三通的俯视图；

图6是本发明实施例中送风支路风机与送风主风机、排风支路风机与排风主风机及环境监测传感器的控制原理图；

图7是本发明实施例的控制流程图；

图中：1—隧道洞口，2—第Ⅰ通风区域，3—第Ⅰ风墙，4—第Ⅱ通风区域，5—第Ⅱ风墙，6—第N-1通风区域，7—第N-1风墙，8—第N通风区域，9—隧道掌子面，10—隧道衬砌。

送风分系统：11—送风主风机，12—第Ⅰ送风风筒，13—送风分系统第Ⅰ异径T型三通，14—送风分系统第Ⅰ支路风机，15—送风分系统第Ⅱ风筒，16—送风分系统第Ⅱ异径T型三通，17—送风分系统第Ⅱ支路风机，18—送风分系统第N-1风筒，19—送风分系统第N-1异径T型三通，20—送风分系统第N-1支路风机，21—送风分系统第N风筒，22—送风分系统末端接头，23—送风分系统第N支路风机。

排风分系统：24—排风主风机，25—排风分系统第Ⅰ风筒，26—排风分系统第Ⅰ异径T型三通，27—排风分系统第Ⅰ支路风机，28—排风分系统第Ⅱ风筒，29—排风分系统第Ⅱ异径T型三通，30—排风分系统第Ⅱ支路风机，31—排风分系统第N-1风筒，32—排风分系统第N-1异径T型三通，33—排风分系统第N-1支路风机，34—排风分系统第N风筒，35—排风分系统末端接头，36—排风分系统第N支路风机。

37—环境监测传感器，371—粉尘传感器，372—瓦斯传感器，373—一氧化碳传感器，38—多路信号路由器。

39—总控室，40—PLC控制柜，41—控制器；42—变频器，43—继电器，44—双路电源；

异径T型三通：45—进口，46—第Ⅰ出口，47—第Ⅰ出口阀门，48—第Ⅱ出口，49—第Ⅱ出口阀门，50—风机基座，51—旋转手柄，52—风机叶轮。

风墙：53—骨架，54—包覆层，55—通道，56—射流风机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

隧道施工过程中会产生多种有毒有害气体，来源包括爆破、开挖等产生的粉尘，内燃机械产生的尾气，围岩中的瓦斯等。当隧道长度大且为单头掘进施工时，随着掘进深度的增加，上述有毒有害物质会积聚在隧道内部，威胁施工人员人身安全，甚至引发爆炸等安全事故。通风是保持隧道内部空气环境的关键途径。但是当隧道长度较大，尤其是洞内除掌子面之外还存在其他作业点或有毒有害气体溢出点时，传统的动力集中式通风效果不理想。

本发明提供的一种长距离隧道用分段式通风系统，包括沿隧道长度方向布置的送风分系统和排风分系统，所述送风分系统和排风分系统对称布置于隧道的两侧；所述隧道内通过N-1个风墙分隔为N个通风子区域，所述送风分系统包括送风风筒、与送风风筒相连的送风主风机及N个送风支路风机，每个通风子区域对应设有一个送风支路风机；所述排风分系统包括排风风筒、与排风风筒相连的排风主风机及N个排风支路风机，每个通风子区域对应设有一个排风支路风机；所述排风支路风机及送风支路风机分别设有朝向隧道内部的进风口及出风口；所述送风主风机及N个送风支路风机、排风主风机及N个排风支路风机均与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接，每个通风子区域内的隧道内部均设有环境监测传感器。

如图1所示，将隧道分为N个独立的通风子区域，相邻两个通风子区域之间采用风墙进行隔离。N个通风子区域依次为：第Ⅰ通风区域2、第Ⅱ通风区域4直至第N-1通风区域6、第N通风区域8。第Ⅰ通风区域2和第Ⅱ通风区域4由第Ⅰ风墙3隔离，第Ⅱ通风区域4和第3通风区域6由第Ⅱ风墙5隔离，以此类推，第N-1通风区域6和第N通风区域8由第N-1风墙7隔离。其中，风墙的边缘均与隧道衬砌10贴合。

作为一种优选结构，所述送风风筒上设有N-1个异径T型三通，第Ⅰ异径T型三通13至第N-1异径T型三通19自外向内依次对应设置于第Ⅰ通风子区域2至第N-1通风子区域6内，第Ⅰ送风支路风机14至第N-1送风支路风机20依次对应设置于第Ⅰ异径T型三通13至第N-1异径T型三通19内，第N送风支路风机23设置于第N通风子区域8的末端接头22内，末端接头22设置于隧道内送风风筒的第N-1送风筒18末端；所述排风风筒上的N-1个异径T型三通及N个排风支路风机与送风风筒上的布置相同。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述风墙包括射流风机56、骨架53及用于覆盖骨架53的包覆层54，所述骨架53为由钢架装配而成的框架式结构，所述骨架53的中部留有供施工机械和人员通行的通道55，所述射流风机56设置于骨架53的顶部，射流风机56的排风射流方向垂直向下形成风幕，以防不同通风区域之间的出现有毒有害气体时空气相互流通形成灾害扩散。其中，包覆层54的材质为帆布，通道55之外的骨架53均由帆布54覆盖。

如图4、5所示，所述异径T型三通包括内设风机基座50的中空壳体，所述壳体的一端设有进口45，所述壳体的另一端设有第Ⅰ出口46，第Ⅰ出口46设置有第Ⅰ出口阀门47；所述壳体的侧壁上设有开口朝向隧道的第Ⅱ出口48，第Ⅱ出口48设置有第Ⅱ出口阀门49，第Ⅱ出口48负责向所在通风子区域输入新鲜空气或排除污染空气；所述风机基座50用于安装送风支路风机或排风支路风机；所述进口45及第Ⅱ出口48均为外大内小的锥体管，所述第Ⅰ出口46为外小内大的锥体管。其中，第Ⅰ出口阀门及第Ⅱ出口阀门均选用电磁阀，工作人员在总控室通过PLC控制柜即可调节控制各个异径T型三通的出口送风量及排风量。另外，异径T型三通的三个端口直径各不相同，可以根据送风需求改变三个端口的直径。

如图5所示，所述风机基座50与旋转手柄51固连，所述旋转手柄51的末端延伸至壳体的外部，用于调节送风支路风机的叶轮52与送风风筒的夹角，或者调节排风支路风机的叶轮52与排风风筒的夹角。当风机叶轮52与送风风筒或排风风筒同轴时，送风支路风机或排风支路风机分别与送风主风机或排风主风机协作向隧道深部送风或向洞外排风；当风机叶轮52与送风风筒或排风风筒的轴线垂直时，送风支路风机或排风支路风机向所在通风子区域进行送风或排风。采用该结构可使安装在异径T型三通内部的支路风机具有旋转功能，可以根据需求改变风扇叶轮轴线，当与主风机一致时作为串联式风机，当与主风机垂直时，可以通过支路风筒的第Ⅱ出口向所处通风区域输送新鲜空气。异径T型三通与支路风机结合，可以有效提高分段式通风系统的水力稳定性，降低调控难度。

送风分系统的工作过程如下：送风分系统的送风主风机11的出口与第Ⅰ送风筒12的进口相连，第Ⅰ送风筒12的出口与位于第Ⅰ通风区域2的第Ⅰ异径T型三通13的进口连接，第Ⅰ支路风机14位于送风分系统第Ⅰ异径T型三通13的内部；第Ⅰ送风支路风机14通过第Ⅰ异径T型三通13的第Ⅱ出口负责向第Ⅰ通风区域2输入新鲜空气。同理，送风分系统第Ⅱ异径T型三通16内的第Ⅱ支路送风机17的第Ⅱ出口负责向第Ⅱ通风区域4输入新鲜空气；以此类推，送风分系统第N-1异径T型三通19内的第N-1支路送风机20的第Ⅱ出口负责向第N-1通风区域7输入新鲜空气；送风分系统的末端接头22内的第N支路送风机23的第Ⅱ出口负责向第N通风区域8输入新鲜空气，实现N个通风区域的送风。

同理，通过排风分系统的排风操作，实现N个通风区域的向外排风。

其中，第Ⅰ送风筒12、送风分系统第Ⅱ风筒15、送风分系统第N-1风筒18、送风分系统第N风筒21的直径根据通风量需求而逐渐减小，由此减少送风能耗，实际应用时也可以根据通风需求自由调整各通风区域的风筒直径。同理，排风分系统第Ⅰ风筒25、排风分系统第Ⅱ风筒28、排风分系统第N-1风筒31、排风分系统第N风筒34的直径根据通风量需求而逐渐减小，由此减少排风能耗，实际应用时也可以根据通风需求自由调整各通风区域的风筒直径。

在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，每个通风子区域内的隧道衬砌10表面上均设有环境监测传感器37，所述环境监测传感器37为粉尘传感器371及一氧化碳传感器373，所述环境监测传感器37均通过路由器38与总控室内的PLC控制柜40相连。其中，环境监测传感器可以根据瓦斯实际环境情况自主选择，当隧道为瓦斯隧道时，可增加瓦斯传感器372。安装布置时，可将粉尘传感器371、瓦斯传感器372及一氧化碳传感器373均布于隧道衬砌10面上。如图6、7所示，第Ⅰ通风区域2、第Ⅱ通风区域4…第N-1通风区域6，第N通风区域8的粉尘传感器371，瓦斯传感器372，一氧化碳传感器373按照一定的时间间隔对环境进行连续地自动化监测，监测到的数据通过多路信号路由器38进行搜集、并传输至总控室39内PLC控制柜40进行分析、存储。

其中，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均设有变频器42及继电器43，且分别通过控制器41与总控室39内的PLC控制柜40无线或有线连接，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均与电源并联连接。控制器41对风机对应的变频器42发出控制指令，变频器42协调继电器43改变风机的运行模式，形成一次控制过程。接着，采集新一组传感器上传数据，反馈上一次调控的实际效果，开始新一轮的控制过程，由此形成对风机自动调节的闭环控制过程。

其中，风机的关键设计参数包括风机类型（轴流、射流）、功率（风压）及空间位置。所有风机通过加装继电器、变频器及控制器，继电器连接在电源与变频器之间，变频器的输入端与继电器相连、输出端与风机组成电流回路。不但可以独立运行，还可以实现任意风量大小的调节，实现电气化、信息化、自动化操作，根据实际隧道内部的各种参数变化进行实时调整，达到良好的通风效果。

另外，电源选用双路电源，当一路电源出现故障时，自动地切换至另一路电源，保证通风系统正常运行。

具体制作时，送风风筒及排风风筒均选用柔性风管，关键设计参数包括风筒长度、直径、空间位置。柔性风筒可采用帆布风筒、胶布风筒和人造革风筒。风筒的安装方法为，首先采用膨胀螺栓在隧道侧壁或拱顶安装支座，然后通过钢丝绳将主风筒吊挂固定。风管悬挂应平、直、稳、紧。风筒与异径T型三通的连接方式采用螺纹连接方式。鉴于排风风筒内部为负压，需要配置刚性风筒，具体型式为带刚性骨架的可伸缩风筒，在柔性风筒内每隔一定距离加一个钢丝圈或螺旋形钢丝圈。

本发明还提供一种分段式通风系统的实施方法，包括以下步骤：

N个通风子区域沿隧道长度方向按照200～300m的长度进行均等划分，不同子区域之间采用风墙进行隔离；

所述通风子区域靠近掌子面的一侧设定为里侧，靠近隧道洞口的一侧设定为外侧；每一通风子区域内的送风支路风机布设在距离该通风子区域的里侧边界10～20m的位置；每一通风子区域的排风支路风机布设在距离该通风子区域的外侧边界10～20m的位置；

PLC控制柜的智能控制原理为根据隧道施工规范要求和隧道施工实际情况，选定不同的环境检测指标及其界限值，作为预设值，采用环境监测传感器的测量值与预设值的差值最大优先逻辑模式分别对主风机和支路风机进行风速调控，主风机包括送风主风机及排风主风机，支路风机包括送风支路风机及排风支路风机。

通过PLC控制柜实现远程自动化监测与控制，控制原理及步序为：

（1）根据隧道施工规范要求和隧道施工实际情况，选定环境检测指标，包括粉尘浓度、瓦斯浓度、断面风速等。

（2）总控室39内的PLC控制柜40提前设置环境监测指标的界限值，监测指标及设定值可根据隧道施工实际情况、现场应用效果进行灵活调整。

（3）环境监测传感器由多路信号路由器进行数据传输与转换，并传输至PLC控制柜40。

（4）PLC控制柜40对采集数据与设定值进行对比分析，评估监测指标的偏差值，通过设定逻辑分析得到调控指令。

（5）PLC控制柜将调控指令传输至各个风机对应的控制器41；通过变频器协调继电器改变主风机与支路风机的运行模式，形成一次控制过程。

（6）采集新一组传感器上传数据，反馈上一次调控的实际效果，开始新一轮的控制过程，由此形成对风机自动调节的闭环控制过程。

自动化控制的关键技术在于对监测数据与预设指标值的对比分析与逻辑推演过程，所述调控指令的获取原理采用测量值与预设值的差值最大优先逻辑模式，如图7所示。差值分为正差（大于设定值）与负差（小于设定值）两种类型。调控指令的计算逻辑为：

（1）当所有类型监测指标均出现正差时，按照正差值最大的指标类型所需增大的风量，对风机的风速进行增速调控；

（2）当所有监测指标均出现负差时，按照负差值最大（负差绝对值最小）的指标类型所需减小的风量，对风机的风速进行降速调控。

（3）当监测指标同时出现正差和负差时，应按照正差调控原则进行风速增大调控。

调控指令的执行步骤为：

第一步，根据所有传感器的总最大差值对送风主风机及排风主风机的工作状态进行调整；

第二步，根据各个子通风系统的分最大差值，改变送风支路风机及排风支路风机的工作转速，实现风量调节。

实际应用中，可以通过调整送风支路风机或排风支路风机的方向和异径T型三通两个出口阀门来对通风范围、通风时间进行自主调整。

第一种情况：当隧道掌子面9施工作业时，仅隧道掌子面附近存在粉尘，其他区域没有出现有毒有害气体，因此仅需要对第N通风区域8进行通风。那么，将送风分系统第Ⅰ送风支路风机14、第Ⅱ送风支路风机17直至第N-1送风支路风机20的风机叶轮均设置为与风筒同轴，开启上述送风支路风机的第Ⅰ出口阀门47、关闭第Ⅱ出口阀门49，所有送风支路风机与送风主风机协作向掌子面压入新鲜空气。同时，将排风分系统的第Ⅰ排风支路风机27、第Ⅱ排风支路风机30、第N-1排风支路风机33的风机叶轮均设置为与风筒同轴，开启上述排风支路风机的第Ⅰ出口阀47门、关闭第Ⅱ出口阀门49，所有排风支路风机与排风主风机协作从掌子面向外排除污染空气。

特别是，当隧道掌子面施工粉尘浓度不大时，可以关闭通风系统，关闭风墙上的射流风机56，使粉尘沿隧道主洞向外运移排除，以节省能耗。

第二种情况：当隧道掌子面9施工作业时，除隧道掌子面附近存在粉尘之外，第Ⅱ通风区域4有内燃机械进行维修而产生大量尾气，因此需要对第Ⅱ通风区域4和第N通风区域8同时进行通风。那么，将送风分系统第Ⅰ送风支路风机14至第N-1送风支路风机20的风机叶轮均设置为与风筒同轴，开启上述送风支路风机所在异径T型三通的第Ⅰ出口阀门47、关闭第Ⅱ出口阀门49。而将第Ⅱ送风支路风机17的风机叶轮设置为与风筒轴线垂直，开启第Ⅱ送风支路风机17异径T型三通的第Ⅰ出口阀门47和第Ⅱ出口阀门49，向第Ⅱ通风区域4和第N通风区域8输入新鲜空气。同时，将排风分系统第Ⅰ排风支路风机27、第N-1排风支路风机33的风机叶轮均设置为与风筒同轴，开启上述排风支路风机所在异径T型三通的第Ⅰ出口阀门47、关闭第Ⅱ出口阀门49。而将排风分系统第Ⅱ排风支路风机30的风机叶轮设置为与风筒轴线垂直，开启第Ⅱ排风支路风机30所在异径T型三通的第Ⅰ出口阀门47和第Ⅱ出口阀门49，从第Ⅱ通风区域4和第N通风区域8排出空气。

第三种情况：当隧道处于瓦斯富集的煤系地层或油气盆地时，隧道掌子面9与二次衬砌裂隙处均有瓦斯溢出，整条隧道均存在瓦斯气体，全部需要通风。那么，将送风分系统第Ⅰ送风支路风机、第Ⅱ送风支路风机直至第N-1送风支路风机的风机叶轮均设置为与风筒垂直，开启上述送风支路风机的第Ⅰ出口阀门和第Ⅱ出口阀门，向所有通风子区域压入新鲜空气。同时，排风分系统第Ⅰ排风支路风机、第Ⅱ排风支路风机、第N-1排风支路风机的风机叶轮均设置为与风筒垂直，开启上述排风支路风机的第Ⅰ出口阀门和第Ⅱ出口阀门，从所有通风子区域排出污染空气。

第四种情况：当隧道掌子面9停工，第N-1通风区域进行动火作业时，仅需要对第N-1通风区域进行通风。那么，将送风分系统第Ⅰ送风支路风机、第Ⅱ送风支路风机的风机叶轮均设置为与风筒同轴，开启上述送风支路风机所在异径T型三通的第Ⅰ出口阀门、关闭第Ⅱ出口阀门；将送风分系统第N-1送风支路风机的风机叶轮均设置为与风筒垂直，开启送风分系统第N-1送风支路风机所在异径T型三通的第Ⅱ出口阀门、关闭第Ⅰ出口阀门，向第N-1通风区域压入新鲜空气。由于动火作业产生的污风浓度低，不启动排风分系统，关闭风墙射流风机，直接使污风沿风墙通道排出。

第五种情况：根据隧道施工作业特点，粉尘在钻孔→装药爆破→出渣运输→初期支护→二次衬砌等不同工序阶段呈现不同的浓度水平，针对上述工序持续时间的不同，通过环境监测传感器37的监控值采取不同的通风量。

本发明实施例中分段式通风系统的设计方法，具体步骤如下：

步骤1：有毒有害气体释放量计算。通过现场实测确定掌子面的粉尘、隧道的内燃机械尾气、动火作业CO、掌子面瓦斯等各类有毒有害气体的释放量。

步骤2：通风量计算。考虑步骤1中各类有毒有害气体稀释至安全浓度所对应的动态通风需求，确定隧道内部不同通风区域的典型通风量和最大通风量。在进行通风管网设计主要以典型通风量进行管网设计，兼顾其他通风需求工况。在进行风机选型时，保证风机在典型通风量下高效运行，并以最大通风量作为选择型号。

步骤3：区段划分。对比各类有毒有害气体对应所需的通风量与风机通风量可选范围，确定通风子区域的长度，一般取为200～300m。

步骤4：风筒设计。根据各个通风子区域的通风量水平，以及通风风速的区间要求，对风筒尺寸与风筒流速进行设计计算。

步骤5：支路风机位置设置。各个子区域送风支路风机一般布设在距离里侧边界10～20m的位置；所述各个子区域的排风支路风机一般布设在距离外侧边界10～20m的位置。

步骤6：零压点位置确定。零压点是指通风系统干管上出现的零静压点。零压点的位置选取对通风系统的输配能耗、风机选型、运行控制等都有影响。理论上零压点在最不利环路与最有利环路之间。

步骤7：风机选型。主风机与支路风机均选择可调速风机，主风机选择性能曲线为平坦型的，支路风机选择陡峭型的。

一种设计方法为：主风机的压力以最大通风量计算下的阻力损失作为额定风压，满足最大通风需求。支路风机根据最大通风量工况下主风机的选型进行匹配压力，满足最不利状况的使用需求。

另一种设计方法为：零压点确定后，按照设计工况下克服主风机至零压点之间的通风管道阻力，对主风机进行设计选型。主风机能够调速，出口余压不应过大，但是流量的变化范围宽。主风机在部分负荷条件下的运行高效率区较宽。然后，利用干管零压点，推算各支管入口处的静压。对各支管进行水力计算，根据各支管流量，进行各支管风机的选型。保证实际运行过程中末端流量可调。在设计时应特别注意支管入口静压，结合支路风机的沿程阻力和局部阻力，根据入口静压进行支管风机转速的设定。

步骤8：自动化控制设备安装。连接通风系统的供电线路，连接环境监测传感器及PLC控制柜，连接PLC控制柜与通风设备，实现自动化监测与控制。

步骤9：系统调试。在PLC控制柜设定各个环境监测指标的界限值，以及不同界限值对应的风机风速值，并对不同风速进行调试。

步骤10：调试正常后，投入运行。

上述设计方法采取动力分段式通风技术措施，主要是为了消除通风管网不平衡问题，减小输配系统能耗，满足动态通风需求。进行动力分段式通风系统设计时，应符合国家现行有关标准的规定，如《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB 10120-2019）、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）等。

综上所述，本发明的有益效果具体如下：

分区段：针对瓦斯隧道施工时除掌子面揭露岩层溢出瓦斯之外，施作衬砌之后的围岩由于爆破和机械振动作用仍然有瓦斯从衬砌密封不好的部位溢出，导致整条隧道的大量部位仍然存在瓦斯灾害风险。根据隧道长度和瓦斯涌出水平，对隧道纵向通风方案进行区域划分，在每一通风区域增加一个分支通风系统，以单机控制方式控制支路通风系统的运行，实现对各个区域的个性化通风处理。例如，对粉尘、有毒气体污染严重的区段，包括掌子面、二衬施作后仍有瓦斯外泄等区域，进行强化通风，且排风独立于其他区段，以管道形式直接排至瓦斯隧道洞外，以防污染其他区域或扩大瓦斯影响范围；对台车、大型机械停留区、人力作业面进行局部强化通风；对瓦斯含量极高的煤系地层，即使通过之后仍然通过衬砌向外泄漏瓦斯的段落进行持续的强化通风。

分时段：根据隧道施工作业特点，在钻孔→装药爆破→出渣运输→初期支护→二次衬砌等不同工序阶段，粉尘和瓦斯在掌子面的涌出量及其在隧道纵向上的分布规律有所不同，针对上述工序完成时间的不同，采取不同的通风量。

分风量：对粉尘、有毒气体污染严重的区段加大送风量；对轻微粉尘污染的区域减少通风换气量；对没有污染区域（或停产区域）停止通风换气。

智能化：将隧道粉尘与瓦斯等有害气体的自动监测系统、数据传输与智能决策、动态反馈与调控系统、通风系统联合为一体，能够根据隧道内部粉尘、瓦斯浓度实现通风量的动态计算，并根据通风量需求对通风系统进行联动。

节能化：一方面，由于采用了动力分布的输配方式，整个管网的压力降低，管道漏风量也相应降低；另一方面，采用动态通风的理念，通风系统采用变频风机技术，能够自适应动态调节风机风压和风量，变速运行，减少能耗。

可靠化：动力分段式通风系统中主风机和支路风机共同承担通风任务，单台风机失效的情况下通风系统不会完全失效，可以通过其他风机的运行保有一定的送风量，保证洞内人员的基本安全要求。

动力分段式通风系统集成多种成熟的技术于一体，目标是克服既有通风系统存在的各类缺陷，包括能耗高、风阻大、漏风多、有毒气体开放扩散、可靠性差等，实现长距离隧道通风的高效性、节能性和安全性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：包括沿隧道长度方向布置的送风分系统和排风分系统，所述隧道内通过N-1个风墙分隔为N个通风子区域，所述送风分系统包括送风风筒、与送风风筒相连的送风主风机及N个送风支路风机，每个通风子区域对应设有一个送风支路风机；所述排风分系统包括排风风筒、与排风风筒相连的排风主风机及N个排风支路风机，每个通风子区域对应设有一个排风支路风机；所述排风支路风机及送风支路风机分别设有朝向隧道内部的进风口及出风口；所述送风主风机及N个送风支路风机、排风主风机及N个排风支路风机均与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接，每个通风子区域内的隧道内部均设有环境监测传感器；

所述送风风筒上设有N-1个异径T型三通，第Ⅰ异径T型三通至第N-1异径T型三通自外向内依次对应设置于第Ⅰ通风子区域至第N-1通风子区域内，第Ⅰ送风支路风机至第N-1送风支路风机依次对应设置于第Ⅰ异径T型三通至第N-1异径T型三通内，第N送风支路风机设置于第N通风子区域内；所述排风风筒上的N-1个异径T型三通及N个排风支路风机与送风风筒上的布置相同；第Ⅰ送风支路风机至第N-1送风支路风机分别设置于第Ⅰ异径T型三通的内部至第N-1异径T型三通的内部，第N送风支路风机设置于第N通风子区域的末端接头内，所述末端接头设置于隧道内部的第N-1送风筒末端，所述送风主风机设置于第Ⅰ送风筒的首端、且置于隧道洞口的外部；所述排风风筒上排风支路风机的布置与送风支路风机的布置相同；

所述异径T型三通包括内设风机基座的中空壳体，所述壳体的一端设有进口，所述壳体的另一端设有第Ⅰ出口，所述壳体的侧壁上设有开口朝向隧道的第Ⅱ出口；所述风机基座用于安装送风支路风机或排风支路风机；所述进口及第Ⅱ出口均为外大内小的锥体管，所述第Ⅰ出口为外小内大的锥体管；所述风机基座与旋转手柄固连，所述旋转手柄的末端延伸至壳体的外部，用于调节送风支路风机的叶轮与送风风筒的夹角，或者调节排风支路风机的叶轮与排风风筒的夹角；所述第Ⅰ出口设有第Ⅰ出口阀门，所述第Ⅱ出口设有第Ⅱ出口阀门。

2.根据权利要求1所述的长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：所述环境监测传感器为粉尘传感器及一氧化碳传感器，所述环境监测传感器均通过路由器与总控室内的PLC控制柜相连。

3.根据权利要求1所述的长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：所述环境监测传感器还包括瓦斯传感器，所述瓦斯传感器通过路由器与总控室内的PLC控制柜相连。

4.根据权利要求1所述的长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均设有变频器及继电器，所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机均与电源并联连接。

5.根据权利要求4所述的长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：所述送风主风机、送风支路风机、排风主风机及排风支路风机分别通过控制器与总控室内的PLC控制柜无线或有线连接；所述电源为双路电源。

6.根据权利要求1-5任一项所述的长距离隧道用分段式通风系统，其特征在于：所述风墙包括射流风机、骨架及用于覆盖骨架的包覆层，所述骨架为框架式结构，所述骨架的中部留有通道，所述射流风机设置于骨架的顶部、且其射流方向垂直向下。

7.如权利要求1所述的分段式通风系统的实施方法，包括以下步骤：

N个通风子区域沿隧道长度方向按照200～300m的长度进行均等划分，相邻通风子区域之间通过风墙进行隔离；

每个通风子区域靠近掌子面的一侧设定为里侧，靠近隧道洞口的一侧设定为外侧；每一通风子区域内的送风支路风机布设在距离该通风子区域的里侧边界10～20m的位置；每一通风子区域的排风支路风机布设在距离该通风子区域的外侧边界10～20m的位置；

PLC控制柜的智能控制原理为根据隧道施工规范要求和隧道施工实际情况，选定不同的环境检测指标及其界限值，作为预设值，采用环境监测传感器的测量值与预设值的差值最大优先逻辑模式分别对主风机和支路风机进行风速调控，主风机包括送风主风机及排风主风机，支路风机包括送风支路风机及排风支路风机。

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