CN117027901A - 一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法，包括沿同向持续向前掘进多条导洞；沿掘进方向每间隔X米设置一条用于连通各导洞的横向通道；以压入式通风向各条导洞的掌子面输入洞外空气；检测掌子面附近的氧含量、温度和含尘量；当含氧量达到阈值A1时，在掌子面附近通过移动式制氧设备局部制氧；当温度达到阈值B1时，在掌子面附近通过移动式制冷设备局部制冷；当含尘量达到阈值C1时，在掌子面附近通过移动式除尘设备局部吸尘。在压入式通风方式逐渐失效的情况下，通过移动式设备对掌子面附近的作业环境进行针对性改善，从而能够以满足施工要求。

Description

一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法

技术领域

本发明主要涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法。

背景技术

在隧道施工过程中，为了保障施工人员的身体健康，需对洞内环境进行调控以实现洞内氧气充足、温度适宜且有害物质(如粉尘)浓度达标。传统的调控方法包括由洞外向洞内输入新鲜空气，并由洞内向洞外输出二氧化碳含量过高、温度过高和有害物质浓度过高的污浊空气，以置换的形式保证洞内的持续供氧、降温和除尘。随着极限条件不良地质隧道的逐步增加，高原、高寒、低氧、高地温长大甚至特长隧道的增加，而当隧道长度大、海拔高且穿越地热带时，由于洞外氧气稀薄、洞内因高温耗氧增加，且长距离输送过程中因泄漏、阻力等造成耗损，到达掌子面的风量难以满足供氧、降温和除尘要求，即传统的调控方法失效。因此，亟需一种能够适用于高原、高寒、低氧、高地温长隧道施工的供氧、降温和除尘方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用于高海拔地区穿越高温带的隧道施工的供氧、降温和除尘方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法，包括以下步骤：

步骤S1：沿同向持续向前掘进多条导洞；

步骤S2：沿掘进方向每间隔X米设置一条用于连通各导洞的横向通道；

步骤S3：以压入式通风向各条导洞的掌子面输入洞外空气；

步骤S4；检测掌子面附近的氧含量、温度和含尘量；

步骤S5：当含氧量达到阈值A1时，在掌子面附近通过移动式制氧设备局部制氧；

步骤S6；当温度达到阈值B1时，在掌子面附近通过移动式制冷设备局部制冷；

步骤S7：当含尘量达到阈值C1时，在掌子面附近通过移动式除尘设备局部吸尘。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S3包括：

步骤S3.1：开启掘进方向最前端的Y条横向通道，并封闭剩余横向通道；

步骤S3.2：经一条导洞向各个掌子面同时通入洞外空气，洞内空气经开启状态的横向通道进入其余导洞并向洞外排出。

所述步骤S3.2包括：

步骤S3.2.1：分别计算洞内允许最小风量Q₁、洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂、爆破排烟最小风量Q₃和稀释内燃机废气最小风量Q₄；

步骤S3.2.2：取Q₁、Q₂、Q₃和Q₄中的最大值作为控制设计通风量Q；

步骤S3.2.3：根据设计通风量Q计算风机出口需风量Q_机；

步骤S3.2.4：根据风机出口需风量Q_机选择向导洞(1)内通入洞外空气的风机型号。

所述步骤S3.2还包括：

步骤S3.2.5：检测洞内人数，并根据洞内人数调节风机输出风量。

所述供氧、降温和除尘方法还包括：

步骤S8：当导洞(1)深度达到L_max时，停止所述步骤S2和所述步骤S3。

在所述步骤S8后，还包括：

步骤S9：距掌子面Z米设置气帘。

计算洞内允许最小风量Q₁的公式为：

Q₁＝v_minA_maxK_d

其中：v_min-保证洞内稳定风流之最小允许风速、A_max-最大开挖断面、K_d-导洞影响系数。计算洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂的公式为：

Q₂＝A×M

其中：A-每人每分钟所需新鲜空气量、M-洞内同时工作的最多人数。

计算爆破排烟最小风量Q₃的公式为：

其中：t-爆破排烟时间、G-单次炸药最大使用量、A-开挖最大断面面积、L₀-通风长度；

L₀＝K₀L_t

其中：K₀-安全系数、L_t-炮烟的抛掷长度。

计算稀释内燃机废气最小风量Q₄的公式为：

其中：k-功率通风计算系数、T_i-各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数、N_i-某类内燃设备总台数、M_i-各台柴油设备的额定功率、U-高原设备运行效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在常规技术手段所采取的单纯压入式通风方式将随着隧道深度的增加而逐渐失效的情况下，通过设置步骤S4，对掌子面附近的氧含量、温度和含尘量分别进行自动持续检测，当任一指标下降至最低要求时，便对应启动步骤5、步骤6或步骤7，利用移动式设备对掌子面附近的作业环境进行针对性改善，从而以满足施工要求。

附图说明

图1是隧道施工的供氧、降温和除尘方法的流程图；

图2是步骤S1时的隧道结构示意图；

图3是步骤S2时的隧道结构示意图；

图4是步骤S3时的隧道结构示意图；

图5是步骤S5的隧道结构示意图；

图6是步骤S9时的隧道结构示意图。

图中各标号表示：1、导洞；11、掌子面；2、横向通道；3、制氧设备；4、制冷设备；5、除尘设备；6、气帘。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，包括以下步骤：

步骤S1：沿同向持续向前掘进多条导洞1；

步骤S2：沿掘进方向每间隔X米设置一条用于连通各导洞1的横向通道2；

步骤S3：以压入式通风向各条导洞1的掌子面11输入洞外空气；

步骤S4；检测掌子面11附近的氧含量、温度和含尘量；

步骤S5：当含氧量达到阈值A1时，在掌子面11附近通过移动式制氧设备3局部制氧；

步骤S6；当温度达到阈值B1时，在掌子面11附近通过移动式制冷设备4局部制冷；

步骤S7：当含尘量达到阈值C1时，在掌子面11附近通过移动式除尘设备5局部吸尘。

通过设置步骤S1和步骤S2，各条导洞1与横向通道2连通形成若干“n”字形风道，又通过设置步骤S3，当从一条导洞1输入洞外新鲜空气时，因洞内正压排挤洞内的污浊空气经横向通道2流进其余导洞1、并裹挟扬尘向洞外输出。因为洞外的新鲜空气相对洞内污浊空气的含氧量高、温度低，因此可通过空气交换达到增氧、降温的效果。同时，又因为空气流动能够吹走扬尘，从而实现了除尘功能。但在穿越高温带的高海拔地区建造长隧道时，一方面，洞外空气中氧气稀薄，且洞外空气在向洞内运输过程中存在泄漏、损耗的情况，因此随着隧道施工的深入，输送到掌子面11的氧气含量将难以满足正常的耗氧需求，也无法提供足够的风量将洞内浮尘吹出洞外；另一方面，由于隧道穿越高温带、洞内温度高，空气在洞内长距离运输的过程中持续与洞内环境进行热交换而升温，因此，到达掌子面时的空气温度已无法满足降温需求。也就是说，常规技术手段所采取的单纯压入式通风方式将随着隧道深度的增加而逐渐失效。在此情况下，本申请通过设置步骤S4，对掌子面11附近的氧含量、温度和含尘量分别进行自动持续检测，当任一指标下降至最低要求时，便对应启动步骤5、步骤6或步骤7，利用移动式设备对掌子面11附近的作业环境进行针对性改善，从而以满足施工要求。在本实施例中，X的取值范围为200-500，阈值A1即为根据施工要求设置的最低含氧量、阈值B1即为根据施工要求设置的最高温度、阈值C1即为根据施工要求设置的最大含尘量。

具体地，导洞数量为2条或2条以上；导洞尺寸不小于宽7.1m*高6.5m；相邻导洞间距为30m；相邻横向通道的间距X为200-500m；阈值A1为18％；阈值B1为33℃；阈值C1为每立方游离二氧化硅粉尘总量达到6mg。

进一步地，在步骤S5中还包括结合自动环境检测仪测定，当氧气、粉尘、有害气体(含瓦斯、二氧化碳等)、温度等主要测定指标超限时即自动报警，发生预警信息至工地负责人，启动应急程序。其中，低氧区段采用固态氧颗粒置于水箱中，开启增氧泵，提高作业面氧气含量。

更进一步地，步骤S6主要采取通风、冷水降温、机械制冷、冰块制冷、热水集中引排、降低围岩热辐射影响等综合降温措施，改善洞内作业环境。一是将加强洞内通风作为主要降温手段；二是利用洞外冷水进行喷洒、融合降温；三是采取洞内机械制冷和局部冰块降温；四是做好洞内热水超前封堵、集中引排；五是通过隔热砼和敷设隔热材料等措施降低围岩热辐射影响。对高地温地段采用冷水喷雾降温，每作业面配2套风送式远程喷雾机，利用雾化的低温水对环境进行降温；并采用喷雾洒水对初支、二衬表面、爆破后的岩块表面进行降温。

本实施例中，步骤S3包括：

步骤S3.1：开启掘进方向最前端的Y条横向通道2，并封闭剩余横向通道2；

步骤S3.2：经一条导洞1向各个掌子面11同时通入洞外空气，洞内空气经开启状态的横向通道2进入其余导洞1并向洞外排出。

由于沿掘进方向设置有若干条横向通道2，在进行压入式通风的过程中，通过关闭多余的横向通道2、仅保留最前端的Y条横向通道2供气体穿过，从而能够避免输入的洞外新鲜空气在到达掌子面11前穿过横向通道2进入其余导洞1而被排出，同时也能避免输出的洞内污浊空气在到达洞口前穿过横向通道2进入输入新鲜空气的导洞1而形成残留。在本实施例中，Y的取值范围为1-3；在其他实施例中，亦可根据实际需要进行改变。

本实施例中，步骤S3.2包括：

步骤S3.2.1：分别计算洞内允许最小风量Q₁、洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂、爆破排烟最小风量Q₃和稀释内燃机废气最小风量Q₄；

步骤S3.2.2：取Q₁、Q₂、Q₃和Q₄中的最大值作为控制设计通风量Q；

步骤S3.2.3：根据设计通风量Q计算风机出口需风量Q_机；

步骤S3.2.4：根据风机出口需风量Q_机选择向导洞1内通入洞外空气的风机型号。

为了满足通风要求以达到预期的增氧、降温和除尘效果，需根据计算选择适配的风机型号。控制设计通风量Q是根据洞内允许最小风量Q₁、洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂、爆破排烟最小风量Q₃和稀释内燃机废气最小风量Q₄所确定的，具体地：

计算洞内允许最小风量Q₁的公式为：

Q₁＝v_minA_maxK_d

其中：v_min-保证洞内稳定风流之最小允许风速、A_max-最大开挖断面、K_d-导洞影响系数。计算洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂的公式为：

Q₂＝A×M

其中：A-每人每分钟所需新鲜空气量、M-洞内同时工作的最多人数。

计算爆破排烟最小风量Q₃的公式为：

其中：t-爆破排烟时间、G-单次炸药最大使用量、A-开挖最大断面面积、L₀-通风长度；

L₀＝K₀L_t

其中：K₀-安全系数、L_t-炮烟的抛掷长度。

计算稀释内燃机废气最小风量Q₄的公式为：

其中：k-功率通风计算系数、T_i-各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数、N_i-某类内燃设备总台数、M_i-各台柴油设备的额定功率、U-高原设备运行效率。

进一步地，取Q₁、Q₂、Q₃和Q₄中的最大值作为控制设计通风量Q，即：

Q＝MAX{Q₁、Q₂、Q₃、Q₄}

进一步地，根据设计通风量Q计算风机出口需风量Q_机，公式为：

Q_机＝Q/[(1-β)^(L/100)]

其中：β-百米漏风率平均值、L-通风管长度。

进一步地，根据风机出口需风量Q_机选择向导洞1内通入洞外空气的风机型号。

本实施例中，步骤S3.2还包括：

步骤S3.2.5：检测洞内人数，并根据洞内人数调节风机输出风量。

由以上计算过程可知，计算所得风机出口需风量Q_机的取值一定满足洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂的要求，而在实际施工过程中，当洞内实际工作人员数量m少于洞内同时工作的最多人数M时，风机所输出的风量将超出实际需求，从而造成浪费。因此，通过设置步骤S3.2.5，计算得出可减小输出风量值Q_减，据此调节风机的实际输出风量Q_实，实现能源节约。具体计算公式如下：

Q_实＝Q_机-Q_减

Q_减＝A×(M-m)

其中：A-每人每分钟所需新鲜空气量、M-洞内同时工作的最多人数、m-洞内实际工作人员数量。

更进一步地，为了实现智能化控制，在导洞1入口设置有用于统计洞内人数的感应设备，该感应器与风机的控制系统信号连接，风机的控制系统根据感应器发送的人数信息实时调节风机的输出风量。

本实施例中，供氧、降温和除尘方法还包括：

步骤S8：当导洞1深度达到L_max时，停止所述步骤S2和所述步骤S3。

由以上计算公式Q_机＝Q/[(1-β)^(L/100)]可知，由于通风管存在泄漏，且泄漏量与运距呈正相关，即当导洞1越深，空气的输送效率越低、损耗越大。为了减少能源浪费，当导洞1深度达到L_max时，停止继续沿掘进方向每间隔X米设置一条用于连通各导洞1的横向通道2，并停止以压入式通风向各条导洞1的掌子面11输入洞外空气；而采用移动式制氧设备3局部制氧、移动式制冷设备4局部制冷和移动式除尘设备5局部吸尘对压入式通风进行完全取代。

不仅如此，为了避免掌子面附近制造产生的氧气和冷气扩散，在距掌子面11Z米设置气帘6以对导洞1进行局部封闭。在本实施例中，Z的取值范围为10-50米；在其他实施例中，也可根据实际需求进行调整。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：沿同向持续向前掘进多条导洞(1)；

步骤S2：沿掘进方向每间隔X米设置一条用于连通各导洞(1)的横向通道(2)；

步骤S3：以压入式通风向各条导洞(1)的掌子面(11)输入洞外空气；

步骤S4；检测掌子面(11)附近的氧含量、温度和含尘量；

步骤S5：当含氧量达到阈值A1时，在掌子面(11)附近通过移动式制氧设备(3)局部制氧；

步骤S6；当温度达到阈值B1时，在掌子面(11)附近通过移动式制冷设备(4)局部制冷；

步骤S7：当含尘量达到阈值C1时，在掌子面(11)附近通过移动式除尘设备(5)局部吸尘。

2.根据权利要求1所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

步骤S3.1：开启掘进方向最前端的Y条横向通道(2)，并封闭剩余横向通道(2)；

步骤S3.2：经一条导洞(1)向各个掌子面(11)同时通入洞外空气，洞内空气经开启状态的横向通道(2)进入其余导洞(1)并向洞外排出。

3.根据权利要求2所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：所述步骤S3.2包括：

步骤S3.2.1：分别计算洞内允许最小风量Q₁、洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂、爆破排烟最小风量Q₃和稀释内燃机废气最小风量Q₄；

步骤S3.2.2：取Q₁、Q₂、Q₃和Q₄中的最大值作为控制设计通风量Q；

步骤S3.2.3：根据设计通风量Q计算风机出口需风量Q机；

步骤S3.2.4：根据风机出口需风量Q机选择向导洞(1)内通入洞外空气的风机型号。

4.根据权利要求3所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：所述步骤S3.2还包括：

步骤S3.2.5：检测洞内人数，并根据洞内人数调节风机输出风量。

5.根据权利要求1所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：所述供氧、降温和除尘方法还包括：

步骤S8：当导洞(1)深度达到L_max时，停止所述步骤S2和所述步骤S3。

6.根据权利要求5所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：在所述步骤S8后，还包括：

步骤S9：距掌子面(11)Z米设置气帘(6)。

7.根据权利要求3所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：计算洞内允许最小风量Q₁的公式为：

Q₁＝v_minA_maxK_d

其中：v_min-保证洞内稳定风流之最小允许风速、A_max-最大开挖断面、K_d-导洞影响系数。

8.根据权利要求3所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：计算洞内同一时间最多工作人员数量所需最小风量Q₂的公式为：

Q₂＝A×M

其中：A-每人每分钟所需新鲜空气量、M-洞内同时工作的最多人数。

9.根据权利要求3所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：计算爆破排烟最小风量Q₃的公式为：

其中：t-爆破排烟时间、G-单次炸药最大使用量、A-开挖最大断面面积、L₀-通风长度；

L₀＝K₀L_t

其中：K₀-安全系数、L_t-炮烟的抛掷长度。

10.根据权利要求3所述的隧道施工的供氧、降温和除尘方法，其特征在于：计算稀释内燃机废气最小风量Q₄的公式为：

其中：k-功率通风计算系数、T_i-各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数、N_i-某类内燃设备总台数、M_i-各台柴油设备的额定功率、U-高原设备运行效率。