射流风机布置方案对随道通风中粉尘含量影响

周容

中国电建集团透平科技有限公司

摘要：我国地域广阔，地势西高东低，为了发展经济，需要在山岭等较高地势中修建特长隧道，以便于人们出行。现阶段，在开挖山岭隧道施工中，钻爆法是主要采用的施工方法，但是在使用此种施工手段的过程中，所产生的粉尘较多，且浓度较高，会严重侵害施工人员的生命安全，降低施工效率和施工质量。针对于此，本文深入分析了特长隧道压入式通风，并优化了射流风机通风方案，希望为相关人员提供可参考的依据。

关键词：特长隧道；压入式通风；射流风机；通风方案

一、工程概况

本次以国内某工程隧道为研究对象，其隧道长度值为17.7m，根据工况所需风量，隧道选用叶轮直径1.4m的轴流通风机，随着通风长度的增加，风管逐步由1增加至3个。结合洞外布设的1台轴流风机和第1阶段压入式通风方案（见表1）来作为隧道施工检测期间的通风方法，通过在隧道纵线设置一系列测点，测得不同位置实际施工粉尘浓度。测试粉尘浓度阶段未将射流风机加入到通风系统之中。

表1 第1阶段压入式通风方案

通风长度	数量	风管直径 m	供风量 （m3/s）	掌子面处回风速度（m/s）
3300＜l≤3835	3	1.8	63.58	≥0.3
2300＜l≤3300	2	1.8	59.96	≥0.3
0＜l≤2300	1	1.8	54.21	≥0.3

二、创建数值模型

根据现场实测的开挖长度，以及二衬台车、挂布台车距离掌子面距离来创建几何模型隧道，本项目第一阶段开挖主洞从左至右长度为890m，右侧有长度为1300米的5#斜井，斜井与正洞以137°夹角相交，计划独头通风长度为3.88km。根据现场实测粉尘量分布以及实测风速确定入口边界条件，建立气固两相流数学模型，使得其模拟粉尘量与实测相差无几，从而确保模型可用于此次研究。

三、计算结果与分析

挂布台车和二衬台车处所形成的涡流会造成高浓度粉尘情况，如若将射流风机增设到隧道挂布台车前，就能够加快外移粉尘的速度。现在使用三种变量，第一种变量是l，为射流风机距挂布台车距离；第二种变量是d，为射流风机距隧道中线距离；第三种变量是ｖ，为射流风机风速。同时，使用Fluent软件来进行数值分析。

（一）射流风机距隧道中线距离的影响

在另外两个变量不变的情况下（此时将射流风机与挂布台车距离l设置为20米，风机风速v设置为20米/秒），将射流风机距隧道中线距离d设置为多个数值展开模拟试验。由于风管位于隧道左侧，从隧道左边到右边，分别取-4米、-2米、0米、2米、4米，分析射流风机横向布置位置对于粉尘的影响。由数值分析结果能够发现，基于无风机工程情况，无论d值如何变化，台车附近粉尘浓度整体趋势为：射流风机位置浓度最高，其次是二衬台车后断面位置与是两台车之间；当射流风机距离隧道中线的距离一样时，粉尘趋势为：无论位于台车哪个位置，射流风机布置在隧道左侧时，粉尘浓度都会比布在右侧时更高，如当距离为2m时，布在隧道左侧时（即d= -2米）与布在隧道右侧（即d=2米）时相比，挂布台车前断面粉尘浓度高百分之十二左右，两台车之间断面粉尘浓度高百分之十六左右；当距离为4m时，布在隧道左侧时（即d= -4米）与布在隧道右侧（即d=4米）时相比，挂布台车前断面粉尘浓度高百分之二十左右，两台车之间断面粉尘浓度高百分之八左右。

在自然通风的情况下，随着测试点与掌子面的距离逐步增大，洞内粉尘浓度会逐步减少，距离与浓度间存在对数回归关系。在有台车情况下，在二衬台车后面，由于断面增大，风速度降低，且此时气流比较紊乱，因此此处粉尘含量较高。

（二）射流风机风速对施工隧道内粉尘浓度的影响

在不改变其他因素的前提下，以10m/s、20m/s、30m/s、40m/s数值来设置射流风机出风口风速ｖ，此时射流风机位于隧道中线处，即d值为0m，将挂布台车与隧道风机之间的距离l设置为10m。通过数值分析结果发现，在同一风速下，无论风速值大与小，粉尘浓度趋势依旧与前面试验一样，即二衬台车后、两台车之间以及风机出口断面附近粉尘含量很高。当风速变化时，粉尘浓度与风机风速之间呈现反比关系，风机风速越大，粉尘浓度越低；反之，风机风速越小，粉尘浓度越高。因此为了降低隧道内粉尘浓度，可以尽可能提高射流风机出口风速。

（三）射流风机距挂布台车距离的影响

针对于挂布台车、二衬台车附近粉尘扩散规律以及风流场，为了研究射流风机与挂布台车距离对其产生的影响，在其他因素不变的条件下（此时风机设置于距隧道中线右侧2 m.风机风速设置为20m/s ），设射流风机距挂布台车距离值为l，将l分别取值5、15、25、35m进行试验分析，结果发现，当l=25m时，台车附近位置的粉尘浓度都处于最低，其中对于两台车间的粉尘浓度以及二衬台车后断面处影响最大，降低幅度最大。当风机与挂布台车距离过大或过小，都不能有更好的除尘效果[2]。

   四、射流风机布置方案优化

前文考虑射流风机布置方式对于粉尘含量影响时，选用3个不同的变量进行试验，即l（风机距挂布台车距离）、d（风机距隧道中线距离）以及ｖ（风机风速），每次试验仅仅考虑了单个因素的最优解，而对于三个因素之间的相互影响并没做考虑，因此，为了考虑每个变量间的交互作用，本次设计正交试验，设计了合适的三因素四水平正交表，进而试验后得出各方案结果。并对试验结果进行极差分析：计算各因素同一水平的平均值K

i，计算各因素的极差R，分清各因素及其交互作用的主次顺序，根据各因素各水平的平均值确认优水平和最优方案组合。经过模拟及计算后得：在本项目中，射流风机布置方式中对于粉尘浓度影响最大因素依次为风速v、风机与挂布台车距离l、风机距隧道中线距离d，根据实验结果，当v=40m/s，l=35m，d=2m时，此时台车附近各个位置的平均粉尘浓度最低[3]。

五、结论

综上所述，为了确保隧道施工的顺利进行，避免耽误施工进程，危害到施工工作人员的生命安全，应当做好隧道内的通风工作，降低粉尘浓度。本文探讨的是射流风机布置方案对压入式通风系统中粉尘含量的影响，经试验证明，射流风机风速、风机距挂布台车距离、风机距隧道中线距离都对粉尘含量都有影响，而风机风速是影响最大的一个，为了能够有效降低施工中的粉尘浓度，我们应该尽可能提高射流风机出口风速。在单一考虑射流风机与挂布台车的布置距离时，太近与太远都不利于除尘，此时台车附近各个位置的平均粉尘浓度最低，除尘效果最好。

参考文献：

[1]史美琦,刘垚,孙梦原等.地铁车站暂缓开通条件下隧道通风系统应对方案研究[J].制冷与空调(四川),2023,37(04):573-580.