摘要：石油储备地下水封洞库具有断面超大、空间结构复杂等特点，给施工通风带来了较大困难。本文以某处国家石油储备水封洞库群工程为例，分别对独头压入式施工通风方式和网络施工通风方式进行了研究。研究结果表明，由于洞库断面超大，为满足规范要求工作面需风量较大，采用独头压入式施工通风方式时，每个工作面需配置2台功率为220kw的轴流风机，风机配置总功率达到1760kw；采用网络施工通风方式时，每个工作面需配置6台功率为22kw的射流风机，风机配置总功率为704kw，与独头压入通风方式相比，风机功率节省了60%，通风效率显著提高，建议今后类似工程可采用网络式施工通风方案。
关键词：特大断面；水封洞库群；独头压入式施工通风；网络式施工通风
Research on construction ventilation in underground crude oil storage caverns with super large section and complex structure
（Chen Yuchun China Railway Tunnel Bureau Group 511400）
Abstract：The underground crude oil storage caverns are characterized by large cross-section，complex spatial structure which brought great difficulty to the construction ventilation. This paper takes National underground crude oil storage caverns project as an example，and studies the ventilation of single-head press-in and network for construction respectively. Research indicates：Due to the large section of the caverns，the working face needs a large amount of air flow；When single-head pressure-in ventilation mode is adopted，each working face needs to be equipped with two axial fans with a power of 220kw and the total power of the fan configuration reaches 1760kw；When using the network ventilation mode，each working face needs to be equipped with 6 jet fans with a power of 22kw，and the total power of the fan is 704kw；Compared with the single-head press-in ventilation mode，the network ventilation program saves 60% of the fan power；Because of the significant increase in ventilation efficiency，it is recommended to use network construction ventilation program.
Keywords：super large section；crude oil storage caven；press-in ventilation；network ventilation
引言
随着工程技术的发展，水封洞库呈现出单洞断面尺寸和洞库规模越来越大、空间布置越来越复杂的发展趋势。与此同时，水封洞库的施工过程中地下洞库工作面较多，各主洞洞库间相互贯通，形成了一个复杂的网络洞库群，使得水封洞库群施工通风难度显著增大。为保证施工的顺利进行，如何设计合理、有效、经济的施工通风方案就显得非常重要。
近年来，不少学者对隧道施工通风进行了大量研究[1-8]。但大部分研究主要针对特长隧道独头压入式施工通风方式，重点对独头压入式施工通风方案的选择、方案的优化以及掌子面附近污染物浓度分布等进行了研究。陈海锋等人则提出了隔板风道式施工通风方案在特长隧道施工通风中的适用性，具有一定的工程应用价值[9]。针对超大断面复杂网络地下水封洞库群的施工通风目前仍普遍采用独头压入式施工通风方案，采用网络式施工通风方案的研究极少。
本文依托湛江国家石油储备水封洞库群工程，将采用网络通风方法，对大断面、复杂网络洞库群施工通风方案进行研究分析，提出优化的施工通风方案，为今后类似工程提供参考借鉴。
1 工程概况
某处国家石油储备地下水封洞库主要由主洞室群、竖井、水幕系统、施工巷道及连接巷道等组成。主洞室设计断面面积为576m2，长923m，属特大断面隧洞[10]，分三层钻爆开挖的方法进行。顶层开挖面积为176m2，二层开挖完成后面积为376m2，三层全部开挖完毕后断面面积为576m2。主洞室顶层贯通后，随后部分操作竖井和通风竖井也一并开挖完，之后主洞室第二层及第三层进行有序施工开挖。随着主洞室顶层和通风竖井及操作竖井开挖完后，各主洞室之间以及主洞室与外界之间已经形成了有效连通，并形成了一个网络，如图1所示。在主洞室第一层开挖完后，主洞室7和8，主洞室9和10已分别与外界形成了连通，此外主洞室7和8与主洞室9和10经过交通巷道连通。此情况下，地下洞库已形成了一个较为复杂的洞库群，为地下洞库群采用网络式通风提供了基础。
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图1 某处地下水封洞库群部分结构图示意图
Fig.1 Schematic diagram of Zhanjiang underground crude structure oil storage caven
2 网络通风方法
隧道网络通风是隧道通风理论的重要组成部分，运用网络通风技术需要建立相应的通风网络图。通风网络图可以清晰地表示出各隧道段、各辅助坑道间的相互关系。
在进行网络通风计算中，需要满足网络通风理论的两个基本原则，即风量平衡和风压平衡。
1）风量平衡
对于通风网络中某一节点而言，按照连续性方程，流进节点的风量应等于流出该节点的风量，即：
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式中：Qi — 流入或流出某节点或网孔的风量，流入正值，流出负值。
2）风压平衡
风网中任一网孔的风压代数和（顺时针方向的风流的风压取正，逆时针方向取负值）应等于零。
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式中：Pi—网孔中任一分支的风压，顺时针取正，逆时针取负。
3）阻力定律
隧道风路中风流几乎全是稳定紊流，故通风阻力与风量的平方成正比，即：
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式中：R—为风路上的风阻
本文根据以上基本原理，分别采用独头压入式通风方法和网络通风方法对施工通风方案进行计算。本项目的网络计算图如图2所示。
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图2 某处地下水封洞库群网络计算图
Fig.2 Zhanjiang underground crude structure oil storage caven network calculation diagram
3 施工通风方案计算与分析
由于水封洞库群包括主洞室群、竖井、水幕巷道、施工巷道及连接通道等，在施工过程中往往会分阶段进行施工开挖。根据不同施工阶段，施工作业面尺寸、施工方案、施工机械数量等各不相同，施工通风方案也有所差别。本文重点以开挖主洞室第三层为例进行分析。此阶段主洞断面积最大，工作面多，各主洞室群、部分竖井、水幕巷道、施工巷道及连接通道都已贯通并形成了一个复杂网络，施工通风量最大，施工通风最困难。根据以上特点，本文将对施工主洞室第三层施工通风方案分别采用独头压入式和网络式施工通风方案进行研究，以期提出更优化的施工通风方案。
3.1需风量计算
本工程采用钻爆法进行施工，依据相关规范[11]，需分别计算隧道内人员新风量、爆破排烟需风量、内燃机作业需风量和断面最小风速需风量，综合四种需风量取最大值。具体计算方法如下所示：
1）人员新风量
按照施工要求，现场同时工作最多人数为150人且每位施工人员配风3m3/min为需风量控制标准计算，人员新风量为450m3/min。
2）爆破排烟需风量
施工爆破开挖面积为200m2，根据爆破参数，确定爆破排烟需风量为2595 m3/min。
3）内燃机作业需风量
根据现场3台运渣车和4台装载机的工作情况，确定内燃机作业需风量为2135 m3/min。
4）断面最小风速
隧道断面面积为576m2，根据规范要求隧道断面风速最小为0.15m/s，得出最小风速需风量为5184 m3/min。
计算结果如表1所示。根据计算结果可知，断面最小风速所需风量最大。根据规范要求，施工通风方案所需需风量为为5184 m3/min。
表1 需风量计算
Table.1 Required air volume calculation
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3.2压入式施工通风方案
根据本项目特点，在设计压入式施工通风方案中，为有效利用通风竖井和工艺竖井，分别在通风竖井口、部分工艺竖井口和洞库入口布置一定数量的轴流风机，以满足工作面需风量，如图3所示。
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图3 压入式通风方案风机布置示意图
Fig.3 Press-in ventilation scheme fan layout diagram
1）轴流风机需风量
依据施工现场情况，轴流风机需通过风管为工作面送风。当各洞室工作面位于隧洞端头时，工作面离两侧竖井位置最远，风管长度最长，沿程损失最大，所以本文将对此工况进行分析。风管采用直径为2m的PVC软风管，风管的百米漏风率按规范取为1.5%[12]，结合上节所述需风量5184 m3/min，得各洞室轴流风机供风量为6000 m3/min。
由于单个工作面所需风机供量较大，若采用单根风管供风，风管内风速高达31.8m/s，轴流风机选型也存在一定困难。所以拟采用两根风管两台风机组合为工作面供风，每根风管供风量为3000 m3/min，风管布置长度取1050m。
2）风管通风沿程阻力
根据风管尺寸、风机风量的大小，分别对风管通风沿程摩擦阻力、局部阻力和风管风口动压头进行计算。计算公式如下：
风管沿程摩擦阻力：.png)
式中：λ为摩擦系数，取0.015；L为管路长度；d为管路直径；v为管路内风流速度；ρ为空气密度。
风管局部阻力：.png)
式中：ξ为局部阻力系数。
风管出风口动压：.png)
。
根据以上计算方法，将风管沿程摩擦阻力、局部阻力和风管出风口动压进行求和，可得每台风机所配风管的通风沿程阻力为1488Pa。
3）轴流风机功率及选型
根据以上对风机风量和风管通风沿程阻力的计算，以下将对轴流风机功率进行计算。计算公式如下：
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式中：Sth为理论功率；Qa为轴流风机风量；ptot为轴流风机设计全压；t0为标准温度；t1为风机环境温度；p1为风机环境大气压；p0为标准大气压），计算得2台轴流风机的全压输出功率为297kw。
轴流风机的全压输入功率可用下式计算：
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式中：Skw为全压输入功率，Sth为全压输出功率，ηf为全压效率取80%，计算得出2台轴流风机的全压输入功率为372kw。
根据轴流风机功率计算结果，考虑同时满足系统风量、风压要求，且留出一定的通风安全储备，轴流风机的选型布置情况如表2所示。
表2 压入式施工通风方案风机选择
Table2. Fan selection of press-in ventilation
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根据以上计算分析可知，由于需风量较大，为满足要求，每个工作面须配置两台功率为220kw轴流风机进行送风。本计算中，轴流风机配置的总功率为1760kw。
3.3网络式施工通风方案
分析主洞室第三层的施工特点可知，此阶段主洞室已完成第一层和第二层的施工，主洞室本质上已贯通。但由于此时断面面积较大，需风量较大。根据上节的计算分析可知，此时采用独头压入式通风方式所需风机功率较大。因此，本节将对此阶段采用网络通风方案进行研究分析。
根据规范要求，网络通风方案仍需满足工作面需风量的要求且尽可能保证工作面区域污染物空气不串流至其他洞室。为满足这一要求，在网络通风方案中主要考虑在主洞室内、交通巷道内布置一定数量的射流风机。经过大量反复的试算，最终确定了最优的网络通风方案，如图4所示。
网络施工通风方案中，各主洞室内风流方向须满足从通风竖井流入，经过主洞室从操作竖井流出。同时为控制主洞室内污染物空气不串流至其他洞室，施工巷道内风流方向须满足从施工巷道经过联络横通道流入主洞室内。为达到这一要求，在每个主洞室内各布置6台射流风机，在两个施工巷道内各布置4台射流风机，共布置32台，具体布置位置如图4所示。射流风机型号均采用SDS（R）-No11.2型号，每台功率为22kw。根据计算结果，为更合理有效的满足施工通风要求，网络通风方案中提出关闭其中的联络横通道，如上图4所示。
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图4 网络式施工通风方案风机布置示意图
Fig.4 Network ventilation scheme Fan layout
计算结果如下图5所示。根据计算结果可知，采用该网络式施工通风方案时，各主洞室内风量远大于需风量要求5184 m3/min，满足规范要求。从整个洞室群风流方向可以看出，各主洞室内风流均由通风竖井进入，通过主洞室将污染物空气从操作竖井排出。另一方面，由于交通巷道射流风机的作用，部分新鲜空气从洞库洞口流入，经过交通巷道和联络横通道流入各主洞室，有效的控制了主洞室内污染物空气的串流。
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图5 网络式施工通风方案风量计算结果（m3/min）
Fig.5 Network construction ventilation program air volume calculation results（m3/min）
3.4 经济性分析比选
为进一步分析独头压入式施工通风方式和网络式施工通风方式的经济性，表3分别给出了两种施工通风方式的风机配置结果。从结果可以看出，独头压入式施工通风方案配置了8台轴流风机，风机总功率为1760kW；网络式施工通风方案配置了32台射流风机，风机总功率为704kW。与独头压入式施工通风方案相比，网络式施工通风方案风机功率仅为独头压入式施工通风方案风机功率的40%，节约了60%的风机功率。采用网络式施工通风方案经济效益显著，建议采用网络式施工通风方案。
表3 经济性对比
Table 3 Economic comparison
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4 结论
针对某处国家石油储备地下水封洞室的断面面积大、空间形式复杂等特点，结合网络通风方法，分别对压入式施工方案和网络式施工方案进行了计算分析，得出以下结论。
（1）由于水封洞库断面超大，施工工作面所需风量较大；
（2）压入式施工通风方案能够满足大断面复杂地下洞库群的工作面风量要求，但使用风机功率较大，隧洞内容易发生污染物串流。
（3）网络式施工通风方案能够满足大断面复杂地下洞库群的工作面需风量，风机功率较小，风流分配合理，通风效率较高。
（4）与独头压入式施工通风方案相比，网络式施工通风方案风机功率仅为独头压入式施工通风方案风机功率的40%，节约了60%的风机功率。采用网络式施工通风方案经济效益显著，建议采用网络式施工通风方案。
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论文作者:陈雨春
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：风量论文; 风机论文; 风管论文; 轴流论文; 方案论文; 断面论文; 网络论文; 《基层建设》2019年第32期论文;