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原文传递复杂网络隧洞群施工通风技术研究

论文题名：	复杂网络隧洞群施工通风技术研究
关键词：	隧洞群;施工通风;计算流体力学;壁面粗糙度;现场测试
摘要：	水电工程地下洞室群施工十分复杂，作业面多，钻孔，爆破，装渣，运输，喷锚支护，二次衬砌等多道工序平行作业，在无轨运输的大环境下，施工通风是不仅影响整个施工进度，而且关系到施工人员的生命安全。本论文以锦屏二级电站引水隧洞群施工通风为工程背景，基于引水隧洞“断面大，洞室长，界面广，无露头，内燃作业，无轨运输，污染量大”等工程重难点，通过综合采用技术调研、工程类比、理论分析和数值模拟、现场测试和现场试验、归纳总结等研究手段，针对压入式通风辅以支洞射流通风技术、壁面粗糙度对通风效果的影响、隧洞施工通风的计算流体动力学分析技术、巷道式联合通风技术、通风效果现场测试进行了深入研究。本论文主要研究工作和研究成果体现在以下几个方面: 　　(1)由于支洞断面尺寸的限制，在支洞顶部布置的2条风管直径不能大于2.0m的条件下研究极限通风距离，以能见度达到20m为衡量标准，将极限通风距离的最小风速确定为0.1m/s。在通风管理水平1.5％的漏风率情况下，压入式通风的极限距离控制在5000m比较合适。根据辅助洞西端的经验并结合西引支洞断面与最大风速设计，计划安装75kw强力射流风机7台，可满足施工需要，与实际施工现场射流风机台数布置一致。　　(2)通过建立典型粗糙壁面模型就粗糙形状、粗糙高度、粗糙间距以及同一粗糙条件下断面直径对隧洞施工通风的影响进行了深入分析，研究结果表明，在近粗糙壁面，除了正弦模型外，方形、三角形、混合形三种粗糙模型近壁附近速度分布都出现了涡流，正弦粗糙模型对通道内空气的流通以及CO快速排出起到的阻碍作用比其它三种粗糙模型小。在同样的粗糙间距下，粗糙高度越大，对流体流通的阻碍作用越大;在同样的粗糙高度下，粗糙间距越大，对流体流体的阻碍作用越小。在同一粗糙条件下（相同的粗糙形状、高度、间距），断面越大，粗糙壁面对流体流通的影响相对越小。以隧洞实际开挖轮廓线和设计开挖轮廓线之间包络的面积与取样长度两者的比值定义了隧洞壁面平均粗糙高度，并提出了壁面粗糙常数的取值计算的模型分解法和主要粗糙度法。　　(3)锦屏引水隧洞壁面粗糙参数为平均粗糙高度0.231m，粗糙常数Rc值为0.46。对锦屏引水隧洞及排水隧洞联合施工通风系统数值计算，优化了射流风机和轴流风管在隧洞内的布置方式。研究结果表明，15分钟之后1＃～4＃洞工作区域（距掌子面300m范围内）已达到施工要求;横通道布置射流风机时最好将风机布置在靠近横通道一侧气流的下风向，且射流风机距离横通道不宜太远并尽可能将风机安装于隧洞上方，否则通风效果将变差。掌子面所用的风管的有效射程在30m左右。引水隧洞在交叉口处的射流风机布置在距离支洞与引水隧洞交线15m位置处的隧洞右侧对支洞内新鲜风流的引入效果较好。中间横通道附近射流风机升压过高，会造成引入的风流较大，从而影响引水隧洞风流的主流方向。　　(4)将运营通风射流技术引入到无露头多洞室群的施工通风中，从理论研究结合现场通风测试，探讨了射流通风的需风量、风机台数计算公式及相关参数的取值原则。研究结果表明实际风机台数与理论计算风机台数相差2台，属于正常范围，并且实际施工空气质量满足规范和人员健康的要求。风机数量与通风阻力与风机升压比有关，其中沿程阻力系数λ=0.1～0.3，粗糙度大取大，锚喷可取大，二衬砼可取小。按照进风洞少、污风洞多的原则进行布置射流风机，有轴流风机的洞多布置、无轴流风机的洞少布置。巷道式通风通过换边，有利于洞内开展多工序平行作业，并能达到满意的通风效果。　　(5)通过对隧洞内通风效果的现场测试发现，在引水隧洞主洞独头掘进2000米之前，基本能够保证洞内通风质量，洞内平均污风排出速度大于0.15m/s，能见度大于50m;但随着开挖的深入，通风效果急剧下降，特别是在换成巷道式通风之前（主洞掘进到3300米左右），最差时洞内能见度不足10m。实施巷道式联合通风，洞内空气质量良好，主洞内平均风速大于0.2m/s，施工支洞及排水隧洞内平均风速2～4m/s。开挖爆破后5min内掌子面50m范围内即清晰可见，出碴时引水隧洞内能见度大于150m。　　这些技术成果的研究成功及在设计施工中的应用，为实现锦屏引水隧洞施工安全、快速、高效、优质地完成，确保施工工发挥了非常重要的作用，必将为国内外类似地下工程建设提供了非常有价值的参考和借鉴。
作者：	张恒
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈寿根
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文