隧道施工通風(fēng)計(jì)算一、通風(fēng)計(jì)算的基本原理與目的（一）基本原理隧道施工通風(fēng)的基本原理是基于空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。在隧道這個(gè)相對(duì)封閉的空間內(nèi)，通過通風(fēng)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等）向隧道內(nèi)輸送新鮮空氣，同時(shí)將隧道內(nèi)的污濁空氣排出，以維持隧道內(nèi)空氣的質(zhì)量和適宜的工作環(huán)境。空氣在隧道內(nèi)的流動(dòng)遵循流體力學(xué)的基本方程，如連續(xù)性方程和能量方程。連續(xù)性方程表示在穩(wěn)定流動(dòng)的情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過隧道某一截面的空氣質(zhì)量是恒定的，即$ρ_1A_1v_1=ρ_2A_2v_2$，其中$ρ$為空氣密度，$A$為隧道截面面積，$v$為空氣流速。能量方程則描述了空氣在流動(dòng)過程中的能量變化，包括動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能的轉(zhuǎn)換。（二）計(jì)算目的的主要目的是確定合理的通風(fēng)方案，以滿足隧道施工過程中的各項(xiàng)要求。具體包括以下幾個(gè)方面：1.保證空氣質(zhì)量：通過通風(fēng)將隧道內(nèi)的有害氣體（如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等）和粉塵濃度降低到允許的范圍內(nèi)，為施工人員提供良好的工作環(huán)境，保障其身體健康。2.提供足夠的氧氣：確保隧道內(nèi)有足夠的氧氣含量，以滿足施工人員呼吸和機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的需要。3.控制溫度和濕度：適當(dāng)?shù)耐L(fēng)可以調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的溫度和濕度，改善施工條件，提高施工效率。4.防止火災(zāi)和爆炸：及時(shí)排除隧道內(nèi)的易燃易爆氣體，降低火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。5.降低通風(fēng)成本：在滿足通風(fēng)要求的前提下，優(yōu)化通風(fēng)方案，減少通風(fēng)設(shè)備的能耗和投資，降低施工成本。二、通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)確定（一）隧道幾何參數(shù)1.隧道長(zhǎng)度：準(zhǔn)確測(cè)量隧道的全長(zhǎng)$L$，這是通風(fēng)計(jì)算的重要參數(shù)之一。隧道長(zhǎng)度直接影響通風(fēng)阻力和通風(fēng)設(shè)備的選型。2.隧道斷面面積：根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)圖紙，計(jì)算隧道的橫斷面積$A$。不同類型的隧道（如公路隧道、鐵路隧道等）其斷面形狀和尺寸可能不同，常見的斷面形狀有圓形、馬蹄形、矩形等。對(duì)于不規(guī)則斷面，可采用近似計(jì)算的方法。3.隧道坡度：隧道的坡度$i$會(huì)影響空氣的自然流動(dòng)和通風(fēng)阻力。當(dāng)隧道有一定坡度時(shí)，空氣在重力作用下會(huì)產(chǎn)生自然通風(fēng)效應(yīng)，在通風(fēng)計(jì)算中需要考慮這一因素。（二）施工工況參數(shù)1.施工人數(shù)：統(tǒng)計(jì)隧道內(nèi)同時(shí)施工的最大人數(shù)$n$。根據(jù)人體呼吸需要，每人每分鐘需要的新鮮空氣量一般為$0.30.5m3/min$。2.機(jī)械設(shè)備數(shù)量和功率：確定隧道內(nèi)使用的各種機(jī)械設(shè)備（如裝載機(jī)、挖掘機(jī)、通風(fēng)機(jī)等）的數(shù)量和功率。不同類型的機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)消耗不同量的氧氣，并產(chǎn)生一定量的有害氣體。3.施工進(jìn)度：了解隧道的施工進(jìn)度計(jì)劃，包括開挖、支護(hù)、襯砌等不同施工階段的時(shí)間安排。不同施工階段的通風(fēng)要求可能不同，例如在爆破作業(yè)后，需要及時(shí)排除大量的有害氣體，通風(fēng)量要求較大。（三）環(huán)境參數(shù)1.當(dāng)?shù)貧庀髼l件：收集當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，包括氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度等。環(huán)境溫度和氣壓會(huì)影響空氣的密度和粘性，從而對(duì)通風(fēng)阻力產(chǎn)生影響。2.有害氣體和粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)國(guó)家和地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定隧道內(nèi)允許的有害氣體（如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等）和粉塵濃度的上限值。通風(fēng)計(jì)算的目標(biāo)是將隧道內(nèi)的有害氣體和粉塵濃度控制在這些標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。三、通風(fēng)量計(jì)算（一）按施工人數(shù)計(jì)算通風(fēng)量根據(jù)施工人員呼吸需要，每人每分鐘需要的新鮮空氣量$q_1$一般取$0.30.5m3/min$。則按施工人數(shù)計(jì)算的通風(fēng)量$Q_1$為：$Q_1=nq_1$其中，$n$為隧道內(nèi)同時(shí)施工的最大人數(shù)。（二）按排除有害氣體計(jì)算通風(fēng)量1.爆破作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體：在隧道爆破作業(yè)后，會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，如一氧化碳、氮氧化物等。根據(jù)爆破炸藥量和炸藥的類型，計(jì)算爆破后產(chǎn)生的有害氣體量。以一氧化碳為例，假設(shè)每千克炸藥爆炸產(chǎn)生的一氧化碳量為$b_1$（$m3/kg$），每次爆破使用的炸藥量為$G$（$kg$），則爆破后產(chǎn)生的一氧化碳總量$V_1$為：$V_1=b_1G$為了將爆破后隧道內(nèi)的一氧化碳濃度降低到允許范圍內(nèi)，需要的通風(fēng)量$Q_2$可通過以下公式計(jì)算：$Q_2=\frac{V_1}{t(1\frac{C_0}{C})}$其中，$t$為通風(fēng)時(shí)間（$min$），一般取$2030min$；$C_0$為爆破后隧道內(nèi)一氧化碳的初始濃度；$C$為允許的一氧化碳濃度。2.機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的有害氣體：隧道內(nèi)的機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)消耗氧氣并產(chǎn)生有害氣體。根據(jù)機(jī)械設(shè)備的功率和運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算其產(chǎn)生的有害氣體量。以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，每千瓦小時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳量為$b_2$（$m3/kW·h$），某臺(tái)機(jī)械設(shè)備的功率為$P$（$kW$），運(yùn)行時(shí)間為$T$（$h$），則該機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的一氧化碳總量$V_2$為：$V_2=b_2PT$為了排除機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的有害氣體，需要的通風(fēng)量$Q_3$可根據(jù)有害氣體的稀釋要求進(jìn)行計(jì)算。（三）按稀釋粉塵計(jì)算通風(fēng)量在隧道施工過程中，開挖、爆破等作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。為了將隧道內(nèi)的粉塵濃度降低到允許范圍內(nèi)，需要一定的通風(fēng)量。根據(jù)隧道內(nèi)的粉塵產(chǎn)生量和允許的粉塵濃度，計(jì)算需要的通風(fēng)量$Q_4$。一般可通過經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。（四）通風(fēng)量的確定取以上計(jì)算得到的通風(fēng)量$Q_1$、$Q_2$、$Q_3$、$Q_4$中的最大值作為隧道施工所需的通風(fēng)量$Q$，即：$Q=max\{Q_1,Q_2,Q_3,Q_4\}$四、通風(fēng)阻力計(jì)算（一）摩擦阻力空氣在隧道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與隧道壁面之間會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。摩擦阻力$h_f$可根據(jù)達(dá)西威斯巴赫公式計(jì)算：$h_f=\lambda\frac{L}{D}\frac{\rhov^2}{2}$其中，$\lambda$為摩擦阻力系數(shù)，與隧道壁面的粗糙度和空氣的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)；$L$為隧道長(zhǎng)度；$D$為隧道的當(dāng)量直徑，對(duì)于圓形隧道，$D$等于隧道直徑，對(duì)于非圓形隧道，$D$可通過公式$D=\frac{4A}{U}$計(jì)算，其中$A$為隧道斷面面積，$U$為隧道斷面的濕周；$\rho$為空氣密度；$v$為空氣在隧道內(nèi)的平均流速，$v=\frac{Q}{A}$。（二）局部阻力在隧道內(nèi)，由于通風(fēng)管道的轉(zhuǎn)彎、分支、變徑以及隧道內(nèi)的障礙物等原因，會(huì)產(chǎn)生局部阻力。局部阻力$h_j$可通過以下公式計(jì)算：$h_j=\xi\frac{\rhov^2}{2}$其中，$\xi$為局部阻力系數(shù)，不同類型的局部阻力其系數(shù)值不同，可通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。（三）總通風(fēng)阻力隧道的總通風(fēng)阻力$h$等于摩擦阻力和局部阻力之和，即：$h=h_f+h_j$五、通風(fēng)設(shè)備選型（一）通風(fēng)機(jī)選型1.通風(fēng)機(jī)風(fēng)量：通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量$Q_f$應(yīng)大于或等于隧道所需的通風(fēng)量$Q$，一般考慮一定的風(fēng)量備用系數(shù)$K_1$（通常取$1.11.2$），即：$Q_f=K_1Q$2.通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓：通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓$h_f$應(yīng)能夠克服隧道的總通風(fēng)阻力$h$，同時(shí)考慮一定的風(fēng)壓備用系數(shù)$K_2$（通常取$1.11.2$），即：$h_f=K_2h$根據(jù)計(jì)算得到的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓，查閱通風(fēng)機(jī)的性能曲線，選擇合適型號(hào)的通風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)的性能曲線應(yīng)滿足在設(shè)計(jì)工況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且效率較高。（二）風(fēng)管選型1.風(fēng)管直徑：根據(jù)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)管內(nèi)的允許風(fēng)速，確定風(fēng)管的直徑$d$。風(fēng)管內(nèi)的允許風(fēng)速一般為$1015m/s$，可通過以下公式計(jì)算風(fēng)管直徑：$d=\sqrt{\frac{4Q}{\piv}}$其中，$Q$為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；$v$為風(fēng)管內(nèi)的允許風(fēng)速。2.風(fēng)管材質(zhì)：常見的風(fēng)管材質(zhì)有鐵皮風(fēng)管、玻璃鋼風(fēng)管、柔性風(fēng)管等。不同材質(zhì)的風(fēng)管具有不同的特點(diǎn)和適用范圍，在選型時(shí)需要考慮風(fēng)管的強(qiáng)度、密封性、耐腐蝕性等因素。六、通風(fēng)系統(tǒng)布置（一）壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置壓入式通風(fēng)是將新鮮空氣通過通風(fēng)機(jī)和風(fēng)管壓入隧道內(nèi)，污濁空氣從隧道另一端排出。在壓入式通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)機(jī)一般安裝在隧道洞口外，風(fēng)管沿隧道一側(cè)鋪設(shè)。風(fēng)管的出風(fēng)口應(yīng)盡量靠近掌子面，以保證新鮮空氣能夠及時(shí)送到施工地點(diǎn)。（二）抽出式通風(fēng)系統(tǒng)布置抽出式通風(fēng)是將隧道內(nèi)的污濁空氣通過通風(fēng)機(jī)和風(fēng)管抽出，新鮮空氣從隧道另一端自然流入。在抽出式通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)機(jī)一般安裝在隧道洞口外，風(fēng)管沿隧道一側(cè)鋪設(shè)，風(fēng)管的吸風(fēng)口應(yīng)靠近掌子面。（三）混合式通風(fēng)系統(tǒng)布置混合式通風(fēng)是將壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)結(jié)合起來使用，以提高通風(fēng)效果。在混合式通風(fēng)系統(tǒng)中，一般在隧道洞口外設(shè)置壓入式通風(fēng)機(jī)，將新鮮空氣壓入隧道內(nèi)，同時(shí)在隧道內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置抽出式通風(fēng)機(jī)，將污濁空氣抽出。七、通風(fēng)計(jì)算的驗(yàn)證與優(yōu)化（一）數(shù)值模擬驗(yàn)證利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)情況、有害氣體和粉塵濃度分布等。通過數(shù)值模擬結(jié)果與通風(fēng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證通風(fēng)方案的合理性。如果數(shù)值模擬結(jié)果顯示通風(fēng)效果不理想，需要對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。（二）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證在隧道施工過程中，對(duì)隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量、風(fēng)速、風(fēng)壓等參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與通風(fēng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如，如果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域的有害氣體濃度超標(biāo)，需要分析原因，可能是通風(fēng)量不足、通風(fēng)死角等問題，然后采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。（三）通風(fēng)方案優(yōu)化根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的內(nèi)容包括通風(fēng)設(shè)備的選型、通風(fēng)系統(tǒng)的布置、通風(fēng)參數(shù)的調(diào)整等。通過不斷優(yōu)化通風(fēng)方案，提高通風(fēng)效果，降低通風(fēng)成本。八、通風(fēng)計(jì)算的注意事項(xiàng)1.參數(shù)的準(zhǔn)確性：通風(fēng)計(jì)算中使用的各種參數(shù)（如隧道幾何參數(shù)、施工工況參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等）應(yīng)盡量準(zhǔn)確。參數(shù)的誤差可能會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)計(jì)算結(jié)果的偏差，從而影響通風(fēng)方案的合理性。2.自然通風(fēng)的影響：在通風(fēng)計(jì)算中，需要考慮隧道的自然通風(fēng)效應(yīng)。當(dāng)隧道有一定坡度或外界氣象條件變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自然通風(fēng)，在某些情況下，自然通風(fēng)可以輔助機(jī)械通風(fēng)，降低通風(fēng)能耗。3.通風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)和管理：通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要定期進(jìn)行維護(hù)和管理，包括通風(fēng)設(shè)備的檢查、維修和保養(yǎng)，風(fēng)管的檢查和修補(bǔ)等。良好的維護(hù)和管理可以保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)