一種長距離隧道施工用通風監控系統及監控方法
2023-07-03 10:08:11
一種長距離隧道施工用通風監控系統及監控方法
【專利摘要】本發明公開了一種長距離隧道施工用通風監控系統，包括一個布設於隧道洞口外側的軸流式通風機、一個位於當前所施工掌子面後側的射流風機、位於當前所施工掌子面後側的可移動式監測裝置和通過通訊電纜與可移動式監測裝置相接的上位監測裝置，射流風機安裝在移動式風機安裝架上；隧道洞內布設有與軸流式通風機相接的風管，該監控系統結構簡單、設計合理且安裝及使用簡便、使用效果好，能滿足長大隧道施工過程中掌子面不斷向前推進的通風需求。本發明還公開了一種通風監控方法，採用自動通風監控系統對軸流式通風機送風量進行動態調節，該監控方法步驟簡單、實現方便且使用效果好、能自動動態調整洞內通風量、通風效果不受掘進施工面推進進度影響。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於隧道施工【技術領域】，尤其是涉及一種長距離隧道施工用通風監控系統 及監控方法。 一種長距離隧道施工用通風監控系統及監控方法
【背景技術】
[0002] 漵懷高速關虎衝隧道位於湖南省懷化市辰谿縣境內，為雙洞單向四車道交通隧 道，設計速度為l〇〇Km/h，左線全長4918m，右線全長4970m，隧道縱坡為單坡，漵浦端洞口設 計高程為287m?289m，懷化端洞口設計高程為196m，洞內設5個車行橫洞且間距約800m， 整個隧道中間未設措施斜井或堅井。關虎衝隧道採用分別從兩端上下行線獨頭掘進到分界 裡程的施工方案，漵浦端最遠獨頭掘進2560m，懷化端最遠獨頭掘進2410m。根據洞身圍巖 性質及其成分推測，隧道圍巖內可能產生有害氣體（如瓦斯）。
[0003] 隧道施工通風不同於公路隧道運營通風，運營通風是隧道已經貫通並處於正常使 用階段，一般形成貫穿風流，形成比較固定的通風設施及控制設備，並且通風風量及通風阻 力變化較小，便於通風日常管理與設備維護。而施工通風是在隧道掘進期間，通風設施隨施 工進度而不斷變換，通風阻力不斷增加，通風效率降低、漏風情況嚴重，因此要求通過控制 風機工況點來適應不斷變化的通風條件，實現洞內外空氣交換的目的。長距離隧道施工通 風相對於運營期間通風而言，面臨著掘進施工面不斷推進、需風量動態變化、通風強度大以 及通風系統設施安裝、維護與保養困難等問題，特別是特長距離隧道獨頭掘進施工期間問 題尤為突出。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡 單、設計合理、安裝及使用簡便且使用效果好、能滿足長大隧道施工過程中掌子面不斷向前 推進的通風需求的長距離隧道施工用通風監控系統。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種長距離隧道施工用通風監 控系統，其特徵在於：包括一個布設於所施工隧道的隧道洞口外側的軸流式通風機、一個布 設於當前所施工掌子面後側的射流風機、位於當前所施工掌子面後側的可移動式監測裝置 和通過通訊電纜與所述可移動式監測裝置相接的上位監測裝置，所述可移動式監測裝置包 括對有害氣體濃度、粉塵濃度與風速進行實時檢測的檢測裝置和供檢測裝置安裝的可移動 式安裝架；所施工隧道的長度大於500m ;所述射流風機位於所施工隧道的隧道洞內且射流 風機安裝在移動式風機安裝架上；所述隧道洞內布設有與軸流式通風機的送風口相接的風 管，所述風管沿所施工隧道的延伸方向由後至前布設，所述風管前端與當前所施工掌子面 之間的距離為d3,其中d3 = 30m?100m ;所述射流風機位於風管的前端後側，所述射流風 機與風管前端之間的間距dl = 60m?90m ;所述移動式風機安裝架包括第一支撐架體和 多個安裝在所述第一支撐架體底部的第一行走輪，所述射流風機安裝在所述第一支撐架體 上；所述可移動式安裝架包括第二支撐架體和多個安裝在所述第二支撐架體底部的第二行 走輪，所述檢測裝置安裝在所述第二支撐架體上。
[0006] 上述一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵是：所述可移動式監測裝置還 包括布設在所述第二支撐架體上的無線通信模塊一，所述無線通信模塊一與檢測裝置相 接，所述上位監測裝置與無線通信模塊二相接，所述檢測裝置通過無線通信模塊一和無線 通信模塊二與所述上位監測裝置進行雙向通信。
[0007] 上述一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵是：所述上位監測裝置包括對 檢測裝置所檢測信息進行採集的前端採集裝置和與所述前端採集裝置相接的上位機，所述 前端採集裝置與檢測裝置之間通過所述通訊電纜進行連接，所述前端採集裝置與上位機之 間通過串行通信接口連接。
[0008] 上述一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵是：所述檢測裝置包括風速檢 測儀、對有害氣體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感器和對粉塵濃度進行實時檢測的粉塵 濃度傳感器，所述風速檢測儀、所述氣體濃度傳感器和所述粉塵濃度傳感器均與數據收發 器相接，所述數據收發器通過所述通訊電纜與所述前端採集裝置相接。
[0009] 上述一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵是：所述軸流式通風機與所述 隧道洞口之間的間距d2 = 20m?50m ;所述軸流式通風機安裝在水平安裝架上，所述水平 安裝架固定在所述隧道洞口外側且其高度為3m?4m ;所述第二支撐架體的高度為1. 5m? 2m 〇
[0010] 同時，本發明還公開了一種方法步驟簡單、實現方便且使用效果好、能自動動態調 整洞內通風量、通風效果不受掘進施工面推進進度影響的長距離隧道施工用通風監控方 法，其特徵在於該方法包括以下步驟：
[0011] 步驟一、軸流式通風機安裝：對所施工隧道進行開挖之前，在隧道洞口外側安裝一 個軸流式通風機；
[0012] 所施工隧道由初始施工段和位於所述初始施工段後側的後續施工段組成，所述初 始施工段的長度為450m?550m ;
[0013] 步驟二、隧道開挖及通風監控：沿所施工隧道的延伸方向，採用鑽爆法由後至前進 行隧道開挖施工，過程如下：
[0014] 步驟201、初始施工段開挖施工：由後至前對所述初始施工段進行開挖施工，且開 挖施工過程中，採用軸流式通風機進行壓入式通風；
[0015] 步驟202、後續施工段開挖施工：由後至前對所述後續施工段進行開挖施工，且開 挖施工過程中，採用軸流式通風機進行壓入式通風的同時，通過射流風機持續向隧道洞外 側吹風；對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述軸流式通風機和射流風機均處於工 作狀態；
[0016] 步驟201和步驟202中開挖施工過程中，所述風管前端與當前所施工掌子面之間 的距離均為d3 ;步驟202中進行開挖施工過程中，採用所述移動式風機安裝架將射流風機 不斷向前移動，且射流風機與風管前端之間的距離均為dl ;
[0017] 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述可移動式監測裝置與當 前所施工掌子面之間的間距不大於500m ;所述可移動式監測裝置的數量為多個，多個所述 可移動式監測裝置沿所施工隧道的延伸方向由前至後布設，多個所述可移動式監測裝置中 位於最前側的所述可移動式監測裝置為前側監測裝置，所述前側監測裝置位於當前所施工 掌子面所處位置處，前後相鄰兩個所述可移動式監測裝置之間的間距為80m?120m ;多個 所述可移動式監測裝置組成通風狀況監測裝置；所述檢測裝置包括風速檢測儀、對有害氣 體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感器和對粉塵濃度進行實時檢測的粉塵濃度傳感器；
[0018] 對所述後續施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下：
[0019] 步驟2021、設備前移及風管接長：將所述通風狀況監測裝置向前移動，直至所述 通風狀況監測裝置中的前側監測裝置移至當前所施工掌子面所處位置處；同時，將風管接 長，並將射流風機向前移動；
[0020] 步驟2022、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面上鑽取炮孔，再在已鑽取 炮孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破；
[0021] 步驟2023、出碴：採用運碴車將步驟2022中爆破後產生的碴石運送至隧道洞外；
[0022] 步驟2024、初期支護；
[0023] 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述隧道洞內的各可移動式 監測裝置進行實時監測並將監測信息同步上傳至所述上位監控裝置，所述上位監控裝置調 用自動監控模塊對軸流式通風機進行自動監控，過程如下：
[0024] 步驟I、監測信息採集：所述上位監控裝置按照預先設定的採樣頻率，對與其相接 的各可移動式監測裝置上傳的監測信息進行採集；
[0025] 步驟II、監測信息分析處理：所述上位監控裝置按照時間先後順序，對步驟I中各 採樣時刻所採集的監測信息分別進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機進行 控制，且每個採樣時刻所採集監測信息的分析處理方法均相同；每個採樣時刻所採集監測 信息均包含與所述上位監控裝置相接的多個所述可移動式監測裝置的監測信息，各可移動 式監測裝置的監測信息均包括風速檢測值、有害氣體濃度檢測值和粉塵濃度檢測值；對任 一採樣時刻所採集的監測信息而言，其分析處理過程如下：
[0026] 步驟II -1、各可移動式監測裝置的監測信息處理：對當前所處理監測信息中各可 移動式監測裝置的監測信息分別進行處理，並獲得由各可移動式監測裝置的監測信息確定 的風機轉速V ;其中，對任一個可移動式監測裝置的監測信息進行處理時，過程如下：
[0027] 步驟i、檢測值閾值比較：將當前所處理可移動式監測裝置的風速檢測值CF、有害 氣體濃度檢測值C H和粉塵濃度檢測值C。，分別與預先設定的風速閾值Cro、有害氣體濃度閾 值CHQ和粉塵濃度閾值C CQ進行差值比較：當CF彡CFQ、CH彡CHQ且C c > CCQ時，風機轉速v = %，其中為預設設定的基準轉速；否則，進入步驟? ;
[0028] 步驟ii、轉速調整，過程如下：
[0029] 步驟ii -1、檢測值與閾值作差：將步驟i中所述的風速檢測值CF、有害氣體濃度檢 測值CH和粉塵濃度檢測值C。分別與風速閾值C ro、有害氣體濃度閾值CH(I和粉塵濃度閾值Ce(l 進行作差，計算出風速檢測值增量△(；、有害氣體濃度檢測值增量ACh和粉塵濃度檢測值 增量Λ Cc ;
[0030] 其中，當 CF 彡 CF(I 時，Λ CF = 0 ;當 CF > CF(I 時，Λ CF = CF_CF0 ;
[0031] 當 CH 彡 CHQ 時，Λ CH = 0 ;當 CH > CHQ 時，Λ CH = CH_CH0 ;
[0032] 當 Cc 彡 C⑶時，Λ Cc = 0 ;當 Cc < C⑶時，Λ Cc = C⑶_Cc ;
[0033] 步驟ii -2、檢測值增量對應轉速調整量獲取：根據步驟ii -1中計算出的Λ CF、Λ CH 和Λ C。，並結合預先設定的轉速調整信息，得出與Λ CF對應的轉速調整量Λ vF、與Λ CH對應 的轉速調整量Λ vH和與AC。對應的轉速調整量Λ vc;
[0034] 其中，所述轉速調整信息包括轉速調整量與風速檢測值增量之間的線性關係、轉 速調整量與有害氣體濃度檢測值增量之間的線性關係以及轉速調整量與風速檢測值增量 之間的線性關係；
[0035] 步驟ii -3、風機轉速調整量獲取：從步驟ii -2中所述Λ vF、Λ vH和Λ 選出最大 值，作為風機轉速調整量Λν;其中，Λν為由當前所處理可移動式監測裝置的監測信息推 算出的風機轉速調整量；
[0036] 步驟ii _4、風機轉速獲取：根據公式ν = vd △ V，計算得出風機轉速ν ;
[0037] 步驟iii、多次重複步驟i至步驟ii，直至獲得由當前所處理監測信息中所有可移 動式監測裝置的監測信息確定的風機轉速V，所確定風機轉速v的數量與所述通風狀況監 測裝置中所包含可移動式監測裝置的數量相同；
[0038] 步驟II -2、風機轉速確定：從步驟iii中所確定的多個風機轉速v中選出最大值，作 為當前狀態下軸流式通風機的控制風速ν' ；
[0039] 步驟II -3、軸流式通風機控制：控制軸流式通風機以步驟II -2中所述的控制風速 ν'運轉；
[0040] 步驟II -4、按照步驟II -1至步驟II -3中所述的方法，對下一個採樣時刻所採集的 監測信息進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機進行控制；
[0041] 步驟II -5、多次重複II -4,直至完成所述後續施工段開挖施工過程中的全部自動 監控過程。
[0042] 上述方法，其特徵是：步驟201中對所述初始施工段進行開挖施工過程中，所述隧 道洞內所布設可移動式監測裝置的數量為一個且該可移動式監測裝置布設在當前所施工 掌子面所處位置處，所述可移動式監測裝置將其實時監測信息同步上傳至所述上位監控裝 置；
[0043] 步驟201中對所述初始施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下：
[0044] 步驟2011、監測裝置前移及風管接長：將所述可移動式監測裝置向前移動至當前 所施工掌子面所處位置處，並將風管接長；
[0045] 步驟2012、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面上鑽取炮孔，再在已鑽取 炮孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破；
[0046] 步驟2013、出碴：採用運碴車將步驟2012中爆破後產生的碴石運送至隧道洞外；
[0047] 步驟2014、初期支護。
[0048] 上述方法，其特徵是：步驟一中所施工隧道為雙洞隧道，所述隧道洞的數量為兩 個，兩個所述隧道洞呈平行布設，兩個所述隧道洞的後續施工段之間通過多個橫洞連通，多 個所述橫洞沿隧道洞的延伸方向由後至前布設，前後相鄰兩個所述橫洞之間的間距大於 500m ;兩個所述隧道洞的開挖施工方向相同且二者的開挖進度相差不大於100m ;對兩個所 述隧道洞進行開挖之前，先按照步驟一中所述的方法，在兩個所述隧道洞的隧道洞口外側 分別安裝一個軸流式通風機；之後，按照步驟二中所述的方法，對兩個所述隧道洞分別進行 隧道開挖及通風監控。
[0049] 上述方法，其特徵是：步驟二中對兩個所述隧道洞分別進行隧道開挖過程中，由後 至前分別對多個所述橫洞進行開挖施工；
[0050] 任一個橫洞開挖完成後，對該橫洞前方500m內的隧道洞進行開挖施工時，均將該 橫洞作為兩個隧道洞的連通通道進行通風影響分析；對當前所分析橫洞前方500m內的任 一隧道洞進行開挖施工時，每一循環進尺施工之前，需先採用數據處理設備對本循環進尺 的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬；
[0051] 其中，對本循環進尺的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬時， 結合當前所施工掌子面的位置、當前所分析橫洞與當前所施工掌子面之間的距離以及隧道 洞的幾何尺寸，所述數據處理設備調用FULENT軟體進行模擬，並得出鑽爆過程完成後當前 所施工掌子面後側50_範圍內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的變化曲線以及該橫 洞內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的變化曲線；再根據上述模擬結果，判斷當前所 分析橫洞與另一個隧道洞之間的連接處是否需布設可移動式監測裝置，便完成當前所分析 橫洞的通風影響分析過程；當判斷出當前所分析橫洞與另一個隧道洞之間的連接處需布設 可移動式監測裝置時，在當前所分析橫洞與另一個隧道洞之間的連接處布設一個可移動式 監測裝置，並將所布設可移動式監測裝置與對另一個隧道洞外側所布設軸流式通風機進行 自動監控的上位監控裝置相接。
[0052] 上述方法，其特徵是：步驟202中所述通風狀況監測裝置中所包含可移動式監測 裝置的數量為N個，其中N = 3個?5個；所述數據處理設備調用FULENT軟體進行模擬後， 還需根據模擬結果，並結合當前狀態下當前所分析橫洞內是否存在作業區，判斷當前所分 析橫洞內是否需布設可移動式監測裝置；當判斷出當前所分析橫洞內需布設可移動式監測 裝置時，在當前所分析橫洞內布設一個可移動式監測裝置，並將所布設可移動式監測裝置 與對當前所施工隧道洞外側所布設軸流式通風機進行自動監控的上位監控裝置相接。
[0053] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0054] 1、所採用的通風監控系統結構簡單且設計合理，投入成本較低。
[0055] 2、所採用的通風監控系統安裝布設方便、使用操作簡便且通風效果好，能滿足長 距離隧道的通風需求，並且對隧道施工不會造成任何影響。
[0056] 3、所採用的通風設備位置布設合理、操作簡便且使用效果好，由一個布設於所施 工隧道的隧道洞口外側的軸流式通風機和一個布設於當前所施工掌子面後側的射流風機 組成，其中射流風機為移動式風機，能隨隧道向前掘進進度對安裝位置進行調整。實際使用 時，對所施工隧道前500m進行開挖時，僅採用軸流式通風機進行壓入式通風；待隧道掘進 至500m後，在採用軸流式通風機進行壓入式通風的同時，通過射流風機持續向隧道洞外側 吹風；並且開挖施工過程中，風管前端與當前所施工掌子面之間的距離均為d3 ;射流風機 與風管前端之間的距離均為dl。
[0057] 4、所採用的可移動式監測裝置結構簡單、設計合理且移動方便、使用效果好，能隨 隧道向前掘進進度對監測位置進行相應調整，從而滿足長距離隧道通風監測需求。
[0058] 5、所採用的可移動式監測裝置與上位監測裝置之間採用無線通信與通信電纜兩 種通訊方式，既滿足了可移動式監測裝置布設位置的靈活性需求，並且也保障了長距離通 訊數據傳輸的可靠性。
[0059] 6、所採用的通風監控方法步驟簡單、實現方便且使用效果好，能自動動態調整洞 內通風量，且通風效果不受掘進施工面推進進度影響，有效改善了隧道施工現場作業的環 境條件，解決了隧道施工普遍存在的施工條件差、人員作業效率低的問題，有利於施工人員 的身心健康。實施後的通風自動控制系統具有明顯的節能減排效益，有利於減少能源消耗， 減少溫室氣體排放，改善大氣環境汙染。同時具有較好的通用性、適用性和易維護性，能夠 在各種類似隧道掘進施工中重複多次使用，既節約了施工單位生產成本，又減少了固體廢 棄物，保障了施工通風質量指標符合國家衛生標準和隧道施工規範的相關要求，實現了安 全、環保、文明施工。
[0060] 7、採用自動監控系統及自動通風監控方法後，隧道斷面一個完整施工周期內可節 約電量約18%，因而具有節能效果，並且可大幅度改善隧道施工現場作業的環境條件，改 善洞內各種機械設備的作業環境，降低設備損耗及日常維護成本；提高施工人員的作業積 極性與勞動效率，明顯降低職業危害與職業病的發病率，降低醫療衛生與勞動保護用品的 開支；簡化通風系統的日常管理與維護工作，節約了勞動力，降低了安全事故發生的潛在隱 患。主風機（即軸流風機）採用變頻控制技術，通過對現場監測數據進行綜合分析，實時動 態對主風機工作狀態進行調整，在滿足作業面對通風需要的基礎上，最大限度的降低了電 能消耗，節省了生產成本。因而，本發明在長大隧道施工通風控制系統中，採用無線傳輸與 通訊電纜相結合的監測數據傳輸模式，實現了動態實時調控風機工況。並且，採用柔性長管 路壓入式通風為主，射流風機通風為輔的通風方案。
[0061] 綜上，本發明採用施工中集中通風，節約了施工成本，確保了施工安全，改善了施 工環境，縮短了施工工期，工程質量優良，具有良好的經濟和社會效益，推廣應用前景廣闊。 並且，採用自動通風監控系統，滿足了對掌子面施工過程中對通風系統的不同要求，達到了 實時動態調控風量的目的，節能減排效益明顯，特別是對於特長距離隧道施工，隨著掌子面 的不斷向前推進，通風阻力逐步加大，系統漏風嚴重，排塵排煙效果降低，需要對風機運行 參數進行實時動態調節，以適應工作面對通風工作的要求，通過現場實踐應用，保障了隧道 作業工作面環境達標，減少了日常管理工作，實現了節能減排的要求。
[0062] 8、採用雙洞隧道有毒有害氣體擴散模擬分析方法，由於雙洞施工隧道，一般每隔 一定距離要開挖人行、車行的橫洞，橫洞出現改變了雙洞隧道及其兩者之間的通風條件，也 對有毒有害氣體擴散和排放產生重要影響。採用Fluent軟體建立了對應的有毒有害氣體 (C0為例）擴散模型，並進行模擬仿真，根據模擬結果對可移動式監測裝置布設位置進行確 定，有效解決了雙洞隧道施工期間人行、車行的橫洞對施工通風的影響。
[0063] 9、推廣應用前景廣泛，具有自動化程度高、施工及維護簡單、經濟效益明顯等特 點，可廣泛應用於長距離公路、鐵路隧道施工通風領域，也可推廣至具有類似特點的工程施 工通風領域。因而，本發明能有效解決了特長隧道施工通風面臨的諸多問題，提高了自動化 程度，降低了勞動生產強度，為今後類似工程的施工通風技術發展提供了強有力的實例借 鑑和應用參數，社會效益顯著。
[0064] 綜上所述，本發明設計合理且安裝及使用簡便、使用效果好，能滿足長大隧道施工 過程中掌子面不斷向前推進的通風需求，能自動動態調整洞內通風量，且通風效果不受掘 進施工面推進進度影響。
[0065] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0066] 圖1為本發明所採用通風監控系統的使用狀態參考圖。
[0067] 圖2為本發明所採用通風監控系統的電路原理框圖。
[0068] 圖3為本發明所施工雙洞隧道的結構示意圖。
[0069] 圖4為本發明所建立的隧道三維仿真模型。
[0070] 圖5為本發明模擬出的隧道洞內掌子面後側不同位置處C0濃度的變化曲線圖。
[0071] 圖6為本發明模擬出的橫洞內不同位置處C0濃度的變化曲線圖。
[0072] 圖7為本發明模擬出的爆破完成後且通風400s時C0在平面y = 1. 6上的濃度雲 圖
[0073] 圖8-1為本發明模擬出的爆破完成後且通風400s時平面z = 280上的C0濃度雲 圖。
[0074] 圖8-2為本發明模擬出的爆破完成後且通風400s時平面z = 280上的C0流場速 度矢量雲圖。
[0075] 圖9為本發明模擬出的爆破完成後且通風T = 400s時平面y = 1. 6上的C0濃度 雲圖。
[0076] 圖10本發明模擬出的橫洞與隧道洞交叉口處的C0流線圖。
[0077] 附圖標記說明：
[0078] 1-隧道洞； 2-軸流式通風機； 3-當前所施工掌子面；
[0079] 4一射流風機； 5-風管； 6-檢測裝置；
[0080] 7-上位機； 8 - PLC控制器； 9一無線通信模塊一；
[0081] 10-無線通信模塊二；11 一橫洞。
【具體實施方式】
[0082] 如圖1、圖2所示的一種長距離隧道施工用通風監控系統，包括一個布設於所施工 隧道的隧道洞口外側的軸流式通風機2、一個布設於當前所施工掌子面3後側的射流風機 4、位於當前所施工掌子面3後側的可移動式監測裝置和通過通訊電纜與所述可移動式監 測裝置相接的上位監測裝置，所述可移動式監測裝置包括對有害氣體濃度、粉塵濃度與風 速進行實時檢測的檢測裝置6和供檢測裝置6安裝的可移動式安裝架。所施工隧道的長度 大於500m。所述射流風機4位於所施工隧道的隧道洞1內且射流風機4安裝在移動式風 機安裝架上。所述隧道洞1內布設有與軸流式通風機2的送風口相接的風管5,所述風管5 沿所施工隧道的延伸方向由後至前布設，所述風管5前端與當前所施工掌子面3之間的距 離為d3,其中d3 = 30m?100m。所述射流風機4位於風管5的前端後側，所述射流風機4 與風管5前端之間的間距dl = 60m?90m。所述移動式風機安裝架包括第一支撐架體和多 個安裝在所述第一支撐架體底部的第一行走輪，所述射流風機4安裝在所述第一支撐架體 上。所述可移動式安裝架包括第二支撐架體和多個安裝在所述第二支撐架體底部的第二行 走輪，所述檢測裝置6安裝在所述第二支撐架體上。
[0083] 本實施例中，所述軸流式通風機2與所述隧道洞口之間的間距d2 = 20m?50m。
[0084] 實際安裝時，所述軸流式通風機2安裝在水平安裝架上，所述水平安裝架固定在 所述隧道洞口外側。本實施例中，所述水平安裝架為由型鋼焊接而成的支架且其高度為 3m ?4m〇
[0085] 本實施例中，所述風管5為拉鏈式軟風管，所述拉鏈式軟風管通過多個緊固件固 定在隧道洞1的側壁上，多個所述緊固件沿所施工隧道的延伸方向由後至前布設。
[0086] 本實施例中，所述拉鏈式軟風管為拉鏈式膠皮風管且其直徑為Φ1. 5m，所述拉鏈 式膠皮風管由多個節段由後至前拼接而成，每個節段的長度為20m左右。所述緊固件包括 固定在隧道洞1側壁上的鉚釘和將所述拉鏈式軟風管懸掛於所述鉚釘上的懸掛鐵絲。
[0087] 實際加工時，所述第一支撐架體和所述第二支撐架體均為由型鋼焊接而成的支撐 架。
[0088] 本實施例中，所述第二支撐架體的高度為1. 5m?2m。所述第一支撐架體的高度為 4m?6m。具體加工時，可以根據實際需要，對所述第一支撐架體和所述第二支撐架體的高 度進行相應調整。
[0089] 實際布設安裝時，所述風管5布設在隧道洞1內部一側，所述射流風機4布設在隧 道洞1內部另一側。所述通訊電纜與風管5呈平行布設。
[0090] 本實施例中，所述可移動式監測裝置與當前所施工掌子面3之間的間距不大於 500m。所述可移動式監測裝置的數量為多個，多個所述可移動式監測裝置沿所施工隧道的 延伸方向由前至後布設，多個所述可移動式監測裝置中位於最前側的所述可移動式監測裝 置為前側監測裝置，所述前側監測裝置位於當前所施工掌子面3所處位置處，前後相鄰兩 個所述可移動式監測裝置之間的間距為80m?120m。
[0091] 實際使用過程中，可以僅開啟所述前側監測裝置的無線通信模塊一 9,其餘可移動 式監測裝置的無線通信模塊一 9均處於關閉狀態。
[0092] 同時，所述可移動式監測裝置還包括布設在所述第二支撐架體上的無線通信模塊 一 9,所述無線通信模塊一 9與檢測裝置6相接，所述上位監測裝置與無線通信模塊二10相 接，所述檢測裝置6通過無線通信模塊一 9和無線通信模塊二10與所述上位監測裝置進行 雙向通信。
[0093] 本實施例中，所述無線通信模塊一 9和無線通信模塊二10均為Zigbee無線通信 模塊一。
[0094] 也就是說，當前所施工掌子面3後側500m範圍內為監測區域，需在該監測區域內 由前至後布設多個所述可移動式監測裝置。實際使用過程中，多個所述可移動式監測裝置 所檢測信息同步上傳至所述上位監測裝置，這樣通風監控人員可通過所述上位監測裝置對 當前狀態下監測區域內的通風狀況進行及時、準確了解。
[0095] 並且，所述可移動式監測裝置與所述上位監測裝置通過無線傳輸與通訊電纜相結 合的數據傳輸模式，這樣既滿足了可移動式監測裝置布設位置的靈活性需求，並且也保障 了長距離通訊數據傳輸的可靠性。
[0096] 本實施例中，所述上位監測裝置包括對檢測裝置6所檢測信息進行採集的前端採 集裝置和與所述前端採集裝置相接的上位機7,所述前端採集裝置與檢測裝置6之間通過 所述通訊電纜進行連接，所述前端採集裝置與上位機7之間通過串行通信接口連接。
[0097] 所述檢測裝置6包括風速檢測儀、對有害氣體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感 器和對粉塵濃度進行實時檢測的粉塵濃度傳感器，所述風速檢測儀、所述氣體濃度傳感器 和所述粉塵濃度傳感器均與數據收發器相接，所述數據收發器通過所述通訊電纜與所述前 端採集裝置相接。所述風速檢測儀、所述氣體濃度傳感器和所述粉塵濃度傳感器的數量均 為多個，多個所述風速檢測儀、多個所述氣體濃度傳感器和多個所述粉塵濃度傳感器均沿 隧道洞1的寬度方向由左至右進行布設。
[0098] 本實施例中，所述氣體濃度傳感器為一氧化碳濃度傳感器。實際施工時，對所述氣 體濃度傳感器的類型進行選擇時，根據隧道施工現場作業條件，應重點考慮爆破作業、內燃 機工作、圍巖釋放氣體等主要有毒有害氣體來源、氣體類型及危害程度，同時滿足作業人員 的供氧條件、作業區溫溼度、斷面有效風速等其他指標，在達到有關隧道施工規範要求的基 礎上合理確定監測指標種類及限定值，根據監測指標選擇合適的傳感器種類及數據類型及 傳輸方式。一般而言，隧道施工應主要考慮瓦斯濃度、C0濃度、氮氧化物等傳感器，實際使 用時，也可以採用多種類型的氣體濃度傳感器。
[0099] 本實施例中，所述無線通信模塊一 9與所述數據收發器相接，且所述數據收發器 通過無線通信模塊一 9和無線通信模塊二10與所述前端採集裝置進行雙向通信，所述無線 通信模塊二10與所述前端採集裝置相接。
[0100] 本實施例中，多個所述風速檢測儀、多個所述氣體濃度傳感器和多個所述粉塵濃 度傳感器均布設在同一水平面上且其與隧道洞1底部的距離均為1. 5m?1. 8m。
[0101] 本實施例中，所述前端採集裝置為PLC控制器8。實際使用時，所述前端採集裝置 也可以採用其它類型的控制器晶片。
[0102] 實際使用時，所述軸流式通風機2和射流風機4均由所述上位監測裝置進行控制 且二者均與所述上位監測裝置相接。
[0103] 本實施例中，所述軸流式通風機2為變頻風機，軸流式通風機2的變頻器與所述上 位監測裝置相接。實際接線時，所述軸流式通風機2的變頻器與PLC控制器8相接。
[0104] 實際使用過程中，所述檢測裝置6所檢測信息上傳至所述前端採集裝置後，由所 述前端採集裝置完成信息採集，並上傳至上位機7。
[0105] 本實施例中，PLC控制器8為西門子S7-200模擬量控制模塊，所述軸流式通風機2 的變頻器為ABB變頻器。
[0106] 本發明所述的長距離隧道施工用通風監控方法，包括以下步驟：
[0107] 步驟一、軸流式通風機安裝：對所施工隧道進行開挖之前，在隧道洞口外側安裝一 個軸流式通風機2。
[0108] 所施工隧道由初始施工段和位於所述初始施工段後側的後續施工段組成，所述初 始施工段的長度為450m?550m。
[0109] 本實施例中，所述初始施工段的長度為500m，實際施工時，可以根據具體需要，對 所述初始施工段的長度進行相應調整。
[0110] 步驟二中進行開挖之前，先對隧道施工所需風量進行計算，具體是依據以下設計 參數加以確定：每次開挖一次炸藥用量G、隧道掘進最大長度L、洞內人員高峰時人數m、洞 內內燃機械總功率N、通風排煙時間t、通風管直徑D、平均百米漏風率P1(KI、通風管摩擦阻力 係數α等，具體計算方法如下：
[0111] 1)按洞內同時工作的最高人數計算所需風量：Q = 4XmXk (1);式中：m為隧 道洞1內高峰人數，個；K為風量備用係數，取1. 1 ;4為每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3/ 人· min〇
[0112] 2)按排出爆破產生有毒有害氣體計算所需風量
[0113] ①漏風係數：P = (2);式中：l為所施工隧道的掘進最大長 度，m;P1(?為平均百米漏風率，取1.5% ; 12.5xG χ/)χΑ
[0114] ②臨界長度：4|;:嚴-- (3);式中：g為爆破一次炸藥用量，kg ;b為 炸藥爆炸時有害氣體生成量，取40m3 ;k為紊流擴散係數，取0. 67 ;A為隧道淨空斷面面積， m2；
[0115] ③所需風量：_____b (4)，式中： f為淋水係數，取0.8 ;t為 t \ F 通風時間，取30min ;
[0116] 3)衝淡內燃機產生的有毒有害氣體計算所需空氣量QzQWNXT?，式中：為 單位功率所需風量指標，取3. 8?4. 0m3/min · kw ;Τ為柴油機利用係數，取0. 55 ;Ν為內燃 機設備按使用時間比例的總功率N = …且其單位為kw，％、^、^、……為各 類內燃機額定功率且其單位為kwjpKyKy ......為時間係數,各類設備每小時工作時間的 百分率且其單位為％;
[0117] 4)按最小風速計算所需風量Q彡eOXV^XS^ (6)，式中：乂^為保證洞內穩定 風流之最小風速，取0. 15m/s ;Smax為開挖最大斷面積，m2。
[0118] 5)按最不利情況隧道掌子面開挖爆破後出渣時各作業面需風量計算：
[0119] 根據隧道施工現場情況設想一種最不利情況，考慮內燃機、作業人員、排塵等各項 所需風量的總和，其中排塵風量計算如下：Q&= V(c-C。） （7)，式中：I為產塵強度，mg/ min ;c為允許粉塵濃度，mg/m3 為進風粉塵濃度，mg/m3 ;
[0120] 6)確定所需總風量：
[0121] 根據以上5種情況計算的所需風量結果，取其中最大值（Qmax)作為所需總風量的 計算風量。其中，Q供=pXQ max⑶。
[0122] 之後，對通風總阻力進行計算，過程如下：
[0123] 1)風管摩擦風阻：/? ;式中：α為磨擦阻力係數，取 D 1. 61 X 10_3Kg/m3 ;L為通風總長度，m ;D為通風管直徑，m ;
[0124] 2)風管通風阻力：h摩=RXQmaxXQ供（10);
[0125] 3)通風局部阻力：1黑=4><(^) (|·): (11);式中：ξ局為局部阻力係數；Ρ空 為空氣密度，可取1. 2kg/m3 ;Q為需風量，m3 ;Α為風筒面積，m2。
[0126] 4、扇風機全壓：h全=h摩+h局（I2)。
[0127] 然後，根據計算得出的所需總供風量、通風阻力等參數，對軸流式通風機2的功 率、轉速、風壓、風量等指標進行綜合考察，合理選擇匹配的軸流風機，也可根據現場情況， 採用多颱風機串、並聯技術實現通風要求。本實施例中，軸流式通風機2 (即洞外壓入風機） 選取山西候馬鑫豐康風機有限公司生產的SDF(C)-N〇B型軸流風機，該風機的主要技術性 能參數見表1 :
[0128] 表1選用軸流風機主要技術性能參數表
[0129] 參數額定功率（kw) 轉速（r/min) 風壓（Pa)風量（m3/min) 低檔 22 X 2 740 1487 1670 中檔 45X2 980 2704 2219 高檔 132X2 1480 5920 3300
[0130] 步驟二、隧道開挖及通風監控：沿所施工隧道的延伸方向，採用鑽爆法由後至前進 行隧道開挖施工，過程如下：
[0131] 步驟201、初始施工段開挖施工：由後至前對所述初始施工段進行開挖施工，且開 挖施工過程中，採用軸流式通風機2進行壓入式通風。
[0132] 步驟202、後續施工段開挖施工：由後至前對所述後續施工段進行開挖施工，且開 挖施工過程中，採用軸流式通風機2進行壓入式通風的同時，通過射流風機4持續向隧道洞 1外側吹風；對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述軸流式通風機2和射流風機4均 處於工作狀態。
[0133] 步驟201和步驟202中開挖施工過程中，所述風管5前端與當前所施工掌子面3 之間的距離均為d3 ;步驟202中進行開挖施工過程中，採用所述移動式風機安裝架將射流 風機4不斷向前移動，且射流風機4與風管5前端之間的距離均為dl。
[0134] 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述可移動式監測裝置與當 前所施工掌子面3之間的間距不大於500m ;所述可移動式監測裝置的數量為多個，多個所 述可移動式監測裝置沿所施工隧道的延伸方向由前至後布設，多個所述可移動式監測裝置 中位於最前側的所述可移動式監測裝置為前側監測裝置，所述前側監測裝置位於當前所施 工掌子面3所處位置處，前後相鄰兩個所述可移動式監測裝置之間的間距為80m?120m ; 多個所述可移動式監測裝置組成通風狀況監測裝置；所述檢測裝置6包括風速檢測儀、對 有害氣體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感器和對粉塵濃度進行實時檢測的粉塵濃度傳 感器。
[0135] 對所述後續施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下：
[0136] 步驟2021、設備前移及風管接長：將所述通風狀況監測裝置向前移動，直至所述 通風狀況監測裝置中的前側監測裝置移至當前所施工掌子面3所處位置處；同時，將風管5 接長，並將射流風機4向如移動。
[0137] 步驟2022、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面3上鑽取炮孔，再在已鑽取 炮孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破。
[0138] 步驟2023、出碴：採用運碴車將步驟2022中爆破後產生的碴石運送至隧道洞1 外。
[0139] 步驟2024、初期支護。；
[0140] 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述隧道洞1內的各可移動 式監測裝置進行實時監測並將監測信息同步上傳至所述上位監控裝置，所述上位監控裝置 調用自動監控模塊對軸流式通風機2進行自動監控，過程如下：
[0141] 步驟I、監測信息採集：所述上位監控裝置按照預先設定的採樣頻率，對與其相接 的各可移動式監測裝置上傳的監測信息進行採集。
[0142] 步驟II、監測信息分析處理：所述上位監控裝置按照時間先後順序，對步驟I中各 採樣時刻所採集的監測信息分別進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機2進 行控制，且每個採樣時刻所採集監測信息的分析處理方法均相同；每個採樣時刻所採集監 測信息均包含與所述上位監控裝置相接的多個所述可移動式監測裝置的監測信息，各可移 動式監測裝置的監測信息均包括風速檢測值、有害氣體濃度檢測值和粉塵濃度檢測值；對 任一採樣時刻所採集的監測信息而言，其分析處理過程如下：
[0143] 步驟II -1、各可移動式監測裝置的監測信息處理：對當前所處理監測信息中各可 移動式監測裝置的監測信息分別進行處理，並獲得由各可移動式監測裝置的監測信息確定 的風機轉速v ;其中，對任一個可移動式監測裝置的監測信息進行處理時，過程如下：
[0144] 步驟i、檢測值閾值比較：將當前所處理可移動式監測裝置的風速檢測值CF、有害 氣體濃度檢測值CH和粉塵濃度檢測值C。，分別與預先設定的風速閾值c ro、有害氣體濃度閾 值CHQ和粉塵濃度閾值cCQ進行差值比較：當C F彡CFQ、CH彡CHQ且Cc > cCQ時，風機轉速V = %，其中為預設設定的基準轉速；否則，進入步驟? ;
[0145] 步驟ii、轉速調整，過程如下：
[0146] 步驟ii -1、檢測值與閾值作差：將步驟i中所述的風速檢測值CF、有害氣體濃度檢 測值CH和粉塵濃度檢測值C。分別與風速閾值c ro、有害氣體濃度閾值CH(I和粉塵濃度閾值ce(l 進行作差，計算出風速檢測值增量△(；、有害氣體濃度檢測值增量ACh和粉塵濃度檢測值 增量Λ Cc ;
[0147] 其中，當 CF 彡 CFQ 時，Λ CF = 0 ;當 CF > CFQ 時，Λ CF = CF-CF。；
[0148] 當 CH 彡 CH。時，Λ CH = 0 ;當 CH > CH。時，Λ CH = CH_CH。；
[0149] 當 Cc 彡 Cc。時，Λ Cc = 0 ;當 Cc < Cc。時，Λ Cc = Cc(|-Cc ;
[0150] 步驟ii -2、檢測值增量對應轉速調整量獲取：根據步驟ii -1中計算出的Λ CF、Λ CH 和Λ C。，並結合預先設定的轉速調整信息，得出與Λ CF對應的轉速調整量Λ vF、與Λ CH對應 的轉速調整量Λ vH和與AC。對應的轉速調整量Λ vc;
[0151] 其中，所述轉速調整信息包括轉速調整量與風速檢測值增量之間的線性關係、轉 速調整量與有害氣體濃度檢測值增量之間的線性關係以及轉速調整量與風速檢測值增量 之間的線性關係；
[0152] 步驟ii -3、風機轉速調整量獲取：從步驟ii -2中所述AvF、八％和八\選出最大 值，作為風機轉速調整量Λν;其中，Λν為由當前所處理可移動式監測裝置的監測信息推 算出的風機轉速調整量；
[0153] 步驟ii -4、風機轉速獲取：根據公式ν = Vd+Δ ν，計算得出風機轉速ν ;
[0154] 步驟iii、多次重複步驟i至步驟ii，直至獲得由當前所處理監測信息中所有可移 動式監測裝置的監測信息確定的風機轉速V，所確定風機轉速v的數量與所述通風狀況監 測裝置中所包含可移動式監測裝置的數量相同；
[0155] 步驟II -2、風機轉速確定：從步驟iii中所確定的多個風機轉速v中選出最大值，作 為當前狀態下軸流式通風機2的控制風速ν' ；
[0156] 步驟II -3、軸流式通風機控制：控制軸流式通風機2以步驟II -2中所述的控制風 速V'運轉；
[0157] 步驟II -4、按照步驟II -1至步驟II -3中所述的方法，對下一個採樣時刻所採集的 監測信息進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機2進行控制；
[0158] 步驟II -5、多次重複II -4,直至完成所述後續施工段開挖施工過程中的全部自動 監控過程。
[0159] 本實施例中，所述前側監測裝置的所述可移動式安裝架與當前所施工掌子面3緊 A+^. Ο
[0160] 本實施例中，vQ = 600m/s ?1000m/s。
[0161] 本實施例中，多個所述風速檢測儀的平均值、和
[0162] 本實施例中，步驟i中風速檢測值(^為當前所處理可移動式監測裝置的多個所述 風速檢測儀的檢測值的平均值，有害氣體濃度檢測值C H為當前所處理可移動式監測裝置的 多個所述氣體濃度傳感器的檢測值的平均值，粉塵濃度檢測值C。為當前所處理可移動式監 測裝置的多個所述粉塵濃度傳感器的檢測值的平均值。
[0163] 本實施例中，風速閾值CF(I = 0. 15m/s，有害氣體濃度閾值CH(I = 30mg/m3,粉塵濃度 閾值 Cc。= 0· 7mg/m3。
[0164] 實際是手工時，根據隧道施工規範要求以及參考目前隧道施工的實際情況，選定 判斷作業面環境條件的主要檢測指標（風速檢測值c F、有害氣體濃度檢測值CH和粉塵濃度 檢測值C。）及判斷閾值（即風速閾值cro、有害氣體濃度閾值c m和粉塵濃度閾值cra)的取 值，檢測指標及判斷閾值可根據隧道施工實際情況、現場應用效果進行靈活調整。
[0165] 本實施例中，步驟ii中轉速調整時，採用差值最大優先邏輯模式，即按照風機轉速 調整量Λ v最大值，作為控制風機轉速調整的控制量。
[0166] 本實施例中，步驟201中對所述初始施工段進行開挖施工過程中，所述隧道洞1內 所布設可移動式監測裝置的數量為一個且該可移動式監測裝置布設在當前所施工掌子面3 所處位置處，所述可移動式監測裝置將其實時監測信息同步上傳至所述上位監控裝置。
[0167] 步驟201中對所述初始施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下：
[0168] 步驟2011、監測裝置前移及風管接長：將所述可移動式監測裝置向前移動至當前 所施工掌子面3所處位置處，並將風管5接長。
[0169] 步驟2012、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面3上鑽取炮孔，再在已鑽取 炮孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破。
[0170] 步驟2013、出碴：採用運碴車將步驟2012中爆破後產生的碴石運送至隧道洞1 外。
[0171] 步驟2014、初期支護。
[0172] 如圖3所示，步驟一中所施工隧道為雙洞隧道，所述隧道洞1的數量為兩個，兩個 所述隧道洞1呈平行布設，兩個所述隧道洞1的後續施工段之間通過多個橫洞11連通，多 個所述橫洞11沿隧道洞1的延伸方向由後至前布設，前後相鄰兩個所述橫洞11之間的間 距大於500m。兩個所述隧道洞1的開挖施工方向相同且二者的開挖進度相差不大於100m ; 對兩個所述隧道洞1進行開挖之前，先按照步驟一中所述的方法，在兩個所述隧道洞1的隧 道洞口外側分別安裝一個軸流式通風機2 ;之後，按照步驟二中所述的方法，對兩個所述隧 道洞1分別進行隧道開挖及通風監控。
[0173] 本實施例中，所述橫洞11與隧道洞1呈垂直布設。
[0174] 本實施例中，步驟二中對兩個所述隧道洞1分別進行隧道開挖過程中，由後至前 分別對多個所述橫洞11進行開挖施工。
[0175] 任一個橫洞11開挖完成後，對該橫洞11前方500m內的隧道洞1進行開挖施工時， 均將該橫洞11作為兩個隧道洞1的連通通道進行通風影響分析；對當前所分析橫洞11前 方500m內的任一隧道洞1進行開挖施工時，每一循環進尺施工之前，需先採用數據處理設 備對本循環進尺的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬。
[0176] 其中，對本循環進尺的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬時， 結合當前所施工掌子面3的位置、當前所分析橫洞11與當前所施工掌子面3之間的距離 以及隧道洞1的幾何尺寸，所述數據處理設備調用FULENT軟體進行模擬，並得出鑽爆過程 完成後當前所施工掌子面3後側50mm範圍內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的變化 曲線以及該橫洞11內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的變化曲線；再根據上述模擬 結果，判斷當前所分析橫洞11與另一個隧道洞1之間的連接處是否需布設可移動式監測裝 置，便完成當前所分析橫洞11的通風影響分析過程；當判斷出當前所分析橫洞11與另一個 隧道洞1之間的連接處需布設可移動式監測裝置時，在當前所分析橫洞11與另一個隧道洞 1之間的連接處布設一個可移動式監測裝置，並將所布設可移動式監測裝置與對另一個隧 道洞1外側所布設軸流式通風機2進行自動監控的上位監控裝置相接。
[0177] 並且，步驟202中所述通風狀況監測裝置中所包含可移動式監測裝置的數量為N 個，其中N = 3個?5個；所述數據處理設備調用FULENT軟體進行模擬後，還需根據模擬 結果，並結合當前狀態下當前所分析橫洞11內是否存在作業區，判斷當前所分析橫洞11內 是否需布設可移動式監測裝置；當判斷出當前所分析橫洞11內需布設可移動式監測裝置 時，在當前所分析橫洞11內布設一個可移動式監測裝置，並將所布設可移動式監測裝置與 對當前所施工隧道洞1外側所布設軸流式通風機2進行自動監控的上位監控裝置相接。其 中，作業區指有人員作業、施工的區域。
[0178] 本實施例中，所施工的隧道為關虎衝雙洞隧道，對一側隧道洞1進行開挖施工過 程中，爆破產生的C0等有毒有害氣體通過用於人行、車行的橫洞11大量擴散、運移到另一 側隧道洞1，並且C0濃度經常達到警戒值，這給雙洞隧道現場施工管理帶來安全隱患，增加 了施工通風風路有效組織的工作難度，採用Fluent軟體對特定通風條件下的有毒有害氣 體（具體是C0)的流動場進行模擬仿真，以便有毒有害氣體對擴散、運移過程進行了數字模 擬與分析，模擬結果如下：
[0179] 首先，建立所施工隧道的三維仿真模型，詳見圖4,圖4中兩個分別隧道洞1為 Tunnel A和Tunnel B，橫洞11為Crossing，當前所施工掌子面3為Heading。模型設定 假設：第一、忽略流體黏性作用引起的耗散熱；第二、通風氣流可視為三維黏性不可壓縮流 體；第三、壁面絕熱，恆溫通風；第四、初始時刻C0隻分布在爆破面附近的爆破拋擲範圍內， 其餘空間C0質量分數為零；第五、忽略隧道內機動車、施工器械對流場的影響，忽略洞口自 然風的影響。
[0180] 物理解算模型：掘進隧道（即隧道洞1內）採用基於Navier-Stokes方程的風流 模型，並採用RNG k-ε湍流模型使方程組封閉。隧道內空氣湍流流動與氣體擴散用到的控 制方程有：質量守恆方程、動量守恆方程、能量守恆方程、濃度擴散方程、湍流動能k方程和 湍流動能耗散率ε方程。
[0181] 模型邊界條件定義：
[0182] (a)、每個隧道洞1內均有一個風管5,即所施工隧道有2個速度入口，每個速度 入口為新鮮空氣，設定C0質量分數為零。其中，湍流動能k in= 0invin2,紊流動能耗散率： 心?式中：Θ in為常數且Θ in = 0.005，Vin為速度入口風速，Cw為試驗常數， 札為風管5的半徑，m。其中，Cw取0. 9。
[0183] (b)、爆破發生在隧道作業掌子面時，炮煙拋擲距離經驗公式：LW= 15+A/5 = 63m，式中：LW為炮煙拋擲距離，m而為爆破所用炸藥質量，取240kg。
[0184] (c)、爆破瞬間產生的C0在炮煙拋擲範圍內均勻分布，爆破後炮煙拋擲範圍內C0 質量分數為：〔,=(印|/￡一>#=0.00226，式中山1為每千克炸藥爆炸時產生的0)氣體 體積，取〇. 〇4m3/kg ;A為隧道橫截面積，取65m2。
[0185] (d)、出口邊界條件，隧道施工入口為模型自由流出口，即滿足： du η ον Λ Λ ok ^ (? η η η η.,,, ,,
[0186] - = 〇? - = 〇? = 〇5 _ = 〇, - = 〇 , Ρ = = 〇，式中：u、ν 和 w 分別 οχ oy οζ οχ cx 為出口速度在χ、y、ζ方向的分量，POTt為外部環境壓強。
[0187] (e)、隧道邊壁和掌子面均為無滑動邊界，採用標準壁函數法。
[0188] 模型求解方法：採用Patankar提出的有限體積法離散方程，對流項採用一階迎風 差分格式近似，SMPLE算法求解。
[0189] 然後，利用RNG k- ε湍流模型模擬所施工雙洞隧道獨頭掘進時C0擴散規律，得出 非穩態下C0擴散數據模型，其中模擬結果詳見圖5和圖6。圖5和圖6中橫坐標T (s)為爆 破後時間，縱坐標為C0質量分數。
[0190] 圖5顯示了從爆破發生時刻（即T = Os)開始計時，通風過程中監測得到隧道洞 內各斷面C0質量分數隨時間的變化特徵，其中與當前所施工掌子面3距離0m處，C0質量 分數隨著通風時間迅速下降；其它5個斷面都經歷了 C0質量分數上升和下降兩個階段，距 離當前所施工掌子面3距離越大，C0擴散到來的時間越晚。
[0191] 圖6模擬了橫洞11內C0質量分數變化情況，從T = 230s開始，C0質量分數開始 迅速增加 ，T = 360s時橫洞11內C0質量分數達到最高，C0質量分數數值為0. 0014,相當 於1680mg/m3,是TWA (時間加權平均值）的84倍和STEL (短期曝露極限）的56倍。通風 800s後，平面X = 12m上的C0質量分數才逐漸降低到安全範圍以內。
[0192] 同時，圖7中模擬了所施工雙洞隧道獨頭掘進時，兩個隧道洞1內通風功率不一致 時，隧道掌子面爆破作業產生的C0沿著橫洞11擴散、運移的規律，並且圖7為爆破完成後 且通風T = 400s時C0在平面y = 1. 6上的濃度雲圖。在三維隧道模型中截取平面z = 280,該面為橫洞11的中間面，圖8-1和圖8-2分別為爆破完成後且通風T = 400s時平面 z = 280上的C0濃度雲圖和流場速度矢量雲圖。圖9為爆破完成後且通風T = 400s時平 面y = 1. 6上的C0濃度雲圖，該圖反映出C0在隧道內呈團狀分布，展示了隧道洞Tunnel A 內的C0沿著橫洞11向隧道洞Tunnel B擴散的運移規律。圖10模擬了橫洞11與隧道洞 1(具體是隧道洞Tunnel B)交叉口處的C0流線圖，說明隧道內原有流線受到擠壓偏斜，兩 個氣流產生了一個渦流區域。
[0193] 實際進行通風監控時，參照以下標準：
[0194] 第一、洞內氧氣含量按體積計不應小於19. 5%;洞內最高平均氣溫不宜高於28°C。
[0195] 第二、一氧化碳一般情況下不大於15mg/m3,特殊情況下，施工人員必須進入工作 面時，可為30mg/m 3,但工作時間不得超過15min。
[0196] 第三、含10%以上游離二氧化矽的粉塵，每立方米空氣中不得大於0. 7mg ;含10% 以下游離二氧化矽的礦物性粉塵，每立方米空氣中不得大於lmg。
[0197] 第四、全斷面開挖時風速不應小於0. 15m/s，洞內最小排塵風速不得小於0.25m/ s，洞內最大排塵風速不得大於6. Om/s。
[0198] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技 術方案的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵在於：包括一個布設於所施工隧道 的隧道洞口外側的軸流式通風機（2)、一個布設於當前所施工掌子面（3)後側的射流風機 (4) 、位於當前所施工掌子面（3)後側的可移動式監測裝置和通過通訊電纜與所述可移動 式監測裝置相接的上位監測裝置，所述可移動式監測裝置包括對有害氣體濃度、粉塵濃度 與風速進行實時檢測的檢測裝置（6)和供檢測裝置（6)安裝的可移動式安裝架；所施工隧 道的長度大於500m;所述射流風機（4)位於所施工隧道的隧道洞（1)內且射流風機（4)安 裝在移動式風機安裝架上；所述隧道洞（1)內布設有與軸流式通風機（2)的送風口相接的 風管（5)，所述風管（5)沿所施工隧道的延伸方向由後至前布設，所述風管（5)前端與當前 所施工掌子面⑶之間的距離為d3,其中d3 = 30m?100m;所述射流風機（4)位於風管 (5) 的前端後側，所述射流風機（4)與風管（5)前端之間的間距dl = 60m?90m;所述移動 式風機安裝架包括第一支撐架體和多個安裝在所述第一支撐架體底部的第一行走輪，所述 射流風機（4)安裝在所述第一支撐架體上；所述可移動式安裝架包括第二支撐架體和多個 安裝在所述第二支撐架體底部的第二行走輪，所述檢測裝置（6)安裝在所述第二支撐架體 上。
2. 按照權利要求1所述的一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵在於：所述可 移動式監測裝置還包括布設在所述第二支撐架體上的無線通信模塊一（9)，所述無線通信 模塊一（9)與檢測裝置（6)相接，所述上位監測裝置與無線通信模塊二（10)相接，所述檢 測裝置（6)通過無線通信模塊一（9)和無線通信模塊二（10)與所述上位監測裝置進行雙 向通信。
3. 按照權利要求1或2所述的一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵在於：所 述上位監測裝置包括對檢測裝置（6)所檢測信息進行採集的前端採集裝置和與所述前端 採集裝置相接的上位機（7)，所述前端採集裝置與檢測裝置（6)之間通過所述通訊電纜進 行連接，所述前端採集裝置與上位機（7)之間通過串行通信接口連接。
4. 按照權利要求3所述的一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵在於：所述檢 測裝置（6)包括風速檢測儀、對有害氣體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感器和對粉塵濃 度進行實時檢測的粉塵濃度傳感器，所述風速檢測儀、所述氣體濃度傳感器和所述粉塵濃 度傳感器均與數據收發器相接，所述數據收發器通過所述通訊電纜與所述前端採集裝置相 接。
5. 按照權利要求1或2所述的一種長距離隧道施工用通風監控系統，其特徵在於：所 述軸流式通風機（2)與所述隧道洞口之間的間距d2 = 20m?50m ;所述軸流式通風機（2) 安裝在水平安裝架上，所述水平安裝架固定在所述隧道洞口外側且其高度為3m?4m ;所述 第二支撐架體的高度為1. 5m?2m。
6. -種利用如權利要求1所述通風監控系統在對長距離隧道施工過程中進行通風監 控的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟： 步驟一、軸流式通風機安裝：對所施工隧道進行開挖之前，在隧道洞口外側安裝一個軸 流式通風機（2); 所施工隧道由初始施工段和位於所述初始施工段後側的後續施工段組成，所述初始施 工段的長度為450m?550m ; 步驟二、隧道開挖及通風監控：沿所施工隧道的延伸方向，採用鑽爆法由後至前進行隧 道開挖施工，過程如下： 步驟201、初始施工段開挖施工：由後至前對所述初始施工段進行開挖施工，且開挖施 工過程中，採用軸流式通風機（2)進行壓入式通風； 步驟202、後續施工段開挖施工：由後至前對所述後續施工段進行開挖施工，且開挖施 工過程中，採用軸流式通風機（2)進行壓入式通風的同時，通過射流風機（4)持續向隧道洞 (1)外側吹風；對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述軸流式通風機（2)和射流風機 (4)均處於工作狀態； 步驟201和步驟202中開挖施工過程中，所述風管（5)前端與當前所施工掌子面（3) 之間的距離均為d3 ;步驟202中進行開挖施工過程中，採用所述移動式風機安裝架將射流 風機（4)不斷向前移動，且射流風機（4)與風管（5)前端之間的距離均為dl ; 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述可移動式監測裝置與當前所 施工掌子面（3)之間的間距不大於500m;所述可移動式監測裝置的數量為多個，多個所述 可移動式監測裝置沿所施工隧道的延伸方向由前至後布設，多個所述可移動式監測裝置中 位於最前側的所述可移動式監測裝置為前側監測裝置，所述前側監測裝置位於當前所施工 掌子面（3)所處位置處，前後相鄰兩個所述可移動式監測裝置之間的間距為80m?120m; 多個所述可移動式監測裝置組成通風狀況監測裝置；所述檢測裝置（6)包括風速檢測儀、 對有害氣體濃度進行實時檢測的氣體濃度傳感器和對粉塵濃度進行實時檢測的粉塵濃度 傳感器； 對所述後續施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下： 步驟2021、設備前移及風管接長：將所述通風狀況監測裝置向前移動，直至所述通風 狀況監測裝置中的前側監測裝置移至當前所施工掌子面（3)所處位置處；同時，將風管（5) 接長，並將射流風機（4)向前移動； 步驟2022、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面（3)上鑽取炮孔，再在已鑽取炮 孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破； 步驟2023、出碴：採用運碴車將步驟2022中爆破後產生的碴石運送至隧道洞（1)外； 步驟2024、初期支護； 步驟202中對所述後續施工段進行開挖施工過程中，所述隧道洞（1)內的各可移動式 監測裝置進行實時監測並將監測信息同步上傳至所述上位監控裝置，所述上位監控裝置調 用自動監控模塊對軸流式通風機（2)進行自動監控，過程如下： 步驟I、監測信息採集：所述上位監控裝置按照預先設定的採樣頻率，對與其相接的各 可移動式監測裝置上傳的監測信息進行採集； 步驟II、監測信息分析處理：所述上位監控裝置按照時間先後順序，對步驟I中各採樣 時刻所採集的監測信息分別進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機（2)進行 控制，且每個採樣時刻所採集監測信息的分析處理方法均相同；每個採樣時刻所採集監測 信息均包含與所述上位監控裝置相接的多個所述可移動式監測裝置的監測信息，各可移動 式監測裝置的監測信息均包括風速檢測值、有害氣體濃度檢測值和粉塵濃度檢測值；對任 一採樣時刻所採集的監測信息而言，其分析處理過程如下： 步驟II -1、各可移動式監測裝置的監測信息處理：對當前所處理監測信息中各可移動 式監測裝置的監測信息分別進行處理，並獲得由各可移動式監測裝置的監測信息確定的風 機轉速V ;其中，對任一個可移動式監測裝置的監測信息進行處理時，過程如下： 步驟i、檢測值閾值比較：將當前所處理可移動式監測裝置的風速檢測值(；、有害氣體 濃度檢測值CH和粉塵濃度檢測值C。，分別與預先設定的風速閾值CF(I、有害氣體濃度閾值C H(I 和粉塵濃度閾值Cra進行差值比較：當CF < Cro、CH CFQ 時，Λ CF = CF_CF。； 當 CH 彡 CH。時，ACH = 0 ;當 CH > CH。時，ACH = CH_CH。； 當 Cc > Cc。時，ACc = 0 ;當 Cc < Cc。時，ACc = Cc(|-Cc ; 步驟ii -2、檢測值增量對應轉速調整量獲取：根據步驟ii -1中計算出的Λ CF、Λ CH和 Δ C。，並結合預先設定的轉速調整信息，得出與Λ CF對應的轉速調整量Λ vF、與Λ CH對應的 轉速調整量Λ vH和與AC。對應的轉速調整量Λ vc; 其中，所述轉速調整信息包括轉速調整量與風速檢測值增量之間的線性關係、轉速調 整量與有害氣體濃度檢測值增量之間的線性關係以及轉速調整量與風速檢測值增量之間 的線性關係； 步驟ii -3、風機轉速調整量獲取：從步驟ii -2中所述AvF、AVl^P Λν。選出最大值， 作為風機轉速調整量Λν;其中，Λν為由當前所處理可移動式監測裝置的監測信息推算出 的風機轉速調整量； 步驟ii -4、風機轉速獲取：根據公式ν = v# Δ ν，計算得出風機轉速ν ; 步驟iii、多次重複步驟i至步驟ii，直至獲得由當前所處理監測信息中所有可移動式 監測裝置的監測信息確定的風機轉速V，所確定風機轉速v的數量與所述通風狀況監測裝 置中所包含可移動式監測裝置的數量相同； 步驟II -2、風機轉速確定：從步驟iii中所確定的多個風機轉速v中選出最大值，作為當 前狀態下軸流式通風機（2)的控制風速ν' ； 步驟II -3、軸流式通風機控制：控制軸流式通風機⑵以步驟II -2中所述的控制風速 ν'運轉； 步驟II -4、按照步驟II -1至步驟II -3中所述的方法，對下一個採樣時刻所採集的監測 信息進行分析處理，並根據分析處理結果對軸流式通風機（2)進行控制； 步驟II -5、多次重複II -4,直至完成所述後續施工段開挖施工過程中的全部自動監控 過程。
7.按照權利要求6所述的方法，其特徵在於：步驟201中對所述初始施工段進行開挖 施工過程中，所述隧道洞（1)內所布設可移動式監測裝置的數量為一個且該可移動式監測 裝置布設在當前所施工掌子面（3)所處位置處，所述可移動式監測裝置將其實時監測信息 同步上傳至所述上位監控裝置； 步驟201中對所述初始施工段進行開挖施工時，每一循環進尺的施工過程如下： 步驟2011、監測裝置前移及風管接長：將所述可移動式監測裝置向前移動至當前所施 工掌子面（3)所處位置處，並將風管（5)接長； 步驟2012、鑽爆：先採用鑽孔設備在當前所施工掌子面（3)上鑽取炮孔，再在已鑽取炮 孔內裝藥，裝藥完成後起爆進行爆破； 步驟2013、出碴：採用運碴車將步驟2012中爆破後產生的碴石運送至隧道洞（1)外； 步驟2014、初期支護。
8. 按照權利要求6或7所述的方法，其特徵在於：步驟一中所施工隧道為雙洞隧道，所 述隧道洞（1)的數量為兩個，兩個所述隧道洞（1)呈平行布設，兩個所述隧道洞（1)的後續 施工段之間通過多個橫洞（11)連通，多個所述橫洞（11)沿隧道洞（1)的延伸方向由後至 前布設，前後相鄰兩個所述橫洞（11)之間的間距大於500m;兩個所述隧道洞（1)的開挖施 工方向相同且二者的開挖進度相差不大於100m;對兩個所述隧道洞（1)進行開挖之前，先 按照步驟一中所述的方法，在兩個所述隧道洞（1)的隧道洞口外側分別安裝一個軸流式通 風機（2);之後，按照步驟二中所述的方法，對兩個所述隧道洞（1)分別進行隧道開挖及通 風監控。
9. 按照權利要求8所述的方法，其特徵在於：步驟二中對兩個所述隧道洞（1)分別進 行隧道開挖過程中，由後至前分別對多個所述橫洞（11)進行開挖施工； 任一個橫洞（11)開挖完成後，對該橫洞（11)前方500m內的隧道洞（1)進行開挖施工 時，均將該橫洞（11)作為兩個隧道洞（1)的連通通道進行通風影響分析；對當前所分析橫 洞（11)前方500m內的任一隧道洞（1)進行開挖施工時，每一循環進尺施工之前，需先採用 數據處理設備對本循環進尺的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬； 其中，對本循環進尺的鑽爆過程中所產生有害氣體和粉塵的流動場進行模擬時，結合 當前所施工掌子面（3)的位置、當前所分析橫洞（11)與當前所施工掌子面（3)之間的距離 以及隧道洞（1)的幾何尺寸，所述數據處理設備調用FULENT軟體進行模擬，並得出鑽爆過 程完成後當前所施工掌子面（3)後側50_範圍內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的 變化曲線以及該橫洞（11)內有害氣體濃度的變化曲線和粉塵濃度的變化曲線；再根據上 述模擬結果，判斷當前所分析橫洞（11)與另一個隧道洞（1)之間的連接處是否需布設可移 動式監測裝置，便完成當前所分析橫洞（11)的通風影響分析過程；當判斷出當前所分析橫 洞（11)與另一個隧道洞（1)之間的連接處需布設可移動式監測裝置時，在當前所分析橫洞 (11)與另一個隧道洞（1)之間的連接處布設一個可移動式監測裝置，並將所布設可移動式 監測裝置與對另一個隧道洞（1)外側所布設軸流式通風機（2)進行自動監控的上位監控裝 置相接。
10. 按照權利要求9所述的方法，其特徵在於：步驟202中所述通風狀況監測裝置中所 包含可移動式監測裝置的數量為N個，其中N = 3個?5個；所述數據處理設備調用FULENT 軟體進行模擬後，還需根據模擬結果，並結合當前狀態下當前所分析橫洞（11)內是否存在 作業區，判斷當前所分析橫洞（11)內是否需布設可移動式監測裝置；當判斷出當前所分析 橫洞（11)內需布設可移動式監測裝置時，在當前所分析橫洞（11)內布設一個可移動式監 測裝置，並將所布設可移動式監測裝置與對當前所施工隧道洞（1)外側所布設軸流式通風 機（2)進行自動監控的上位監控裝置相接。
【文檔編號】F04D27/00GK104121031SQ201410328774
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】劉文武, 雷耀軍, 吳應明, 張王傑, 田育虎, 仲維玲, 王群英, 高功林 申請人:中鐵二十局集團第二工程有限公司