隧道施工通風方法-tunnel construction ventilation methods

安全隧道施工是土木和結構工程領域的關鍵挑戰。隧道提供了方便的交通路線並縮短了行駛距離，施工過程中常受到有害氣體的影響，這些氣體會嚴重危害建築工人的健康和安全。隧道施工期間，爆炸物的爆炸和柴油發動機的使用會產生大量的有害氣體。因此，對通風工程的需求往往會限制隧道建設的進度。隧道內的流速分佈和分析隧道中的流渦,會產生不同方案下的通風效應。同時評估用作通風口的豎井相關的隧道施工問題。類比氨傳質研究隧道中的氣流特性發現較高的風速不會顯著影響氨的分佈，但會降低隧道出口處的氨濃,表明隧道沿線的氣流、風速和洩漏率逐漸下降。數值模擬可以確定風機在隧道中的最佳位置，實現一氧化碳和其他污染物的快速排放。分析氣流，CO和粉塵的分佈; 優化不同長度隧道的通風時間，會使雙隧道施工中的氣流行為和有害氣體擴散。工作面附近迴流和渦流及風道和工作台長度對工作面附近氣流和有害氣體分佈的影響,在增加排風管後改善。

隧道內氣流的方向本質上是縱向流動。在隧道的開始或隧道分段的開始(豎井’橫坑)，新鮮空氣進氣將移動污染氣體和廢水。然後在隧道施築輪進中,尤其工作面，排放出污染的空氣。如Configuration of Longitudinal Ventilation in Tunnels圖所示。

隧道施工作業粉塵防範-Dust Prevention in Tunnel Construction

隧道輪進岩體鑽炸孔作業’爆破’出渣為隧道開挖作業的部分，隧道內粉塵產生及堆積將在環境中排放大量的二氧化矽。攝入相當的二氧化矽會導致一種稱為「矽肺病」致命的的疾病。

粉塵控制方式為;

1. Wet drilling(濕式排岩粉屑鑽炸孔作業)
2. Use of vacuum hood(粉層收集器)
3. Use of respirators(工作人員佩掛氣體濾過面罩)

通風是鑽炸隧道掘進中施工安全最重要的一部分。隧道施工中的通風系統主要使用強制通風，以達到經濟和效率的目的。單排氣通風系統的效率低於強制通風系統。

機械(強制)通風系統採用送風機，排氣管和軸流風機等機械裝置，其功能是去除隧道內的廢氣，並有助於將新鮮空氣吹入隧道。提供三種機械通風設施：

1. Blowing(送氣); 新鮮乾淨的空氣被吹到工作面上。長隧道施工輪進距離延伸後會減低廢氣’有害氣體的置換效率, 廢氣’有害氣體在隧道中因迴流’滯留影響施工。
2. Exhausting(排氣);系統在工作面附近包含一個排氣管(剛性管)，將污濁的空氣和灰塵流入其中。通過氣流循環,新鮮空氣維持在隧道內。適當條件產生快速去除灰塵和煙霧是排氣系統的一個優點。
3. Combination of blowing and exhausting(送氣及排氣組合系統); 組合應用的送風和排氣系統概念的發展，使每個系統的優點可以結合起來，帶來更高性能的通風系統。鑽炸爆破后，排氣系統將運行15至30分鐘,立即去除有害空氣。之後;送風系統連續工作以提供新鮮空氣，直到下一次輪進爆破。

兩種常見通風方法的特點、優缺點。建議在隧道一側再增設安裝噴射風機，以增加工作面上的氣壓並加速有害氣體的遷移,尤其是殘留有害氣體。噴射風機設計和安裝原理圖所示。邊界條件模型;噴射風管是直徑為1米，長度為65米的柔性風管，射流風機的風速設置為20米/秒。噴射管道的出口距離工作面 35 m。排氣管道安裝在隧道中送風管的另一側。噴射風扇不用於交換系統內外的氣流;它只負責加速工作面附近的局部氣流。因此，如果可以保證喷設管道出口的空氣流速，噴射風扇的直徑可以很小。

風速穩定后, 隧道中的流場分佈與抽氣通風模型中的流場分佈相似，射流管出口附近的流速較大,只是射流的添加會改變工作面附近的空氣更加流場。顯然;由於噴射風扇的作用，工作面附近的局部空氣速度增加並形成渦流區。受影響最嚴重的位置靠近隧道側壁。從管道出口到隧道出口的流場是穩定的。

氣流分佈對CO氣體的排放具有內在影響。隨著空氣抽取時間的增加，CO峰從工作面移動到排氣管道出口，隧道頂部的CO被更快地排出，而遠離管道的隧道兩側的CO排出速度較慢。隨著 CO 濃度的降低，每個位置的濃度分佈曲線大致保持不變。隧道內一氧化碳平均濃度(CO)沒有明顯的峰值，證明使用排氣通風時隧道內沒有渦流區。通氣7分鐘后，隧道內平均CO濃度達到允許的工作人員進入濃度標準(the allowable entry concentration standard);但是，為了達到安全濃度標準，必須通風10分鐘以上才能使平均CO濃度達到安全濃度標準。隨時間分佈在隧道內的不同位置,從送風管道氣流進入到隧道出口的路徑上的CO濃度為零。

強制(機械)通風在工作面附近產生渦流區，從而在氣流場中產生強烈變化，並影響有害氣體（如CO）的濃度。渦流區在前6分鐘內導致CO濃度達到兩個峰值，並延遲有害氣體的運動。這種延遲發生在隧道段沿線的每個位置，特別是在包含送風管道的隧道的一側。

抽氣通風方法比強制送風快。隧道出口和強制送風管道噴嘴之間的位置在很大程度上不受有害氣體的影響;最難從管道和工作面之間的中心點排放CO氣體，橫斷面則是稍微遠離管道,是氣流受送風噴嘴影響較小的位置。一氧化碳在隧道頂部排出的速度更快，但從隧道一側遠離風管道的一側的排放速度更慢。

強制通風和抽氣及加裝噴射風扇，以改善隧道通風

強制通氣需要更多的時間來消散有害氣體濃度。抽氣通風會使某些地方難以排出有害氣體。增加一種噴射風扇可以有效地解決這個問題。強制通風和抽氣兩種通風方法的缺點校正，可以在隧道的另一側相對於抽風管處,安裝一個噴射風扇，以便在工作面附近產生渦流。渦流區在CO濃度曲線中產生兩個不同的峰值;一個在排氣管進氣處，一個在工作面附近。因此，噴射風扇可以促進工作面附近空間中的空氣流場，確保更有效，更快速的通風並減少通風空氣量。

軸流風機(Axial flow fans)

軸流風機造成與風葉的軸同方向的氣流，如電風扇，空調外機風扇就是軸流方式運行風機。之所以稱為「軸流式」，是因為氣體平行於風機軸流動。軸流式風機通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合。軸流風機當葉輪旋轉時，氣體從進風口軸向進入葉輪，受到葉輪上葉片的推擠而使氣體的能量升高，然後流入導葉。導葉將偏轉氣流變為軸向流動，同時將氣體導入擴壓管，進一步將氣體動能轉換為壓力能，最後引入工作管路。排出污染的空氣和煙霧，同時也吹進新鮮空氣進入隧道內,供應新鮮空氣。

單級軸流風機是隧道和地鐵通風系統中最常用的，但當壓力要求很高時，可能需要兩級風機。軸流風扇可以是單向型,或完全可逆型,單向風扇反向運行，則其效率和性能將低於正向風扇。

射流風機Jet fan

噴射風扇的功能基於脈衝原理。空氣從較小的表面積（風扇出口）以相對較高的速度排出。相對較高的速度排出的空氣與風扇前面的空氣碰撞時，它會將空氣向前推，同時將周圍的空氣吸引混合（感應效應-渦流）。湍流混合將周圍流體卷吸進來而不斷擴大，卷吸和摻混的結果，射流斷面不斷擴大，而流速則不斷降低，流量沿程增加,並流向下游。即較高動能的高速氣流將能量傳送給隧道內的其他氣體，產生克服隧道阻力的壓升，從而推動隧道內的空氣順風機噴射氣流方向流動。