铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法与流程

本发明涉及铁路隧道施工通风，尤其涉及一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法。

背景技术：

1、高海拔铁路隧道修建面临以下难题：一是高海拔高地温段落超长，施工环境极为恶劣，严重危及作业人员健康；二是钻爆法隧道施工独头通风距离长，高温高湿与高原缺氧的环境条件叠加，施工通风难度更大。

2、隧道施工通风作为洞内外空气交换的手段，对于改善施工作业环境和保障作业人员安全起到重要的作用。西南地区高海拔钻爆法隧道施工的通风具有如下特点：一是长、特长高海拔隧道占比大，施工工期长，施工通风总费用高；二是横洞、斜井设置条件差，辅助坑道长，多数长度为1.0～4.0km，多数工区施工通风距离为4.0～7.7km；三是横洞、斜井工区正洞施工工作面多，一般为2～6个工作面，多工作面施工需风量大；四是目前现场施工通风风机功率不足且软风管系统漏风率较大，一般为1.66％～16.01％，容易导致洞内供风量不足，施工环境较差。针对上述长、特长高海拔隧道施工期长、通风距离长、需风量大、通风费用高等特点，常规压入式通风已经难以满足高海拔隧道施工通风对供风量的需求。

3、辅助坑道隔板风渠式通风是一种特殊的施工通风方式，利用隔板将辅助坑道分为上下两部分，上部作为风道，下部为运输及排污通道；新风由上部风道送入，再由送风机通过管路转送到各开挖工作面，污风由各开挖工作面隧道汇总至辅助坑道下部运输通道排至洞外。辅助坑道隔板风渠式通风具有如下特点：利用隔板构建一个低漏风率或无漏风率、低通风阻力的风道，缩短正洞施工软风管送风距离，满足隧道长距离多工作面施工供风量需求，减小通风设备功率需求，降低施工通风运营总费用。

4、当隧道辅助坑道(横洞、斜井)工区施工通风选用隔板风渠式通风时，风道设置需满足正洞多工作面施工供风量的需求，且不能影响辅助坑道正常的行车运输功能；在供风量一定的情况，风机功率与风渠上部风道面积的平方成反比，为达到降低通风能耗的目的，应保障隧道辅助坑道上部隔板风道具有足够的面积；同时，辅助坑道施工通风总成本需考虑风道工程费、洞外风机采购费用及风机运营电费等。因此，亟待提出一种既能够满足铁路隧道施工通风需求，又在经济效益上最合适(即总成本最低)的铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道断面的设计方法，使用该方法设计出来的辅助坑道断面称为辅助坑道经济断面。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中，既需要满足隧道多工作面施工需风量又需要合理控制辅助坑道施工通风总成本时，辅助坑道钢筋混凝土隔板风渠式通风的辅助坑道断面设计无理论依据的问题，提供一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法，采用现场浇筑钢筋混凝土隔板作为辅助坑道风渠式通风的风渠隔板，所述风渠隔板将所述辅助坑道分为上、下两部，其中上部为风道，下部为运输及排污通道，通过以下步骤得到所述风道的经济横断面积、所述辅助坑道的经济断面设计尺寸及经济断面设计图：

4、s1：获取每平米钢筋混凝土隔板造价p、当地电价a、风机工作月数mt以及所述辅助坑道风渠式通风的相关设计参数，所述相关设计参数包括风道长度l、风道需风量q、辅助坑道洞口空气密度ρ1、标准大气压下空气密度ρ0、风道沿程阻力系数λ1、风道入口局部阻力系数ξin、风道出口局部阻力系数ξout、风机效率ηt、维护修正系数c1；

5、s2：为所述风道选取一个假定当量直径值de1，将所述假定当量直径值de1代入下列公式：

6、

7、求得所述风道入口、出口的局部阻力系数折算后的等效沿程阻力系数值λ2，再将得到的所述等效沿程阻力系数值λ2代入下列公式：

8、

9、求得计算经济风速值v'f，再将得到的所述计算经济风速值v'f代入下列公式：

10、

11、其中k为经验系数，根据实际情况选取具体数值，得出计算当量直径值de2；

12、s3：将所述计算当量直径值de2与所述假定当量直径值de1比较，若所述de2与所述de1不相等，则重复s2，直至所述de2与所述de1相等，此时由所述de1计算得到的所述计算经济风速值v'f为设计经济风速值vf0；

13、s4：将所述设计经济风速值vf0代入下列公式：

14、

15、求得所述风道的经济横断面积值sf0；

16、s5：设计所述辅助坑道断面形状，利用所述辅助坑道断面的几何关系得出所述辅助坑道的断面尺寸与所述风道的横断面积间的关系式，利用所述关系式与所述风道的经济横断面积值sf0，采用试算法求得所述辅助坑道的经济断面设计尺寸；

17、s6：利用所述风道的经济横断面积值sf0、所述辅助坑道的经济断面设计尺寸、断面形状，画出所述辅助坑道的经济断面设计图。

18、本发明的一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法，采用现场浇筑钢筋混凝土隔板作为辅助坑道的风渠式通风的风渠隔板，此种方式构筑的风道产生内部漏风的概率极低，漏风率可视作为0，能够简化计算；收集获取每平米钢筋混凝土隔板造价p、当地电价a、风机工作月数mt以及所述辅助坑道风渠式通风的相关设计参数，采用试算法利用本发明提供的公式求得所述设计经济风速值vf0，进而求得所述风道的经济横断面积值sf0，表明当所述风道的横断面积选取为所述经济横断面积值sf0时，所述辅助坑道的风渠式通风的总成本最低，所述辅助坑道的经济效益最合适；确定好所述风道的经济横断面积值sf0后，设计所述辅助坑道断面形状，利用所述辅助坑道断面的几何关系得出所述辅助坑道的断面尺寸与所述风道的横断面积间的关系式，利用所述关系式与所述风道的经济横断面积值sf0，采用试算法求得所述辅助坑道的经济断面设计尺寸，进而画出所述辅助坑道的经济断面设计图，完成铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道的经济断面设计。本发明的一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法，能够设计出既能够满足铁路隧道施工通风需求，又在经济效益上最合适(即通风总成本最低)的铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道的断面，为辅助坑道采用钢筋混凝土隔板作为风渠隔板进行风渠式通风的断面设计提供了一种理论依据。

19、作为本发明的优选方案，所述维护修正系数c1在0.05-0.15的范围内选取。所述维护修正系数c1为设计过程中考虑到所述辅助坑道的风道建成后的后期维护费用而选定的修正系数，其数值根据具体的施工所在地的环境选定，0.05-0.15的范围已经涵盖了绝大多数施工环境下会用到的维护修正系数，在0.05-0.15的范围内选取所述维护修正系数c1的值，有利于计算结果更符合实际。

20、作为本发明的优选方案，所述经验系数k选取为4.10。所述经验系数k为所述风道的湿周u与所述风道的横断面积a之间关系式的经验系数，大多数情况下所述经验系数k选取为4.10，能够简化计算。

21、作为本发明的优选方案，所述步骤s5中，将所述辅助坑道的断面形状设计为三心拱断面，所述辅助坑道的断面包括一段拱部圆弧、两段边墙圆弧、底板与所述风渠隔板，所述两段边墙圆弧分别位于所述拱部圆弧两边，所述两段边墙圆弧的半径、圆心角度数及圆心高度均相同。实际工程中满足铁路隧道多工作面施工通风需求的辅助坑道的断面形状多数均采用三心拱断面，步骤s5中将所述辅助坑道的断面形状设计为三心拱断面，符合实际工程需求；所述辅助坑道断面包括一段拱部圆弧、两段边墙圆弧、底板与所述风渠隔板，所述两段边墙圆弧分别位于所述拱部圆弧两边，所述两段边墙圆弧的半径、圆心角度数及圆心高度均相同，既符合实际工程需求，又能够简化所述辅助坑道的断面的几何关系，简化得到所述辅助坑道的经济断面设计尺寸的计算过程。

22、作为本发明的优选方案，所述步骤s5中，根据所述三心拱断面的几何关系，得到所述拱部圆弧的半径r1及圆心高度h1、所述边墙圆弧的半径r2及圆心高度h2与所述风道的横断面积sf间的关系式，利用所述关系式与所述风道的经济横断面积值sf0，采用试算法求得所述r1、所述h1、所述r2、所述h2的设计值。所述辅助坑道的断面形状设计为三心拱断面，所述辅助坑道的经济断面设计尺寸即为所述拱部圆弧的半径r1及圆心高度h1、所述边墙圆弧的半径r2及圆心高度h2，通过试算法求得所述r1、所述h1、所述r2、所述h2的设计值，即可画出所述辅助坑道的经济断面设计图，能够尽可能减少所述辅助坑道的经济断面设计尺寸的计算量。

23、作为本发明的优选方案，所述步骤s5中，将所述拱部圆弧的角度数设计为120°，所述底板水平，所述风渠隔板与所述底板平行，所述步骤s5还包括：

24、s501：结合实际需求选取所述底板的宽度d、所述风渠隔板的顶面到所述底板的距离h；

25、s502：为所述辅助坑道选取一个边墙圆弧假定半径值r21和边墙圆弧假定圆心高度值h21，将所述边墙圆弧假定半径值r21和所述边墙圆弧假定圆心高度值h21代入下列公式：

26、

27、α＝30°-θ

28、

29、

30、

31、求得计算上部风道横断面积值sf1；

32、s503：将所述计算上部风道横断面积值sf1与所述风道的经济横断面积值sf0比较，若所述sf1与所述sf0不相等，则重复s502，直至所述sf1与所述sf0相等，此时由所述r21、所述h21计算得到的拱部圆弧半径值r1为拱部圆弧设计半径值r10，所述边墙圆弧假定半径值r21为边墙圆弧设计半径值r20，所述边墙圆弧假定圆心高度值h21为边墙圆弧设计圆心高度值h20；

33、s504：将得到的所述拱部圆弧设计半径值r10、所述边墙圆弧设计半径值r20、所述边墙圆弧设计圆心高度值h20代入下列公式：

34、

35、求得拱部圆弧设计圆心高度值h10。

36、所述拱部圆弧的角度数为120°，所述底板水平，所述风渠隔板与所述底板平行，能够简化模型，在所述辅助坑道满足工程需求的条件下，尽可能减少所述辅助坑道的经济断面设计尺寸的计算量；结合实际需求选取所述底板的宽度d、所述风渠隔板的顶面到所述底板的距离h，保证所述辅助坑道的运输及排污通道中的行车可以通过；利用所述底板宽度d、所述风渠隔板的顶面到所述辅助坑道的底板的距离h以及所述风道的经济横断面积值sf0，采用试算法根据本发明提供的公式得到所述辅助坑道的经济断面设计尺寸，计算方便、过程简单。

37、作为本发明的优选方案，所述步骤s501中所述底板的宽度d在7.0-8.0m的范围内选取，所述风渠隔板的顶面到所述底板的距离h在4.2-4.8m的范围内选取。实际工程中铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道的运输及排污通道一般设置为双车道用于行车运输，因此对所述辅助坑道的底板宽度d有要求，所述步骤s501中所述辅助坑道的底板宽度d在7.0-8.0m的范围内选取，能够满足实际工程中行车运输通过的需要。

38、作为本发明的优选方案，所述步骤s6包括：

39、s601：利用所述风道的经济横断面积值sf0、所述辅助坑道的经济断面设计尺寸，画出所述辅助坑道的经济断面尺寸图；

40、s602：将所述经济断面尺寸图中的所述辅助坑道的底板改为向左或向右倾斜的倾斜平面，并在左右墙角增加排水沟，完成所述辅助坑道的经济断面设计图。

41、将所述经济断面尺寸图中的所述辅助坑道的底板改为向左或向右倾斜的倾斜平面，能够降低所述辅助坑道的底板出现积水的风险，有利于所述辅助坑道底板上的液体流到墙角，并在左右墙角增加水沟，便于排水。

42、作为本发明的优选方案，所述步骤s602中将所述辅助坑道的底板修改为向左或向右倾斜的倾斜度为2％的倾斜平面。按照设计经验，所述步骤s602中将所述底板修改为向左或向右倾斜的倾斜度为2％的倾斜平面，既有利于所述辅助坑道底板上的液体流到墙角，又不会影响到行车运输的安全稳定。

43、本发明还公开了一种铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道，所述辅助坑道的断面采用本发明任一所述的铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法得到。所述辅助坑道既能够满足铁路隧道多工作面施工的通风需求，又能够合理降低辅助坑道施工通风总成本，兼顾通风功能与经济效益。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、1.本发明的一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法，能够设计出既能够满足铁路隧道施工通风需求，又在经济效益上最合适(即通风总成本最低)的铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道的断面，为辅助坑道采用钢筋混凝土隔板作为风渠隔板进行风渠式通风的断面设计提供了一种理论依据。

46、2.优选的，本发明的一种铁路隧道风渠式施工通风辅助坑道经济断面设计方法，将所述辅助坑道的断面形状设计为三心拱断面，并提供所述辅助坑道的断面尺寸与所述风道的横断面积间的关系式，既符合实际工程需求，又能够简化所述辅助坑道的断面的几何关系，简化得到所述辅助坑道的经济断面设计尺寸的计算过程。

47、3.本发明的一种铁路隧道施工隔板风渠式通风辅助坑道，既能够满足铁路隧道多工作面施工的通风需求，又能够合理降低辅助坑道施工通风总成本，兼顾通风功能与经济效益。