Лекция 6 по ТП на ТМ
.doc
Лекция 6
Вентиляция тоннелей. Общие требования к проветриванию тоннелей. Вентиляция тоннелей в период эксплуатации. Определение объемов проветривания. Схемы подачи воздуха в тоннель. Продольная, поперечная, полупоперечные системы вентиляций.
Состав воздуха в тоннеле постоянно меняется. Причина заключается в повышенной влажности и изменении температуры, поступлении из окружающих грунтов газов, проникающих через обделку, загрязнении воздуха продуктами сгорания топлива.
Человек может нормально работать только при определенных нормированных условиях состава воздуха, температуры и влажности. Для обеспечения этих нормированных условий существуют различные системы вентиляции воздуха.
Вентиляцию транспортных тоннелей следует предусматривать естественной или с механическим побуждением в зависимости от длины тоннеля.
Вентиляция должна обеспечивать эксплуатацию железнодорожного или автодорожного тоннеля в следующих режимах:
А – нормальный – осуществляется безостановочное движение транспорта с максимальной разрешенной скоростью при интенсивности, соответствующей часу «пик»;
Б – замедленный – осуществляется безостановочное движение транспорта со скоростью менее 20 км;
В – транспортная пробка – имеет место остановка транспорта с работающими двигателями длительностью до 15 мин.
Целью проектирования вентиляции тоннелей является разработка мероприятий, обеспечивающих подачу в тоннель чистого воздуха в таком количестве, при котором вредные газовые примеси (интегральный показатель – окись углерода) разбавляются до безопасных предельно допустимых концентраций (ПДК).
Естественная вентиляция
Факторы, способствующие возникновению в тоннеле естественной тяги:
-различие барометрических давлений у порталов тоннелей;
-устойчивые продольные ветровые потоки;
-расположение порталов на разных уровнях при наличии разности температур наружного и тоннельного воздуха.
Барометрический напор возникает в длинных перевальных тоннелях, пересекающих высокие хребты. В этом случае барометрическое давление может быть различно у обоих порталов (рис.1). При разности барометрических давлений ΔH , мм рт. Ст., барометрический напор hб=136 ΔH.
Рис.1 Изобары на плане односкатного тоннеля
Ветровой напор может способствовать проветриванию тоннеля при его расположении под малым углом α к направлению господствующих ветров. В горной местности условия возникновении ветрового напора лучше, чем на равнине, так как складки рельефа служат направляющими для потоков воздуха. Наиболее благоприятно для возникновения ветрового напора расположение тоннеля вдоль узкой долины.
На естественное проветривание существенно влияет поршневой эффект проходящих через тоннель транспортных единиц. В благоприятных условиях он может создать достаточную для проветривания скорость воздушного потока, а в неблагоприятных – уравновесить естественную тягу или даже изменить направление движения воздуха на обратное. Особенно заметен поршневой эффект в однопутных железнодорожных тоннелях, так как поезд занимает большую часть сечения тоннеля и имеет большую длину.
При движении поезда перед локомотивом создается избыточное давление, а за последним вагоном – разрежение. Эти факторы способствуют преодолению сопротивления тоннеля как воздуховода и создают напор, обеспечивающий перемещение воздуха в тоннеле.
Усилению влияния поршневого эффекта на проветривание тоннеля способствуют следующие факторы.
1. Увеличение воздушного сопротивления, которое можно достигнуть при большом заполнении поездом поперечного сечения тоннеля. Поэтому целесообразно вместо двухпутного тоннеля устраивать два однопутных и располагать тоннели на малых уклонах. При этом одновременно уменьшается расход топлива локомотивом при проходе через тоннель и, следовательно, выделение вредных газов.
2. Уменьшение сопротивления тоннеля как воздуховода, которое может быть достигнуто при уменьшении коэффициента трения воздуха о стены тоннеля и сокращении местных сопротивлений при входе и выходе путем закругления кромок портальных отверстий. Наибольшее значение имеет уменьшение шероховатости внутренней поверхности тоннеля. Для этой цели целесообразно применять при бетонировании металлическую инвентарную опалубку.
В автодорожных тоннелях влияние поршневого эффекта не так велико, как в железнодорожных, вследствие значительно меньшего заполнения транспортными единицами поперечного сечения тоннеля. Однако и здесь следует учитывать возможность возникновения устойчивого воздушного потока, особенно при движении колонн автомобилей с минимальными интервалами между ними. Поэтому целесообразно устраивать отдельные тоннели для одностороннего движения, в которых воздушные потоки от поршневого эффекта автомобилей могут быть использованы для естественного проветривания. Такое решение допустимо в случае коротких тоннелей (длиной 400 м). При этом обязательно выключение двигателей внутреннего сгорания при остановке автомобилей в тоннеле.
Вопрос о выборе между естественным проветриванием и искусственной вентиляцией тоннеля решают в зависимости от ряда факторов: от длины тоннеля, вида транспортных средств и типа тяги при железнодорожном транспорте.
Естественное проветривание допускается в железнодорожных тоннелях длиной до 300 м при тепловозной тяге и до 100 м при электрической тяге, а также в автодорожных тоннелях длиной до 150 м.
При большой длине тоннеля необходимость искусственной вентиляции устанавливают в зависимости от типа тяги, продольного профиля и плана тоннеля и подходов к нему, расположения тоннеля по отношению к направлению господствующих ветров и частоты движения поездов или автомобилей.
В железнодорожных тоннелях длиной более 1000 м при тепловозной тяге и в автодорожных тоннелях длиной более 400 м искусственная вентиляция обязательна независимо от установленной расчетом возможности естественной вентиляции.
Искусственная вентиляция
Искусственная вентиляция может осуществляться различными способами. В зависимости от направления движения воздуха, подаваемого в тоннель, различают продольную, поперечную и полупоперечную системы вентиляции.
При продольной вентиляции воздуховодом служит тоннель, вдоль которого перемещается воздух.
Эффективность продольной вентиляции в значительной степени зависит от направления и силы естественной тяги, а также от поршневого эффекта подвижного состава. Для приспособления этим факторам обычно применяют вентиляционные установки реверсивного типа, позволяющие изменять направление подачи воздуха в соответствии с конкретной обстановкой в тоннеле.
Для усиления эффективности искусственной вентиляции наиболее целесообразна подача воздуха в тоннель в направлении движения подвижного состава с использованием его поршневого эффекта. Однако в однопутных железнодорожных тоннелях с тепловозной тягой рекомендуется подавать воздух навстречу поезду, в особенности при его движении на крутой подъем. При этом воздух с продуктами сгорания топлива удаляется от локомотива, и улучшаются условия работы локомотивной бригады.
По СНиП II-44-78 скорость воздушного потока в тоннеле не должна превышать 6 м/с; это значение и ограничивает возможный объем проветривания.
Продольная вентиляция может быть осуществлена по одной из следующих схем:
1. Схема с вентиляционными шахтами. Сооружение специальных вентиляционных шахт на трассе тоннеля, расположенного на большой глубине, связано со значительными капиталовложениями. Поэтому для вентиляции используют стволы строительных шахт, заложенных с целью открытия дополнительных забоев и ускорения строительства. При выборе расположения стволов учитывают удобства их последующего использования как вентиляционных. Так, при наличии одной шахты целесообразно располагать ее на переломе продольного профиля тоннеля, где возможно скопление вредных газов.
2. Глубокие шахтные стволы значительно увеличивают силу естественной тяги. Их оборудуют реверсивными вентиляционными установками, подающими воздух в направлении, совпадающем с направлением естественной тяги, что способствует уменьшению эксплуатационных расходов на вентиляцию.
При наличии нескольких стволов (рис.3) следует чередовать стволы с притоком и вытяжкой воздуха, располагая их таким образом. Чтобы примыкающие к шахте участки тоннеля ИМЛИ по возможности одинаковые сопротивления.
Рис.3 Схема продольной вентиляции
При выборе количества и диаметра шахтных стволов исходят из скоростей воздуха, не превышающих в тоннеле 6 м/с, в стволе 12 м/с. Кроме того, диаметр ствола шахты, используемой в качестве строительной, должен быть достаточен для размещения устройств двухклетьевого подъема (т.е., не менее 5 м). Вентилятор обозначают символом ∞, стрелка указывает направление движения воздуха.
Движение по тоннелю, вызывающее поршневой эффект, а также естественная тяга в значительной степени могут влиять на надежность шахтной вентиляции. На участках, где направление действия этих факторов совпадает с направлением воздушного потока, вентиляция усиливается, тогда как на других участках возможно значительное ослабление и даже изменение направления подвижного потока.
При длинных тоннелях через ствол, ближайший к входному порталу шахты, нагнетают воздух до тех пор, пока поезд не пройдет ствол, а затем через него веду вытяжку.
2. Схема с портальной установкой и закрытием выхода из тоннеля. Устройство вентиляционных шахт дорого и не всегда технически выполнимо (например, для глубоко расположенных тоннелей). В этих случаях применяют вентиляционные установки, размещенные у порталов (рис.4).
При открытом портале воздух, нагнетаемый через вентиляционный канал, расположенный под углом к оси тоннеля, выходит наружу, а при работе вентиляторов на вытяжку в основном происходит засасывание свежего воздуха через портал, в то время, как в тоннеле воздух движется недостаточно интенсивно. Поэтому входы в тоннель снабжают занавесами, состоящими из вертикальных стальных рам, на которые натянут брезент. Рамы уравновешены и перемещаются по роликам в направляющих. Открытие и закрытие занавеса происходит автоматически (с помощью контактных устройств и рельсовой цепи). Занавес ограждают сигналами.
Рис.4 Схема продольной вентиляции с портальной установкой
и закрытием выхода из тоннеля
Вентиляция осуществляется следующим образом. При входе поезда в тоннель закрываются занавес у противоположного портала, и воздух нагнетается навстречу поезду. При этом воздух в тоннеле приводится в движение, и вредные газы удаляются через входной портал. Эффективность проветривания усиливается, если за поездом, вошедшим в тоннель, опускается занавес и вентиляционная установка входного портала начинает работать на вытяжку. Реверсивность установок позволяет изменять направление движения воздуха.
3. Схема с портальной установкой и открытыми входами (система Саккардо). При интенсивном движении, требующем постоянно открытых входов, у порталов устраивают вентиляционные установки, вдувающие воздух в тоннель с большой скоростью через охватывающую сечение тоннеля узкую щель, расположенную под острым углом к его оси. При этом воздух в тоннеле приводится в движение за счет скоростного напора и одновременно через ближайший портал подсасывается свежий воздух.
При таком размещении портальной вентиляционной установки (рис.6) вход в тоннель охватывает камера длиной 2.5 м. Воздух нагнетается в камеру двумя вентиляторами, расположенными в надпортальном вентиляционном здании. Из камеры воздух с большой скоростью выходит через щель, расположенную по контуру камеры под углом около 15 к оси тоннеля.
Площадь щели в ее наиболее узкой части определяют в зависимости о проветривания с учетом подсоса через ближайший портал около 20% необходимого воздуха и скорости выпускания воздуха, связанной с длиной тоннеля (для тоннелей длиной более 1 км за скорость должна быть н менее 20 м/с).
Кроме установок нагнетательного типа имеются вытяжные установки, производящие противоположное действие.
К общим недостаткам всех систем продольной вентиляции относятся: большая скорость воздуха в тоннеле, представляющая неудобства для людей и опасность в случае возникновения в тоннеле пожара; неравномерность концентрации вредных газов по длине тоннеля; значительное влияние, оказываемое на проветривание тоннеля естественной тягой и движением транспортных средств (это не относится к схеме портальной вентиляции с закрытием выхода из тоннеля).
Вследствие этого продольную вентиляцию редко применяют в автодорожных тоннелях, где она может быть рекомендована при устройстве параллельных тоннелей для раздельного движения или в виде так называемой струйной вентиляцией.
Поперечная вентиляция. При поперечной вентиляции в сечении размещаются два канала (рис.8) – соответственно, для подачи свежего и удаления загрязненного воздуха, имеющих достаточную для прохода обслуживающего персонала высоту. При этой системе значительно увеличиваются размеры выработки и трудности ее проходки, а также возрастают капитальные затраты.
Рис.8 – Схема поперечной вентиляции тоннеля
В тоннелях кругового очертания вентиляционные каналы располагают вверху и внизу сечения (рис.9,а). В тоннелях подковообразного сечения более целесообразно размещать оба канала над проезжей частью (рис.9,б). При этом создается возможность устраивать более подъемистый свод, лучше работающий на вертикальные нагрузки, отпадает необходимость в тяжелом перекрытии для пропуска подвижного состава. В этом случае воздух подается через вертикальные каналы в стенах в уровень проезжей части, где выпускается во внутренне пространство тоннеля. Недостатком расположения обоих каналов над проезжей частью является сложность герметизации разделительной перегородки между ними.
Рис.9 Сечения тоннелей с поперечной вентиляцией
Воздух выпускается в тоннель через вытянутые вдоль его оси щели, расположенные несколько выше уровня проезжей части (рис.9а). Для вытяжки служат поперечные узкие (шириной 12-16 см) отверстия в подвесном потолке, расположенные через каждые 5-10м по длине тоннеля и имеющие заслонки для регулирования ширины открытия. Сечение каналов назначают в зависимости от скорости движения воздуха, доходящей до 15-20 м/с. При больших скоростях резко возрастают сопротивления, зависящие от квадрата скорости , и мощность вентиляционной установки.
Длина каналов ограничивается возможностью равномерного выпуска воздуха в тоннель, так как по мере перемещения воздуха по каналу постоянного сечения падает напор и уменьшается интенсивность выхода воздуха в тоннель. Для усиления равномерности выпуска воздуха регулируют размеры отверстий и число их по длине каналов и ограничивают длину каналов 600-800 м, что соответствует расстоянию между порталами или стволами шахт, равному 1200-1600 м.
К достоинствам поперечной вентиляции относятся: быстрое удаление вредных газов из сечения тоннеля, поступление свежего воздуха по всей длине тоннеля, отсутствие движения воздуха в тоннеле с большими скоростями и опасности распространения огня вдоль тоннеля при пожаре, независимость вентиляции от силы естественной тяги и движения подвижного состава. Недостатком, ограничивающим применение поперечной вентиляции, является ее высокая стоимость, связанная с необходимостью увеличения сечения тоннеля.
Поперечную систему вентиляции применяют в автодорожных тоннелях с большой интенсивностью движения.
Полупоперечная вентиляция. Такая система вентиляция представляет собой комбинированное решение. Свежий воздух подается по вентиляционному каналу, параллельному оси тоннеля, а загрязненный воздух удаляется по тоннелю, служащему воздуховодом (рис.10). В этом случае направление движения воздуха в тоннеле поперечно-продольное. По строительным затратам и эксплуатационным качествами эта система занимает среднее место между продольной и поперечной системами.
Рис. 10 Схема полупоперечной вентиляции
Вентиляционный канал обычно размещают в верхней части тоннелей, сооружаемых горным способом, и под проезжей частью тоннелей кругового очертания. Расстояние между порталами или вентиляционными шахтами в этом случае ограничивается допустимыми скоростями движения воздуха в тоннеле (6 м/с) и в вентиляционном канале (15-20 м/с). При двух портальных установках, каждая из которых обслуживает по половине длины тоннеля, полупоперечная система вентиляции может быть применена для автодорожных тоннелей длиной до 1600 м с интенсивным движением.
К недостаткам полупоперечной вентиляции относятся : большая скорость воздуха в тоннеле, опасная в случае возникновения пожара, и неравномерность концентрации окиси углерода, увеличивающейся по мере продвижения загрязненного воздуха к выходному порталу тоннеля.
Струйная вентиляция. К новым направлениям в области вентиляции транспортных тоннелей принадлежи струйная система, являющаяся разновидностью продольной вентиляции. При этой системе под сводом или в нишах, устроенных в верхней части стен тоннеля, размещают осевые вентиляторы. Число последовательно установленных групп вентиляторов ( в каждой по два-три вентилятора) назначают таким образом, чтобы они могли подавать объем воздуха, необходимый для разбавления вредных газов до ПДК, преодолеть сопротивление тоннеля как воздуховода.
Струйная вентиляция имеет ряд преимуществ перед другими системами. Размещение осевых малогабаритных вентиляторов под сводом автодорожного тоннеля, непосредственно над габаритом транспортной зоны, позволяет отказаться от устройства вентиляционных каналов, значительно уменьшить высоту обделки тоннеля и, следовательно, сократить объем выработки, а также исключить необходимость в зданиях для вентиляционных установок. Вследствие этого применение такой системы вентиляции обеспечивает снижение капитальных затрат и сокращение сроков строительства.
Для снижения эксплуатационных расходов необходимо оборудовать вентиляционную установку приборами, автоматически включающимися и выключающимися вентиляторы в зависимости от концентрации вредных газов в тоннеле.