[发明专利]公路隧道施工通风结构及其通风量控制方法

权利要求书

1.公路隧道施工通风结构，包括进风巷(1)和回风巷(2)，所述进风巷(1)和回风巷(2)前端为掌子面(9)，所述进风巷(1)和回风巷(2)前段连通有的前段横通道(3)，所述进风巷(1)中设置有朝向隧道前端的风机(5)，所述回风巷(2)中设置有背向隧道前端的风机(5)，其特征在于：所述前段横通道(3)与隧道洞口之间还设置有至少一个与前段横通道(3)同时通风的中段横通道(4)，所述中段横通道(4)连接于进风巷(1)和回风巷(2)之间，所述前段横通道(3)和各中段横通道(4)内均设置有朝向回风巷(2)的风机(5)。

2.如权利要求1所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述前段横通道(3)和中段横通道(4)均设置有用于调控通风量的风门(6)。

3.如权利要求1所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述中段横通道(4)与前段横通道(3)的之间以及各中段横通道(4)之间的间距为800mm～1200m。

4.如权利要求2所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述进风巷(1)中设置有两个轴流风机(7)，所述两个轴流风机(7)分别连接有风管(8)，两根风管(8)分别延伸至进风巷(1)和回风巷(2)的掌子面(9)。

5.如权利要求1、2、3或4所述的公路隧道施工通风结构，其特征在于：所述进风巷(1)和回风巷(2)的掌子面(9)处均设置有背向隧道前端的风机(5)。

6.如权利要求4所述的公路隧道施工通风结构的通风控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立最小树：根据风管(8)、进风巷(1)、回风巷(2)、中段横通道(4)和前端横通道(3)的几何关系对每个节点及分支进行编号，形成通风网络图，G＝(V，E)，|V|＝m，|E|＝n，将链接所有节点并未形成网络的分支确定为最小树，形成最小树IT；

(2)确定余树弦：在通风网络中，除掉最小树分支即为余树弦，将风机所在分支作为余树弦；

(3)建立回路矩阵：隧道通风网络分别具有m个节点，n条分支，若将网络各分支按余树弦在前、树枝在后的次序排列，则可将基本关联矩阵Bk和独立回路矩阵Ck分块为：

Bk＝(B11 B12)

Ck＝(C11 C12)＝(I C12)

式中：B11—(m－1)×(n－m+1)阶矩阵；

B12—(m－1)×(m－1)阶方阵；

I—n－m+1阶单位矩阵；

C12—(n－m+1)×(m－1)阶矩阵；

则有因此，由基本关联矩阵Bk，可以算出独立回路矩阵Ck，即：Ck=(I-B11T(B12-1)T);]]>

(4)建立平衡方程：隧道横通道开启后，在两隧道之间形成在通风回路中风流速度较低，视为不可压缩流体，各回路节点遵循流体力学基本定律，风量平衡和风压平衡原理，根据回路矩阵，建立相关分支向量及有关权向量：

分支向量E＝(e1，e2，…..，en)

风阻向量R＝(R1，R2，…..，Rn)

风量向量Q＝(q1，q2，…..，qn)

阻力向量H＝(h1，h2，…..，hn)

因此平衡方程为：

Σj=1ncijhj=Σj=1ncijpjCK(HT-PT)=0;]]>

(5)求解平衡方程：对于一个具有m个节点，n条分支的隧道通风网络图G＝(V，E)来说，独立回路为b＝n-m+1个，因此在给定通风网络中的各分支风阻及风向的条件下，选出该图的b个独立回路，标定独立回路的风量及风向，并设独立回路风量的向量为：

Qy＝(qy1，qy2，……，qyb)

则在以独立回路风量为变量的条件下，由独立回路风压平衡方程式即可列出以下的非线性方程组：

Σj=1j≠ibRij(qyi-qyj)2+Riiqyi2=pi]]>  (i＝1，2，.......，b)

式中：R_ij—第i回路和第j回路的公共分支的风阻(即树枝风阻)，N·s²/m³；

R_ii—第i回路中独立分支的风阻，N·s²/m³；

qyi、qyj—第i回路和第j回路的风量，m³/s；

pi—第I回路的通风能量的代数和，即pi＝pf

pf—风机工作风压，Pa；

设方程组式的第k次近似解为：

fi=fi(qy1k,qy2k,.......,qybk)]]>  (i＝1，2，.......，b)

利用非线性方程组线性化方法来解算方程组式，将该式按泰勒级数展开，并将二次及二次以上的高阶微分部分忽略不计，可得回路风量校正值的计算式为：

Δqyik=-Σj=1j≠ibRij(qyik-qyjk)|qyik-qyjk|+Riiqyik|qyik|-Pi2(Σj=1j≠ibRij|qyik-qyjk|+Rii|qyik|)-dpidqyi|Qy=Qyk]]>  (i＝1,2,...,b)     ①

则第k+1次独立回路风量值为：

qyik+1=qyik+Δqyik]]>  (i＝1,2,.....,b)     ②

按①和②反复计算，依次求出独立回路风量修正值，如果满足以下条件：

max{|Δqyik+1|}≤ϵ]]>  (i＝1,2,......,b)

式中ε——预先给定的精度，

即可停止计算，这第k+1次近似风量就是自然分配的风量，通过不断调整风机布置及风门开启角度重复上述计算过程，直至风量满足隧道各段需要为止。