负压气封诱导式顶管作业环境控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，包括紊流送风装置，设置于距掘进头一定距离处，且位于工具管内，所述紊流送风装置形成与掘进头呈一定角度的空气幕的气封结构，气流在空气幕与掘进头之间反弹回旋并形成空气紊流旋涡，以使毒害气体充分搅拌和混掺并形成稳定的上升气流；排风装置，所述排风装置设置于工具管内，所述排风装置的第一风口位于掘进头和紊流送风装置之间，以收集并接收毒害气体，第二风口位于地面以上，以将毒害气体排出施工区域。本发明专利技术将有毒有害气体封闭于空气幕到掘进头之间，防止大范围逸散；依靠形成的稳定上升气流，将成分复杂、相对分子质量差距过大的有毒有害气体高效一次性排除，具有广泛的适应性。有广泛的适应性。有广泛的适应性。

【技术实现步骤摘要】
负压气封诱导式顶管作业环境控制系统


[0001]本专利技术涉及顶管施工
，具体而言，涉及一种负压气封诱导式顶管作业环境控制系统。

技术介绍

[0002]地下顶管施工一般会通过淤泥层、煤层等，地层中可能富含一氧化碳、硫化氢、甲烷氮氧化物等有毒有害气体，极端情况甚至会因掘进头钻破天然气管道、工业管道而大量涌入其他有毒有害气体，这些有毒有害气体往往通过掌子面进入前端的掘进头、然后通过工具管进入顶管管线内。有害气体一旦聚集将会危害施工人员的健康，甚至发生爆炸事故；另外，顶进距离过长也会导致管道内作业人员缺氧窒息，具有较大安全隐患。
[0003]基于上述原因，顶管施工作业人员必须采用通风装置对顶管内部安全作业环境进行有效控制。但是，顶管作业环境中有毒有害气体的组分不明确，空气中所含组分的相对分子质量可能有较大差异，例如：甲烷的相对分子质量为16.04远小于空气的相对分子质量29，静态时悬浮于顶管顶部；而二氧化氮的相对分子质量为56.01，远大于空气的相对分子质量，静态时沉于顶管底部。因此，有害气体的消除必须考虑组分、分子质量的差异。因而，顶管内部作业环境控制难度大，控制效果往往不理想，而现行国家或行业规范、标准等(《给排水管道工程施工及验收规范》(GB50268
‑
2008)、《市政工程施工安全检查标准》(CJJ/T 275
‑
2018))中均未提出环境控制要求或有效控制措施。
[0004]目前，行业内顶管作业环境控制的主要方式有：
[0005]1、送风式机械通风，即将风机或空压机置于地面或工作井内，沿顶管管道全程铺设风管或压缩空气，将外部新鲜空气直接送到掌子面附近，该过程中顶管管道全程气流为正压状态。运用该通风方式，有毒有害气体容易在顶管管道中弥散，甚至进入工作井。运用该通风方式，有毒有害气体弥散范围大，且极易产生二次风，在某些区域易形成无风区和涡旋区，不利于管内有毒有害气体的有效排放。同时，新管节吊装期间需加装风管而中止送风，影响连续通风及顶管作业效率。
[0006]2、排风式机械通风，即是将排风口置于前端顶管掘进头及掌子面附近，通过风机将有毒有害气体吸出并排出顶管系统外，该过程中顶管管道全程气流为负压状态，新鲜空气则通过工作井补充进入顶管。该通风方式中，由于排风的汇流作用影响面积较小，有毒有害气体一旦脱离排风汇流作用区则难以有效排出，在无风区或二次风涡旋区造成积聚。
[0007]3、机械送排联合工作式，即首先采用风机或空压机将新鲜空气直接送至顶管前段，然后采用排风机在掌子面附近排风，最终形成机械抽吸循环通风。该通风方式中，需要在狭窄的顶管内铺设2条管道，侵占顶管作业净空面积，干扰施工，同时，管路的连接维护工作量加大。
[0008]上述三种通风方式均属于全面通风，对于有毒有害气体仅产生于掌子面的顶管施工作业，存在大范围逸散甚至逸散入工作井的可能；同时上述三种通风方式下气流组织受控程度差，难以将顶管施工作业中可能产生的成分复杂、子质量的差异巨大的有毒有害气
体均有效排除。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0010]为此，本专利技术提供了一种负压气封诱导式顶管作业环境控制系统。
[0011]本专利技术提供了一种负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，包括：
[0012]紊流送风装置，设置于距掘进头一定距离处，且位于工具管内，其中，所述紊流送风装置形成与掘进头呈一定角度的空气幕的气封结构，气流在空气幕与掘进头之间反弹回旋并形成空气紊流旋涡，以使毒害气体充分搅拌和混掺并形成稳定的上升气流；
[0013]排风装置，所述排风装置设置于工具管内，其中，所述排风装置的第一风口位于掘进头和紊流送风装置之间，以收集并接收毒害气体，第二风口位于地面以上，以将毒害气体排出施工区域。
[0014]本专利技术提出的负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，包括紊流送风装置和排风装置。其中，紊流送风装置用于形成空气幕的起封结构，通过空气幕的气封，将通过前端掘进头侵入工具管的有毒有害气体有效抑制在该区域内，防止有毒有害气体进一步逸散。其中，空气幕的射流角度应按流体力学中等温射流计算射流距离，保证射流可到达工具管底部，且到达工具管底部位置距离掘进头不低于1米，以便于气流反弹回旋(条件允许时可进行空气幕的射流角度及断面平均风速CFD模拟，根据模拟结果精确确定射流角度和断面风速)；同时为保证气封的严密性，各射流角度下的断面平均风速均应不低于0.5m/s。通过射流角度和断面平均风速的控制，保证工具管内形成全空间的空气紊流漩涡，将各种相对分子质量的有毒有害气体进行充分搅拌、掺混，形成稳定的上升气流，降低了有毒有害气体的收集难度。在上述基础上，本技术方案增加排风装置，空气幕形成稳定的上升气流后，由设置于顶部的第一风口接力排除，形成置换效应，提高了有毒有害气体的通风排除效率。同时，空气幕到掘进头的负压高于顶管系统的其他区域，进一步控制有毒有害气体无法外溢，优化了顶管管道全程的作业环境，以此达到负压层级递增、新鲜空气置换补充，毒有害气体按浓度层级控制、通风效率最优化的目的。
[0015]根据本专利技术上述技术方案的负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，还可以具有以下附加技术特征：
[0016]在上述技术方案中，所述排风装置还包括：
[0017]排风机，设置于工具管内；
[0018]第一风管，连通所述排风机，其中，所述第一风管位于工具管内，且所述第一风口为所述第一风管的端口；
[0019]第二风管，连通所述排风机，其中，所述第二风管至少位于顶管内；
[0020]第三风管，连通所述第二风管，且出风口位于地面以上，以构成所述第二风口；
[0021]所述第一风管、第二风管以及第三风管构成毒害气体的排出通路，以使毒害气体由所述空气幕和掘进头之间排出至地面以上区域。
[0022]在本技术方案中，所述第一风管、第二风管以及第三风管构成毒害气体的排出通路，以使毒害气体由所述空气幕和掘进头之间排出至地面以上区域。第一风管为硬质结构，第一风口置于距离掘进头5米内的顶部，且排风机按顶管断面平均风速不低于1m/s设置。第
二风管为柔性结构，一端与排风机连接，另一端与第三风管可拆卸连接，第二风管位于工具管内，因此，空气幕集成设置于工具管内，省却了管路结构，顶入地下后不再需要任何管路的连接等工作；排风机设置于空气幕到掘进头之间，排风机至后背墙之间采用标准化柔制风管管节，即第二风管(可采用布风管)。新管吊入节吊装过程中打开位于工作井中的风管活接头(可采用拉链)，期间排风短暂直排入工作井中，待吊装到位后接入新的标准化柔制风管管节；新管顶入过程中新接入的标准化柔制风管管节逐步撑开，期间不影响系统向室外地面排风，以此达到不影响或中断顶管作业过程，提高了顶管作业效率的目的。
[0023]在上述技术方案中，所述第二风管由若干可拆卸连接的柔性短管构成，随着新吊入管节的增加，所述柔性短管对应增加。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，其特征在于，包括：紊流送风装置，设置于距掘进头一定距离处，且位于工具管内，其中，所述紊流送风装置形成与掘进头呈一定角度的空气幕的气封结构，气流在空气幕与掘进头之间反弹回旋并形成空气紊流旋涡，以使毒害气体充分搅拌和混掺并形成稳定的上升气流；排风装置，所述排风装置设置于工具管内，其中，所述排风装置的第一风口位于掘进头和紊流送风装置之间，以收集并接收毒害气体，第二风口位于地面以上，以将毒害气体排出施工区域。2.根据权利要求1所述的负压气封诱导式顶管作业环境控制系统，其特征在于，所述排风装置还包括：排风机，设置于工具管内；第一风管，连通所述排风机，其中，所述第一风管位于工具管内，且所述第一风口为所述第一风管的端口；第二风管，连通所述排风机，其中，所述第二风管至少位于顶管内；第三风管，连通所述第二风管，且出风口位于地面以上，以构成所述第二风口；所述第一风管、第二风管以及第三风管构成毒害气体的排出通路，以使毒害气体由所述空气幕和掘进头之间排出至地面以上区域。3.根据权利要求2所述的负压气封诱导式顶管作业环境控制系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：周吉日，罗利，高志惠，陈奇，陈艳，李沛林，
申请(专利权)人：中国五冶集团有限公司，
类型：发明
国别省市：