成自泸高速公路马鞍山隧道施工通风设计

李辉忠，曾晓勤，张 啸，邱继云

(四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610200)

1 工程背景

马鞍山隧道位于威远县境内，左线隧道最大埋深约173 m，右线隧道最大埋深约170 m，位于成自泸高速公路合同段内。隧道进口～中部～隧道出口的线间距分别为25.3 m～25 m～12.16 m，其中出口右线隧道K116+325～K116+487 与左线ZK116+313～ZK116+489 段互为小净距隧道。隧道内共设车行横通道2个，人行横通道4个，车行横通道位置的隧道异侧设紧急停车带2 处，紧急停车带长40 m，有效长30 m。隧道主要穿越的不良地质为煤层采空区、煤层瓦斯、危岩落石。

2 施工通风方案设计

本隧道较长，隧道装渣、运输、材料进出均采用内燃机械，掘进采用钻爆法，掘进工作面粉尘较多，隧道内空气混浊，且隧道在穿越煤系地层时有可能发生瓦斯事故。为了有足够的新鲜空气，保证施工作业人员的身心健康和加快工程进度，隧道通风方式的选择尤为重要。

2.1 主要设计参数

(1)开挖断面积:S=101.7 m2

(2)一次开挖进尺:2.5 m

(3)隧道内瓦斯最小风速:0.5 m/s

(4)一次爆破用药量:A=200 kg

(5)洞内最多作业人数:80 人

(6)爆破后的通风排烟时间:t=30 min

(7)通风管(筒)直径取:d=1.5 m

(8)空气质量密度:γ=1.2 kg/m3

(9)重力加速度:g=9.8 m/s2

2.2 施工通风方式选择依据

(1)有轨运输施工的隧道宜采用吸出式或混合式通风。

(2)无轨运输施工的隧道宜采用压入式或变换式通风。

(3)有平行导坑施工的隧道宜采用巷道式通风。

(4)自然通风因其影响因素较多、不稳定，且不易控制，对长距离掘进的隧道应避免采用。

管道独头压入式通风是隧道施工中常用的一种通风方式，基本不受施工条件限制，只需按照送风距离长短和需风量大小进行合理匹配通风设备即可。针对隧道污染源的特性以及马鞍山隧道的实际情况，本次施工在隧道进出口分别采用独头压入式通风。

2.3 风量计算

(1)按洞内工作面同时工作的最多人数计算。

式中:q为洞内作业人员每人所需风量，取3 m3/min;n为作业面同时作业的最多人数，取80 人;k为备用系数，取1.5。

(2)瓦斯工区按隧道内最小瓦斯积聚风速计算。

式中:S为隧道的开挖面积，m2;V为隧道内的最小瓦斯积聚风速，瓦斯矿井取0.5 m/s。

马鞍山隧道出口瓦斯工区按照V 级围岩短台阶法开挖法计算，马鞍山隧道进出口按最小瓦斯积聚风速的控制计算面积取为101.7 m2。

(3)按稀释爆破炮烟计算风量。

当风筒出口到工作面的距离为(4～5)槡S时

式中:t为通风时间，取30 min;A为同时爆破炸药量，取200 kg;b为每公斤炸药产生的CO 当量，取40 L/kg;L为排烟安全距离，m;P为风管始末端风量之比，取1.2;C为通风要求达到的CO 浓度，取0.025%。

(4)按绝对瓦斯涌出量计算。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》第7.2.6条规定，按瓦斯绝对涌出量计算风量时，对于瓦斯突出工区，其长度较大的独头坑道，应将开挖工作面风流中的瓦斯浓度稀释到0.5%以下，故:

式中:qCH4为工作面瓦斯绝对涌出量，取最大值为2.782 m3/min;Ki为通风系数，取1.5;CCH4为工作面瓦斯的容许浓度，取0.5%。

(5)无轨运输洞内需风量计算。

无轨运输方式的洞内需风量应对内燃设备排放的尾气进行稀释，其需风量还应考虑稀释尾气的情况。

《公路隧道施工技术规范》规定按照4.5 m3/(kW·min)稀释尾气。作业面区域范围内液压反铲1 台，功率为125 kW;装载机1 台，功率为165 kW;掌子面附近自卸汽车2 台，功率为213 kW。掌子面附近内燃机总功率为716 kW。

式中:H为内燃机械总功，kW;q为内燃机械单位功率供风量，4.5 m3/(min·kW);k为功率系数，取为0.63。

通过上述计算，稀释爆破炮烟所需风量最大，故取Q=3051 m3/min 作为风管的末端风量。

2.4 风压计算

为保证将污浊空气及时排出洞外，并在其出口保持一定的风速和风压，通风机应有足够的风压，以克服管道系统阻力。风筒的风阻由风筒的摩擦风阻和局部风阻以及接头的局部风阻构成。

(1)风筒的摩擦风阻。

式中:α为风筒摩擦系数，取值见有关设计手册;L为风筒长度，m;U为风筒周长，m;S1为风筒横截面积，m2;Q为风筒末端风量，m3/s。

(2)风筒的局部风阻。

式中:ζ为局部阻力系数，取值查有关设计手册;Q为风筒末端风量，m3/s;g为重力加速度，9.8 m/s2;S1为风筒横截面积，m2。

计算时，局部损失较小，可忽略，只计算风筒摩擦风阻便可算得风机的风压。

2.5 风机、风管的选型

通风风机风管(筒)相匹配是隧道通风的关键问题。如果片面追求风机大风量、高效率而风管(筒)直径小、风阻大、漏风严重，则不可能有好的效果。如果风管(筒)直径大、风阻小，风压低，也难以保证有良好的通风效果［2］。

根据隧道实际情况，选用110 kW 的轴流式风机，压入式通风，采用悬挂于隧道两边墙上部的直径为1500 mm 软式风管送风，通风后必须使氧气浓度接近洞口大气的含氧量，二氧化碳浓度不超过0.5%，一氧化碳不超过0.002%，爆破排烟尘时间不超过30 min，出渣工作面照明能见度不小于40 m，风管距掌子面30 m。四个洞口作业面各自采用2 台132 kW 局部扇风机和1 台防爆型射流风机。必须使用抗静电、阻燃软风管。

2.6 通风方案的设计

(1)隧道按低瓦斯设计采用压入式通风，人行横通道和车行横通道风门均关闭。

(2)每个作业面满足洞内最小风速时所需风速64.90 m3/s，根据施工长度按不大于930 m 计算施工通风。

(3)全隧道需局部扇风机12 台，其中4 台备用，每台最大风压不小于2.4 kPa，对应风量不小于2400 m3/min，每端洞口风机总功率528 kW。

(4)在施工作业面20 m 处设SDS－II－NO10.0 防爆型射流风机向洞外吹风。

(5)通风设备均置于洞外距洞口不小于20 m 处，施工中应加强瓦斯等有害气体的监测量工作，并加强施工通风。

(6)瓦斯工区施工通风采用不间断连续通风。

(7)根据本工程的特点，风管选用直径1.5 m 的抗静电阻燃软风管，应保证风管100 m 漏风率不大于1%。

(8)选用设有高、中、低速度档位的风机，根据不同的掘进距离选用不同的档位。

(9)为防止隧道横通道内瓦斯局部积聚，在整个隧道开挖施工完成后才进行横通道开挖施工，以便于横通道单独进行通风处理。

(10)在隧道贯通前做好风流调整的准备，贯通后立即调整通风系统，即将所有风机(隧道内的2 台防爆型射流风机和隧道进口端2 台局部扇风机)向隧道出口方向吹风。

2.7 通风系统管理

合理通风方式的选择固然重要，通风的管理也是重中之重［3］。通风系统应加强管理，专人负责，成立通风小组，负责通风及管路的维修，送风管必须挂设平顺，防止打折和挤压;通风管的更换与修补，减小漏风率，确保工作面的用风量。对于瓦斯工区施工，若瓦斯体积浓度大于0.5%，应采取有效措施加强测试、加强通风，使瓦斯浓度控制在正常范围内。瓦斯浓度在0.5%以下时，每小时检查1 次，0.5%以上时随时检查，检查作业不得离开该工作面。除此之外还需进行以下各项监测［1］。

(1)洞内尘毒测试项目。

爆破后离掌子面不同距离处选点测粉尘浓度、CO 浓度、氮氧化物浓度、喷锚作业时测粉尘浓度和噪声。装运碴时，测洞内粉尘、CO、及氮氧化物浓度。

(2)风筒通风测试项目。

测风筒内静压、动压、风速、风量和风机处噪声。

(3)其它指标测试项目。

洞内外温度，湿度、气压、及含氧量。

3 结束语

隧道施工通风设计直接影响隧道施工安全，决定施工效率和进度。所以，首要解决的是通风设置的合理性和有效性，创造良好的施工环境，让通风系统充分发挥效用，这样才能取得良好的通风效果为施工创造舒适高效的工作环境。

［1］胡天国.长距离小断面隧道独头掘进中的施工通风［J］.铁道建设，2001(9):39－41

［2］唐金仕.长大隧道独头掘进施工通风技术［J］.山西建筑，2009，35(28):331－332

［3］刘生，周飞，李鹏举.特长公路隧道独头掘进施工通风设计与数值模拟分析［J］.探矿工程，2010，37(3):74－77