单斜井双正洞施工通风技术研究

肖元平，杨立新

(1．中铁隧道集团路桥工程处，安徽黄山 245400;2．中铁隧道集团技术中心，河南洛阳 471009)

0 引言

随着国民经济的发展，铁路建设中长大隧道的修建数量日益增多。国内隧道施工中，特别是目前的客运专线隧道［1］，由于仍广泛采用钻爆法开挖，开挖断面大，且施工机械化程度日益提高，爆破后内燃机械作业过程中产生的有害气体造成隧道内的作业环境恶化，越来越成为制约工程进度、影响工程工期及危害洞内作业人员身体健康的关键因素。

对于单斜井进入双正洞无轨运输施工的隧道，通常都有4个作业面在同时施工。由于多作业面同时施工，使洞内投入的机械设备增多，产生了大量CO、NO2和粉尘等［2］，洞内环境污染严重，成为目前隧道施工通风中最大的难题之一。过去，对于斜井进入正洞的通风一贯采用独头压入式通风模式，每个开挖工作面最少需要1台轴流风机和1道通风管路，如果通风距离过长，一个开挖面就可能需要增到2台轴流风机和2道风管。合武铁路大别山隧道2#斜井，为单斜井单正洞［3］，进入正洞以后只有2个工作面，但是因为开挖距离过长，其中一个工作面必须使用2台风机和2道风管才能满足通风需求，所以，仅仅2个工作面，在施工中后期就投入了3台轴流风机和3道通风管路，在3道风管穿过斜井的布置上相当困难，管路维护的工作量也很大，需要投入大量人力物力，如果是4个开挖面同时工作，难度也更大，所需的投入也就更多了。

目前，国内独头压入式通风超过4 000 m，基本上能满足施工要求，在2002年，圆梁山隧道采用平行双洞的射流通风距离超过了8 000 m，而且能够较好地满足施工环境要求。因此，提出大胆设想，将过去一贯应用于平行双洞的射流通风技术引入单斜井进入双正洞的隧道施工通风中，并对此进行研究。

1 单斜井双正洞射流通风技术原理

1．1 射流通风技术原理

射流通风技术是借鉴运营通风中射流通风原理，将射流通风理论引入隧道的施工通风当中。当平行掘进的2条隧道通过横通道连接时就形成了“U”型风道［4］，如图1所示。利用射流风机产生的风压促使“U”型风道内的空气单向流动，在2座平行隧道之间，每隔一段距离用横通道贯通，新鲜风通过射流风机从一座隧道引入，污浊空气通过射流风机从另外一座平行隧道引出，达到通风换气的目的。然后在2个独头掘进的工作面采用轴流风机和软风管压入式通风，压入式轴流风机必须安装在进风隧道内。为避免污风循环，横通道之间必须用挡风墙密封。

图1 射流通风示意图Fig．1 Layout of conventional jet ventilation

1．2 单斜井双正洞射流通风技术原理

目前，在国内，射流通风技术一般应用于平行双洞的巷道式通风模式，因为平行双洞的“U”型风道可以充分满足射流通风换气的条件，在单斜井双正洞使用射流通风技术并无先例，因为单斜井双正洞隧道的整体平面构造，无法形成理想状态下的“U”型风道的2个通风换气口，也就无法利用射流风机的增压形成良好的通风换气条件。采用的原理为局部通风换气法，首先利用小功率大风量轴流风机和大直径软风管，通过斜井对隧道进行送风或者将隧道内污风抽出，同时斜井排出污风或者引入新鲜风。这样，从原理上也吻合了“U”型风道理论，同样形成了2个通风换气口，只是原有的机械增压使空气自然流动的原理变为了机械通风原理。这里，斜井为轴流风机的机械通风，进入正洞后的巷道式通风，称为单斜井双正洞的射流通风技术，由于斜井的通风模式不同，对单斜井双正洞的射流通风技术分为2种进行分析比较。

1．2．1 斜井压入式通风模式

斜井压入式通风模式如图2所示，将小功率大风量轴流风机放在距离斜井口30～40 m的位置，利用大直径软风管对正洞右线进行压入式通风，另外4台功率相对较小的轴流风机放置在右线隧道内，通过软风管对4个开挖工作面进行压入式通风，污风通过横通道进入左线隧道，再通过斜井排出洞外，形成一个自然流动配合机械通风的闭合通风系统。东西两侧轴流风机后面应该放置射流风机，对轴流风机进行增压，防止空气倒流，造成污风循环，在正对斜井的横通道设置风门，以防止污风循环。当隧道开挖进尺延长，可将轴流风机往开挖面方向移动，以

减少隧道独头通风长度，增大风量，节约风管成本和用电成本，轴流风机后面的横通道应该及时封闭。

图2 斜井压入式通风模式Fig．2 Sketch of forced ventilation through inclined shaft

1．2．2 斜井抽出式通风模式

斜井抽出式通风模式如图3所示，将小功率大风量轴流风机放在隧道右线内，将隧道内污风抽出，新风从斜井进入隧道左线，压入式轴流风机放置在隧道左线，对隧道4个开挖工作面进行独头压入式送风，小功率大风量轴流风机将污风抽出洞外，形成一个自然流动配合机械通风的闭合通风系统。其他和斜井压入式通风模式一样。

图3 斜井抽出式通风模式Fig．3 Sketch of exhaust ventilation through inclined shaft

1．2．3 2 种模式对比

图3的斜井抽出式通风模式，仅适合斜井有轨运输模式，因为新鲜风从斜井进入，如果是无轨运输，那么内燃机尾气必然对斜井内空气造成污染，进而对4个开挖面的新风均造成污染。包家山隧道为斜井有轨提升运输模式，可使用本文研究的单斜井双正洞射流通风模式。但缺点如下:1)应用范围相对斜井压入式通风模式要窄;2)因小功率大风量轴流风机放置在洞内，如果风机消音设备稍差，容易造成噪音污染，而且随着使用时间增长，隧道内粉尘会将风机消音器上的网孔堵塞，将进一步降低消音效果;3)对斜井内通风管路的维护要求更高。但是其优势也比较明显，新鲜风从斜井进入，可保持整个斜井的空气状态良好，保证了斜井通风环境。

图2的斜井压入式通风模式，其优缺点跟斜井抽出式通风模式相反，优点如下:1)其应用范围更广，不但适合斜井有轨运输模式，也适合斜井无轨运输;2)因为风机放置在洞外，不会对隧道造成太大的噪音污染。缺点为斜井污染较重，因为4个开挖面爆破的炮烟、隧道内燃机产生的废气等污染物，均需要从斜井排出洞外，斜井为唯一污风排出通道。

2 风机风管配套选型

2．1 风机选型计算

风机和风管的配套选型主要分2部分，第1部分为斜井的进出风，即斜井供风的设备配套，为小功率大风量轴流风机和大直径软风管配套;第2部分为开挖面的送风，即局扇供风设备配套。配置原则为风量平衡原理［5］，即小功率大风量轴流风机配套的大直径软风管的风管出口风量Q01必须等于或者大于给开挖面送风的风机供风量(即局扇的风机出口风量Qf2)，即

2．2 风机风管配套选型原理

因射流风机选型需考虑隧道各项阻力，具有较多的前人经验可借鉴，这里不再赘述。下面重点介绍轴流风机和风管的配套选型，采用反推法，暂时不考虑隧道开挖面需风量。首先，选定市场流通的部分风机，按照每种风机固定的性能参数，得出风机性能曲线;然后，根据风阻因数，得出某种直径风管在特定长度下的风阻曲线图，2条曲线交点，即为特定的风机，再配置固定直径和长度风管前提下的风机出口风量和风压［6］;最后，根据漏风量计算公式，求出风管出口风量。式(2)和式(3)分别为风阻因数［7］和漏风量［8］计算式。

式中:p为风管沿程阻力，Pa;λ为风管摩阻因数，0．02;ρ为空气密度，kg/m3;d为风管直径，m;β为风管平均百米漏风率，0．02;L为管路长度，m;Qf为风机出口风量，m3/min;Q0为风管出口风量，m3/min。

根据计算结果，针对各个工地的需风量，选择合适的施工通风配套方案，供施工现场借鉴。

2．3 风机风管配套选型计算

2．3．1 小功率大风量风机与大直径风管匹配

在单斜井双正洞射流通风技术研究中，因为小功率大风量轴流风机是给斜井供风，大部分斜井都较短，几百m的斜井很多，超过3 000 m的斜井算是超长斜井了，在使用大直径软风管时，所需克服的风管阻力非常小，需要风机的风压也很低;根据风机功率原理，风机的功率和风量以及风压均有直接正比关系，在保证尽量大风量的前提下，要使风机功率减小，只能尽可能地减小风机风压。

以浙江上风的DTF(R)系列轴流风机为例进行配套计算，曲线选择风机工况点最高80%效率时候的叶片角度配置，角度为25°时的风机特性曲线，通风长度分别按照斜井长度600，1 000，1 500，3 000 m考虑。

根据式(2)可得出，当L为600，1 000 m时，直径2．8 m风管的风阻因数分别为0．06和0．09，根据风阻因数，即可得出风管特性曲线。

图4为根据DTF(R)-28-14轴流风机的特性曲线和风阻因数得出的风机风管特性曲线，从图4中可求出风机供风量和工况点风压。

图4 DTF(R)-28-14型轴流风机与2．8 m风管特性曲线图Fig．4 Performance of DTF(R)-28-14 axial fan and 2．8m-diameter ventilation duct

1)当送风距离L=600 m时，风机出口风量为7 920 m3/min;风压为1060Pa，风管出口风量为7016m3/min。

2)当送风距离L=1 000 m时，风机出口风量为6 100 m3/min;风压为1 160 Pa，风管出口风量为4 984 m3/min。

因为计算原理相同，计算过程繁杂，下面的配套计算不再赘述，配套结果见表1。

从表1可以得出斜井供风量，也就是风管出口风量的数值结果，其主要影响因素为风管长度、风机型号和风管直径，其中风管长度取决于斜井长度，匹配时可根据斜井长度以及隧道需风量选择合适的风机以及风管。

2．3．2 向开挖面送风的轴流风机与风管匹配

选择往开挖面送风的轴流风机与风管直径主要取决于隧道开挖面的需风量和送风长度，这里匹配的时候暂不考虑开挖面需风量，首先选择几种型号的轴流风机与几种直径软风管，计算出在通风距离分别为1 000，2 000，3 000 m时的风量，最后再根据开挖面需风量的要求，选择适合本工程的风机风管匹配。其匹配计算原理同上，计算过程也不再赘述，匹配结果如表2所示。开挖面同时工作的轴流风机的需风量即为隧道需风量里考虑隧道内有3台风机同时 满负荷运行，即Qf2等于3倍的风机出口风量。

表1 小功率大风量轴流风机与大直径风管匹配计算结果Table 1 Calculation results of matching between small-power large-air-volume axial fan and large-diameter ventilation duct

表2 向开挖面送风的轴流风机与风管匹配计算结果Table 2 Calculation results of matching between axial fan and ventilation duct used to supply air to excavation face

2．3．3 单斜井双正洞射流通风技术设备配套

按照隧道需风量的不同，可从表2中选择适合本工程的往开挖面送风的轴流风机和风管配套，并且每种配套均对应一个隧道需风量数值，从表1中选择合 适的小功率大风量轴流风机与大直径风管匹配。表3为部分配套方案，可供不同隧道的通风设计方案参考。

表3 单斜井双正洞射流通风技术设备配套表Table 3 Parameters of jet ventilation for twin-tube tunnel accessed from one single inclined shaft

3 单斜井双正洞射流通风技术在包家山隧道3#斜井的应用

3．1 施工通风方式的确定

包家山隧道3#斜井工区［9］由于只有1个斜井，4个作业面的新风和污风均由该斜井进出，且由于正洞采用无轨运输，需风量很大，按照常规方法通常采用压入式通风，斜井需要布置4趟管路，对斜井断面要求很高，难度很大，而且不经济。根据现场情况，采用了单斜井双正洞射流技术，如图5所示。小功率大风量轴流风机(因为考虑尽量利用现场已有的通风设备，用2台220 kW轴流风机替代)放在隧道右线内，将隧道内污风排出，新风从斜井进入隧道左线，压入式轴流风机放置在隧道左线，对隧道4个开挖工作面进行独头压入式送风，污风再从右线隧道的2台220 kW轴流风机抽出洞外，形成一个自然流动配合机械通风的闭合通风系统。东西两侧轴流风机后面应该放置55 kW射流风机，对轴流风机进行增压，防止空气倒流，造成污风循环，在正对斜井的横通道设置风门，以防止污风循环。当隧道开挖进尺延长，可将轴流风机往开挖面方向移动，以减少隧道独头通风长度，增大风量，节约风管成本和用电成本，轴流风机后面的横通道应该及时封闭。

图5 包家山隧道3#斜井工区施工通风方式示意图Fig．5 Sketch of ventilation for No．3 inclined shaft lot of Baojiashan tunnel

3．2 应用后通风效果测试

CO和NO2浓度测点距掌子面30 m，因为大里程方向很早就开挖至分界里程位置，所以分别在左线小里程和右线小里程方向进行测试，这里列出左线小里程的测试结果。

测试时通风距离为780m，左线掌子面风量为1 206m3/min，右线掌子面风量为1 126m3/min，爆破后30 min，距离掌子面30 m处CO浓度降至设计标准以内。表4为左线小里程方向开挖爆破后15min开始测试，CO和NO2浓度以及风速变化值，从数据可以看出，掌子面风速和风量均满足施工要求，放炮后60 min，CO浓度降至国家标准(30 mg/m3)，在整个出碴过程中CO浓度值一直为20～30 mg/m3，NO2浓度也远远低于国家标准(5 mg/m3)。

图6为左线小里程方向的CO浓度曲线变化图，从图中可以看出，在爆破后30 min以内，CO浓度值基本成直线下降，在30 min以后，CO浓度值才趋于平缓，说明当时排烟效果良好，进一步说明了单斜井双正洞射流通风技术这种新型的施工通风模式能够满足现场施工通风的要求，可供类似隧道施工通风参考借鉴。

表4 左线小里程方向爆破15 min后空气测试数据Table 4 Measured ventilation results in left tunnel tube 15 minutes after blasting

图6 左线小里程方向CO浓度曲线变化图Fig．6 Curve of variation of content of CO in left tunnel tube

4 结论与讨论

采用单斜井双正洞这种新型的通风模式，既能成功地解决由斜井进入正洞多作业面同时施工的通风难题，又可以保证隧道良好的施工作业环境，具有较大的理论价值和实践价值;风机和风管的配套选型列表，可供类似隧道的施工通风参考借鉴。目前，在国内暂无此类型通风方式的研究先例，要真正将单斜井双正洞射流通风方式推广并应用，还需通过更多工程进行验证。

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