风管变径及风机接力在长大隧道施工通风中的应用

郜运怀，张国祥

（中铁三局集团有限公司桥隧工程分公司，河北 邯郸 056036）

1 工程概况

新建向塘至莆田铁路JX-4B标武夷山隧道地处江西省黎川县及福建省建宁县境内,全长14 659 m。进口位于江西省黎川县西城乡河樟村，出口位于福建省建宁县黄坊乡武调新村。武夷山隧道为双线隧道，设辅助斜井3座，分5个工区、7个作业面施工。坊上斜井位于线路前进方向左侧，与线路相交于DK218+401处，斜井综合坡度9.54%，斜井斜长1 601 m，无轨运输双车道设计，斜井开挖断面面积56 m2，正洞开挖断面面积120 m2。

2 工程特点

向莆铁路JX-4B标段武夷山隧道施工工期紧，关键施工控制线路长，施工组织要求高。坊上斜井承担正洞施工3 841 m（其中向大里程方向施工1 510 m，向小里程方向施工2 331 m），坊上斜井隧道施工通风极限距离为1 601+2331=3 932 m。坊上斜井施工工期压力巨大，这给隧道通风带来更大困难，使得通风情况变得更为复杂。

3 施工通风方案

3.1 通风方案的确定

根据确定的施工方案和工期安排以及施工顺序情况，通风采用长管压入式通风方案，必要时在局部安装吸出式射流风机进行混合通风。在不同的施工阶段可以采用不同的通风设施，但是要长远考虑，尽可能安排一步到位，做到能够以后加装，但尽量不要拆换。

隧道施工通风根据实际情况分为三个阶段：①隧道施工初期，斜井施工阶段；②斜井与正洞已经打通，并通过斜井进行正洞掘进，但各工区施工的正洞还没有贯通阶段；③隧道施工后期，已经有一个方向的正洞开挖贯通阶段。

3.2 风量的计算

隧道内所需风量按照下列几种计算方法进行计算，并取计算结果的最大值作为供风的标准。

3.2.1 按洞内同时工作的最多人数计算

式中：q——每人每分钟呼吸所需空气量q=3 m3／min；

m——同时工作人数，正洞取m=200人；

k——风量备用系数，取k=1.15；

由此得 Q1=qmk=3×200×1.15=690 m3／min。

3.2.2 按稀释内燃设备废气计算工作面风量

式中：Kl——内燃机功率使用有效系数Kl=0.6；

K2——内燃机功率工作系数K2=0.8；

∑N——内燃机功率之和取∑N=3 000 kw；（柳工CLG862装载机4辆，功率180 kW，斯太尔后八轮自卸车10辆，功率300马力=300×0.746=224 kW）

内燃机每千瓦需要风量3 m3／min；由此得Q2=K1K2∑N=4 320 m3／min。

3.2.3 按允许最低平均风速计算

式中：A——隧道开挖断面面积，取A=120 m2；

V——允许最小风速，取V=0.15 m／s；

Q3=60AV=60×120×0.15=1 080 m3／min。

3.2.4 按照爆破后稀释一氧化碳至许可最高浓度计算

采用压入式通风，工作面需要风量：

式中：t——通风时间，取t=30 min；

G——同时爆破炸药用量，按Ⅱ级围岩综合考虑，每循环取280 kg；

A——隧道断面面积，取A=120 m2；

L——掌子面满足下一循环施工的长度，取300 m；

则采用压入式通风时，工作面需要风量：

取上述四种计算中的最大值作为标准通风设计量，即风量取 4 320 m3／min。

根据施工安排，坊上斜井隧道施工通风极限距离为1 601+2 331=3 932 m，再考虑风管漏风系数及管道阻力系数即可计算出需要的风机功率。但是，由于隧道施工中衬砌台车、钢筋台架等设施及其他因素的影响，通风管道可能多次弯曲，经常还会被刮破，风力损耗是一个很大、且很难计算清楚的数据，再往下详细计算已经没有太大的实际意义。下面结合坊上斜井的实际通风情况，来分析一下隧道施工中遇到通风问题，同时，总结一下风管变径及风机接力在长大隧道施工通风中的应用经验。

3.3 现场实际通风情况

首先，坊上斜井通风管直径共采用了3种不同的规格，分别为：Φ1.8 m、Φ1.5 m、Φ1.0 m。由于受到斜井净空断面的限制，坊上斜井通风管直径最大直径只能取到1.8 m。坊上斜井极限通风情况是：在斜井洞口安设两座132×2（kW）的轴流通风机（两道风管分别通向隧道正洞的两个开挖方向），斜井采用两条Φ1.8 m的风筒布布置于斜井洞顶（不通风时风筒布下垂约2.9 m，会影响出渣车辆通行），在距离斜井洞口约1 200 m处，架设两个55 kW的接力风机，继续采用Φ1.8 m风筒布向前送风，约再向前600 m左右，风力会明显不足。此时，再架设55 kW的接力风机，同时风筒布直径变为Φ1.5 m，如此接力下去，风筒布直径一直采用Φ1.5 m，接力两次以后，送风距离大约达到3 000 m，此时总风力已经损耗很大了，为了减少阻力，再向前送风时，风筒布直径需变为Φ1.0 m，这样勉强能坚持到施工结束。

其实，这么长的通风距离，在施工工期要求很紧的情况下，没有充足的排除炮烟及机械尾气的时间，隧道内的空气质量是很难保证的。同时施工情况是复杂多变的，两个掌子面方向通风相互干扰，会出现进口方向的污浊空气压向了出口方向或者出口方向的污浊空气压向了进口方向而没有向斜井方向排除出去，形成了内部的死循环。因此在三岔口处设置挡风幕墙、采用射流风机接上一段风筒布往斜井里反压污浊空气。在不同的施工阶段可以采用不同的通风设施，但是要长远考虑，尽可能安排一步到位，做到能够以后加装，但尽量不要拆换。

长大隧道通风是一个困难而复杂的问题，有时候受到工期和其他条件限制甚至无法做到很好的通风效果，设备、资金投入将会达到一个超乎寻常的数量，再加上用电消耗，长大隧道施工隧道通风方面的投入真的是太大了。

4 改善隧道通风的方法

4.1 全局考虑,总体部署

在前期施工总部署的时候，就要充分考虑施工通风方案，从施工部署方面来优化施工通风方案，为施工通风营造一个良好的环境。拿坊上斜井举例来说，坊上斜井斜长1 601 m，坊上斜井承担正洞施工3 841 m（其中向大里程方向施工1 510 m，向小里程方向施工2 331 m），坊上斜井隧道施工通风极限距离为1 601+2 331=3 932 m。由此，可以明显的看出坊上斜井施工通风压力来自于小里程方向，而且越到后期施工通风压力越大。因此，在施工部署的时候应该考虑把前期开挖施工重心放到正洞大里程方向，使得大里程方向率先贯通，达到自然通风的效果，以此来缓解隧道内通风压力，大大改善隧道内施工环境，为施工重心转移的小里程方向创造有利的条件。但是在实际施工的时候却不是这样的，因为工期压力太大，整条隧道的关键控制部位就在小里程方向，本来按照原设计，是可以按照上面方案施行的，但是由于种种原因，工期一提再提，使得小里程方向工期压力太大，不允许进度放缓，所以从一开始就把工作重心放到了小里程方向，虽然大里程方向也没有放缓，但是两个掌子面施工总是有矛盾的时候，需要施工有重心倾向。到了最后阶段隧道内的通风压力实在太大，洞内的施工环境特别恶劣，严重影响小里程方向的正常施工。没办法最后还是对大里程方向进行了一段时间的突击施工，为了打通掌子面达到自然通风的效果，采用台阶法开挖，只施工上台阶来缓解小里程施工的通风压力。

4.2 优先采用大直径风管

通风管道（风筒布）的直径选择应根据单口掘进最大距离等因素计算出的掌子面送风的需要，尽量在断面允许的情况下优先选择直径大的型号，但也要适当选择，不能选择过大，也要考虑电压、电量的消耗问题及风机口径的匹配等问题。

4.3 通风管应优先采用高强、低阻、阻燃的软质风管

风筒布尽量选择崭新干净的使用，原则上距离洞口越近的部位越要优先使用高强、低阻、质量好的、没有漏洞的风筒布使用，尽量减少后部的风量损耗。

4.4 风筒布置尽量平直

风管挂设应做到平直、无扭曲和褶皱，尽量减少接头数量，保证接头严密，随时检查，发现异常及时更换，以保证施工作业面供风正常。

4.5 风机接力

长大隧道施工通风中，在供风距离过长风力不足时可以采用串联式通风机设置增压风站进行接力，达到增压目的，继续往前送风。同时，通风方式可以采用混合式通风，在局部关键位置安装射流风机辅助向洞外吹污浊空气。另外，有条件时宜采用巷道式通风或者采用高压风包供风。在设置接力风机时，会遇到这样一个问题，增压接力风机开动后会把后方风筒布吸憋，甚至吸扯破碎。这个问题的解决需要设置一个可控的进风口来解决。

4.6 风管变径

长大隧道施工通风中，在供风距离过长、风力不足，并且风机接力后效果也不明显时，可以尝试降低风筒直径，通过降低空气流通接触面积以减少风阻、降低风力损耗来达到提高通风效率的目的。风管变径的位置，一般设置在接力部位，打造出断面缓变的一段钢桶风管来过渡变径，尽量不要风管断面突变，那样会造成很大的风力损失。

4.7 专人管理

要安排专人，配备专用的车辆、设备等进行管理，保证通风系统的正常运行。由专人负责风筒布的往前安装续接、日常检查维修及保养，同时对通风方案进行修正改进，并总结数据出来，以备为日后类似项目提供可靠的参考价值。

5 结束语

长大隧道施工通风机的功率、通风管直径应根据隧道独头掘进的长度、断面大小、通风方式、运输方式不同而适当选择，在隧道施工断面净空允许的前提下应采用大直径风管，同时通风管应优先采用高强、低阻、阻燃的软质风管，风管挂设应做到平、直、无扭曲和褶皱，尽量减少接头数量，保证接头严密，随时检查，发现异常及时更换，以保证施工作业面供风正常，通风方式宜采用压入式或混合式通风，有条件时宜采用巷道式通风和安装射流风机等，当独头供风长度大于2 000 m时宜考虑设增压风站或高压风包供风。

通风问题在隧道施工中是困难而复杂的问题，我们只能通过不断的思考、计算、验证等方法来不断地改善，不断地优化。以武夷山隧道坊上斜井的实际通风情况为基础做了简单的分析，希望为类似的隧道施工通风作参考，为以后的施工组织部署及通风方案设置作参考。

[1]金学易，陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，1983（11）.

[2]马炳学.浅述铁路长大隧道通风技术[J].山西建筑，2008（34）：31.

[3]李耀华，祝立华. 特长隧道通风系统 2005上海国际隧道工程研讨会文集[C].上海：上海市土木工程学会，2005.