隧道长距离独头施工通风设备选型探讨

孙振川 ，苟红松

(1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000；2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

SUN Zhenchuan1,GOU Hongsong2

(1.China Railway Tunnel Stock Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China; 2.Technology Center,China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China)

隧道长距离独头施工通风设备选型探讨

孙振川1，苟红松2

(1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000；2.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

良好的施工通风是长大隧道工程安全施工的前提，也是施工进度和工程质量的保障。以长大隧道独头施工通风方案节能环保理念为基点，通过对通风管的性能参数分析，得出施工通风风管选型对通风能耗及风机选型的影响，进而揭示出施工通风设备选型及运行过程中的经济成本问题。分析结论表明:1)选择优质的通风管，避免对国外风机的盲目推崇，是当前施工通风中应值得重视的问题；2)与国内大型风机、风管生产企业联合，生产优质的国产隧道施工通风专用设备，使隧道施工综合技术、经济指标更为合理，是实现节能、环保的有效途径。

长大隧道；施工通风；设备选型；通风管；通风机

0 引言

随着国民经济的快速发展和地下工程修建技术的不断进步，我国公路、铁路、水利水电等行业修建的长大隧道(洞)越来越多，尤其是水利水电行业。采用掘进机技术修建跨流域调水长大隧洞工程，在我国大江南北均有体现，如已建成的山西万家寨引黄工程、辽宁大伙房输水工程、新疆八十一大坂引水工程等，正在建设的引大济湟调水工程、引红济石调水工程、锦屏二级电站引水隧洞工程、引汉济渭工程等，即将建设的南水北调西线工程、辽西北供水工程等。这些隧洞工程的主要特点是独头掘进距离长。为解决长距离独头施工通风问题，业内的技术人员在施工中作了大量的科技攻关:苟红松等[1]对高海拔地区长大隧道的通风要求和风机选型进行了研究；罗占夫等[2]针对如何实现南水北调工程独头掘进14 km的通风方案进行了研究；王延民等[3]、吴沛[4]总结了在钻爆法施工工况下长大隧道的施工通风技术；张建等[5]对TBM施工中的通风和散热问题进行了研究。通过对施工通风技术的不断研究，与隧道掘进技术相配套的施工通风技术越来越成熟。与此同时，进一步从设备配置、经济分析方面研究通风方案，实现隧道通风更为经济合理、优质高效的目的，并推进技术进步具有重大意义。

隧道独头施工通风的主要设备是通风机和通风管。另外，目前变频调节系统在隧道施工通风中的应用非常广泛，变频器也成为施工通风的主要设备之一。隧道独头施工通风大多采用压入式通风，通风机提供通风动力，通风管则是风流通道。笔者通过对通风管的性能参数分析，得出施工通风风管选型对通风能耗及风机选型的影响，进而揭示出施工通风设备选型中的经济成本问题。

1 通风管性能分析

通风管是隧道行业的叫法，采矿行业一般称为风筒。隧道施工通风中常用的风管有软风管、硬风管和伸缩性风管，其中应用最为广泛的是拉链式软风管。通风管的性能指标主要包括百米漏风率、百米风阻、摩擦阻力因数、耐压性能和直径变化率[6]。大部分指标对风机的供风量和工作风压有着直接影响，开挖工作面风管出口风量是风机与风管匹配性能的直接表现。

其中，百米漏风率是评价风管出厂质量、安装和维护质量的主要标准，也是风机选型的主要参数之一。评价和计算通风管路漏风的主要理论有平均百米漏风率理论、高木英夫理论、青函隧道理论、沃洛宁理论及末段百米漏风率理论。国内采矿行业一般采用沃洛宁计算公式，而隧道行业则一般采用青函隧道公式，见式(1)。

Q0=Qf(1-β)L/100。

(1)

式中：Q0为管路末端风量，m3/s；Qf为风机供风量，m3/s；β为百米漏风率平均值；L为管路长度，m。

同一台风机匹配不同的风管向开挖工作面送风，由于风管性能参数的不同，风管出口风量差别各异。图1为不同漏风率情况下的风量对比。由图1可知：1)风管百米漏风率越大则风机供风量越大，但掌子面风管出口风量却反而越小；2)当送风距离达3 000 m时，不同漏风率风管出口风量差值达335 m3/min。

GB/T 18372—2008《玻璃纤维导风筒基布》对以连续玻璃纤维纱为原料的导风筒基布进行了规定，GB/T 9900—2008《橡胶或塑料涂覆织物导风筒》[7]对橡胶或塑料涂覆织物导风筒的分类、结构、技术要求、试验方法、检验规则等进行了规定，其中规定正压导风筒的百米漏风率不大于4%，负压导风筒的百米漏风率不大于5%，该项规定对于煤矿掘进巷道是可以满足其局部通风需要的，但是4%的百米漏风率是很难满足隧道长距离施工通风需要的。百米风阻和百米漏风率的测定按照GB/T 15335—2006《风筒漏风率和风阻的测定方法》进行，而耐压性能和直径变化率的测定可参照HG/T 2580—2008《橡胶或塑料涂覆织物拉伸长度和拉断伸长率的测定》方法。

Qf为风机供风量，m3/min；Q0为管路末端风量，m3/min。

图1不同漏风率情况下的风量对比

Fig.1 Air volume under different air leakage rates

当现场通风管理良好时，隧道通风管的百米风阻值及百米漏风率与风管的管材、接头方式、加工工艺、节长等关系很大，市场上软风管的百米漏风率差别很大。目前最好的10 m节长拉链软风管的百米漏风率通常在1%以下，随着节长的增加，最小漏风率已达到0.05%。

(2)

式中：λ为摩阻损失系数；ρ为空气密度，kg/m3；d为风管直径，m；L为通送风距离,m。

管路局部风阻

(3)

式中：ξi为局部阻力系数；li为局部阻力产生处距离风机出口的风管长度，m。

由式(2)和式(3)可得到通风管百米风阻

R100=100(Rf+Rl)/L。

(4)

风管段消耗的功率

N=HQ/1 000=RQ3/1 000。

(5)

由式(2),(3),(4),(5)可以看出，对风管段所消耗的功率影响较大的因素为通风距离L、漏风率β及风管直径，其中风管直径影响最大。目前国内钻爆法施工独头通风最长送风距离约为5.5 km，设某隧道施工工区平均掘进率为5 m/d，风管最长送风距离为6 km，掘进工作面需风量为1 600 m3/min，配备变频系统对风机转速进行调节，以保证掘进工作面风量满足需风要求而又不存在浪费，对比不同风管直径及不同漏风率下的管路功率，计算结果如表1及图2所示。由计算结果可以看出：1)管径相同时，随着风管漏风率的增加管路功率呈增大趋势，并随着通风距离的增加，功率增大倍数逐渐增大；2)管径对管路功率的影响最大，管路漏风率一致时，管径差距对管路功率的影响非常明显；3)随着通风距离的增加，大管径高漏风率的管路功率在达到一定通风距离后可能会大于小管径低漏风率管路的功率，如d=1.8 m，β=1.5%的管路5 000 m通风距离以内时其管路功率小于d=1.6 m，β=0.5%的管路功率，但当通风距离达到6 000 m时，其管路功率却又大于后者。

表1 不同风管直径及不同漏风率下的功率对比Table 1 Power under different ventilation duct diameters and different air leakage rates kW

图2 不同风管直径及不同漏风率下的功率对比Fig.2 Power under different ventilation duct diameters and different air leakage rates

2 施工通风中的风管选购分析

施工通风中风管的选择应遵循以下原则：1)风管直径能满足最长送风距离时，风机风量能满足作业面的需风要求；2)尽可能选择直径较大的风管；3)风管百米漏风率和摩擦因数较小的风管；4)易于运输、安装及维护，且结实耐用；5)瓦斯隧道应选择双抗风管。目前，国内风管一般按1%～1.5%的漏风率进行选型计算，国外风管一般按0.5%的漏风率进行选型计算[8-9]。根据现场通风情况来看，都未达到设计要求，但总体来说，国内风管的漏风程度要大于国外风管漏风情况。然而，可以肯定的是：并不是国内的制造及工艺水平达不到，而是大多数施工单位在选择通风管时过度地追求低价产品，忽略了产品质量[10]。这和以往隧道施工独头送风长度是有很大关系的，因为以往大部分施工隧道独头送风长度并不长，通风难度也不是特别大，采用廉价低质的通风管就可以完成施工，风管生产厂家也大多按照此标准进行生产。随着设计的隧道施工独头送风长度的增大，施工方才发现，国内居然很难找到质量优良的通风管，不得不采购国外的高价风管，这也是目前很多施工方选购国外风管的原因所在。但笔者认为，只要有高质量风管的市场需求，国内的高质量风管迟早会涌现出来，如国内现在开始推广的防爆风筒虽然价格昂贵，但是具有非常好的抗冲击和耐炮崩性能。

当前，施工通风应如何选择通风管才能取得较好的经济效益呢？从表1的计算结果来看，大直径、低漏风率的优质风管是首选。但是，风管的价格会随着其管径的增大而增加，而且挂设风管的巷道的高度也是选择风管的控制性边界条件。以国内外相同管径的风管为例，对选择不同厂家风管情况下的施工通风成本进行分析。选择了6个国内厂家，2个国外厂家的报价进行对比，选择其中具有代表性的2个国内厂家和1个国外厂家的报价作为计算参数。不同厂家风管报价见表2，施工通风成本分析见图3。由图3可以看出，选择优质的通风管虽然前期投入较大，但是可以明显地减少后期电费支出，可见选择优质的通风管是控制施工通风成本的有效措施。

表2不同厂家d=1.6 m风管报价
Table 2 Prices of 1.6 m diameter ventilation ducts manufactured by different companies

厂家单价(含税及运费)/元漏风率/%国内厂家A51．31．5国内厂家B127．51．0国外厂家C166．60．5

图3 选择不同厂家风管后的施工通风成本分析Fig.3 Cost of ventilation during tunneling with ventilation ducts manufactured by different companies

3 通风机设备选型

施工通风中风机的选择应遵循以下原则：1)风机应能满足最大送风距离的供风需要；2)风机工况点应在合理的工作范围内并尽可能靠近最高效率点；3)尽量选择低噪、高效节能风机；4)瓦斯隧道应选择防爆型风机。通风机的选择与风管的选择密切相关，一般在风管选定以后，在风量与管路阻力计算结果的基础上即可进行。具体步骤如下：1)根据工作面需风量、风管的漏风率和摩擦因数以及最大送风距离，计算出需要的风机出口风量和风压；2)根据所需要的风机供风量和风压，计算出需要的风机的有效功率；3)根据所需要的风机供风量和风压确定备选的风机；4)根据备选风机的特性曲线和风管的特性曲线，确定工况点，确保风机工况点的风量和风压大于1)中所计算的风机出口风量及风压。

4 通风管性能对通风机设备选型的影响

长大隧道独头施工通风一般选用风机与电机一体式的通风机，故在风量与管路阻力计算结果的基础上即可进行。由表1及图2可以看出，在安装与维护技术水平同条件下，风管的出厂质量不同，最终选择的风机功率差距非常大，对于长大隧道施工通风尤为明显。如表1中1.6 m风管，当通风距离为6 km时，漏风率为0.5%的管路选择的风机功率为289.8 kW，漏风率为1.5%的管路选择的风机功率为598.0 kW，前者仅为后者的一半。通常，施工单位在采购国外风机的同时也选择了国外的通风管，最后发现采用相同配置的风机风管进行施工通风时，通风效果好于国内风机风管，所以，当前很多施工人员认为国外风机普遍比国内风机好。这就是因为很多工程技术人员以隧道内通风效果来评价通风机的优劣。而实际上，国内通风管的质量较差才是当前很多施工隧道通风效果不好的主要因素；其次，用国内小厂家的产品与国外大品牌对比，有的施工项目选用的通风机，厂家连风机性能曲线都不能提供，这样的风机肯定是不能代表国内的风机制造水平的，应该以同样的价格采购国内知名大品牌的风机与国外风机进行对比；再次，认为国内风机性能不好是因为国内风机大多采用对旋风机的原因，而对旋风机与非对旋风机相比，本身就是一个进步，目前世界上很多风机厂家生产的风机都是对旋的。

图4与图5为某隧道进行风机采购不同厂家的报价对比。由图可以看出，国外风机的价格为国内风机价格的2.5～4倍。针对于某隧道国内报价的风机总功率约为国外风机的2倍以上，国外风机的总报价比国内风机的最低总报价高45%，比国内风机的最高总报价低9.02%。显然，这主要是由于风管质量的差距造成的，如果采用国外的风管，选择国内的风机，则采购风机的费用可以减少为原来的50%左右。

图4 国内外风机单价对比Fig.4 Prices of ventilation fans manufactured by foreign com-panies and those manufactured by domestic companies

图5 某隧道不同厂家报价及功率单价对比Fig.5 Cost and unit price of a tunneling ventilation project proposed by different companies

国内生产隧道通风机的厂家并不多，多数为中小厂家，大型风机企业基本上未涉足隧道通风机生产，而国外隧道通风机的采购价格又过于昂贵，针对于此，国内大型施工企业可以与大型风机厂家签订科研和长期购销合同，如此不仅利于节约项目成本，也有利于新型高效环保型风机的研发使用，从而提升隧道施工的节能环保水平。

5 结论与讨论

长大隧道施工中长距离独头通风设备选择应综合整个工程施工期全寿命进行技术和经济比选。对于风管的选择，应尽可能地选择大管径、低漏风率的风管，风管的选择是控制通风成本的关键。选择优质的通风管，避免对国外风机的盲目依赖，是当前施工通风中应值得重视的问题。

另外，根据当前国内风机及风管生产情况来看，承担国家重点项目的大型施工企业应该加强与风机及风管生产商的交流，让国内相关行业的高新技术参与到隧道建设中来，摆脱对国外产品的依赖，才能真正达到节能、环保的目标。

[1]苟红松，李永生，罗占夫.高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型研究[J].隧道建设，2012,32(1)：53-56.(GOU Hongsong,LI Yongsheng,LUO Zhanfu.Study on air volume calculation and fan selection for tunneling ventilation in plateau area[J].Tunnel Construction,2012,32(1):53-56.(in Chinese))

[2]罗占夫，肖元平.南水北调西线隧洞独头通风14 km方案研究[J].隧道建设,2011,31(S1):354-357.(LUO Zhanfu,XIAO Yuanping.Case study on ventilation for 14 km-long single-direction tunneling on west route of South-to-North water transfer project[J].Tunnel Construction,2011,31(S1):354-357.(in Chinese))

[3]王延民,肖元平.长大隧道独头通风技术[J].隧道建设，2007，27(S2):429-432.(WANG Yanmin,XIAO Yuanping.Single-direction ventilation technology in construction of long tunnels[J].Tunnel Construction,2007，27(S2):429-432.(in Chinese))

[4]吴沛.合武铁路红石岩特长隧道施工独头通风技术研究[J].科技信息，2012(5):466-467，505.

[5]张建，张姣.TBM施工中通风和散热问题的研究[J].铁道建筑，2006(2):40-43.

[6]杨立新，洪开荣，刘招伟，等.现代隧道施工通风技术[M].北京：人民交通出版社，2012：135-137.

[7]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 9900—2008橡胶或塑料涂覆织物导风筒[S].1版.北京：中国标准出版社，2008.

[8]张建.TBM施工中的通风和散热问题研究[D].武汉：武汉大学水工结构工程学院，2004.

[9]陈红超.长距离引水隧洞TBM施工通风数值模拟[D].天津：天津大学环境工程学院，2007.

[10]朱齐平，刘进志，赖涤全.特长隧洞TBM施工通风系统设计[J].现代隧道技术，2007，44(3):50-53.(ZHU Qiping,LIU Jinzhi,LAI Diquan.Ventilation system design for TBM bored super long tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2007，44(3):50-53.(in Chinese))

敦格铁路隧道水压爆破试验取得成效

2014年4月23日，敦格铁路塞什腾隧道出口开挖班顺利完成隧道掘进水压爆破法试验，并在排烟降尘、施工效率和施工成本等方面取得初步成效。

隧道掘进水压爆破是在装药过程中，在炮眼中一定位置注入一定量经过专用设备加工而成的“水袋”，在炮眼口部利用炮泥堵塞。采取该方法，能够缩短通风时间、降低成本消耗和保护作业人员身体健康。敦格铁路隧道架子队水压爆破法较常规爆破方式取得了初步成效。一是排烟降尘时间缩短，施工效率提高。试验中，炮响8 min后洞内基本没有烟尘，较平常排烟降尘时间缩短约20 min，每循环提高进尺30 cm。二是炸药利用率高，爆破效果好，经济效益提高。采用水压爆破法，每循环节约炸药约14.2 kg(合10%)，且炮砟集中，每延米可节省施工成本250元左右。三是粉尘浓度降低，改善了作业环境，保障了作业人员身体健康。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=ef0bd1ed-438b-455e-aa3a-3cb7ea0207f3&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-04-25)

CommentsonEquipmentSelectionforVentilationduringLong-distanceDead-endTunneling

Good ventilation is the pre-requisite for the safe construction of long tunnels and is also the guarantee measures for good construction progress and good works quality.In the paper,the performance parameters of ventilation ducts are analyzed,the influence of ventilation ducts on the ventilation energy consumption and ventilation fan selection is obtained,and the cost efficiency of the ventilation equipment and ventilation operation is analyzed,so as to achieve energy-saving and environment-friendly ventilation for long-distance dead-end tunneling.Conclusions drawn are as follows:1) Instead of ventilation fans made by foreign companies,high-quality ventilation ducts should be used; 2) The tunneling contractors should unite large-scale domestic ventilation fan manufacturers and ventilation duct manufacturer to manufacture high-quality ventilation equipment,so as to achieve energy-saving and environment-friendly tunneling ventilation.

long tunnel; ventilation during tunneling; equipment selection; ventilation duct; ventilation fan

2013-04-18;

2014-02-20

孙振川 (1972—),男,陕西韩城人,1995 年毕业于阜新矿业学院，采矿工程专业,硕士,教授级高级工程师,主要从事隧道及地下工程技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.003

U 45

A

1672-741X(2014)05-0408-05

SUN Zhenchuan1,GOU Hongsong2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China; 2.TechnologyCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)