长距离小断面隧洞混合式通风技术

黄斌

内容提要：引红济石引水隧洞工程地处秦岭山脉，海拔1600m。Ⅱ标段引水隧洞主洞长2560m，支洞长660m，为单口掘进，开挖断面尺寸3.6m×3.7m（宽×高），属于典型的长距离、小断面隧洞施工。本着安全第一的原则，文中详细介绍了小长距离、小断面隧洞施工混合式通风设计标准、设计原则、风量风压计算、风机风管选配、通风防漏等主要措施、辅助通风降尘措施方案。

关键词：长距离、小断面、隧洞、混合式通风

1、工程概况

引红济石引水工程地处秦岭山脉海拔1600m，位于陕西省宝鸡市太白县境内。具有高寒和高原施工等特点。由我单位负责承建的Ⅱ标段引水隧洞主洞全长2.56km（K3+000～K5+560），施工仅一个作业面属单口掘进，原2#施工支洞交主洞于K3+120，受突泥事件影响，施工支洞进行改线利用已完工的2#施工支洞前400m，往主洞下游方向新开支洞长200m左右，交主洞于K3+230处。新开支洞与原支洞、主洞轴线夹角均为30°。

工程采用自卸农用三轮车无轨出渣，原通风方案按压入式通风理论进行施工通风，但随主洞施工里程的延长以及洞内地下水丰富造成的凝雾作用的影响，洞内空气混浊，原通风方案已不能满足目前的施工通风要求。

2、通风设计标准

隧洞施工过程中，由于钻眼、爆破、装碴、喷射混凝土、无轨运输所产生的粉尘、毒气以及开挖时地层释放出的有害气体等因素，使得隧洞施工坑道里空气污浊，严重影响人体的健康。因此，必须向洞内及时供给新鲜空气，排除有害气体，降低粉尘浓度，使隧洞内施工作业段的空气必须符合下列卫生标准：

⑴、洞内氧气含量按体积计不低于20%；

⑵、有害气体浓度。一氧化碳（CO）含量正常情况下维持在100mg/m3以下，特殊情况下施工人员进入工作面时可为200mg/m3，但工作时间不得超过1h；二氧化碳（CO2）按照体积计不得大于0.5%；氮氧化合物（换算成NO2）质量浓度不得超过5mg/m3；

⑶、粉尘浓度。含10%以上游离二氧化硅（SiO2）的粉尘，每1m3空气中不得大于2mg；含游离二氧化硅在10%以下时，每m3空气中不得大于10mg，含10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘，每m3空气中不得大于6mg；

⑷、每人每1min供应新鲜空气不应少于3m3，柴油设备1KW/min需要新鲜空气不小于3m3。

3、通风设计原则

⑴、采用混合式通风理论设计，进行通风系统设计比选优化，满足局部通风效果；

⑵、本着经济适用、维修方便原则，尽量选用国产的先进通风设备，并尽量利用现有设备进行通风方案的调整；

⑶、在净空允许的条件下，尽可能采用大直径风管，减少风损；

⑷、通过适当增加一次性投入，减少通风系统的长期运行成本；

⑸、充分考虑海拔高高寒地区气候气压低对通风系统的影响。

4、施工供风计算

4.1、参数设定

⑴供给每人都新鲜空气量按3m3/min，洞内有最多作业人员时按45人计；

⑵开挖一次进尺不超过2m，炸药单位耗药量1.5kg/m3，单循环最大用药量42kg；

⑶响炮后通风排烟时间按30min计算；

⑷三轮自卸车柴油机功率为17KW，按出渣过程中主洞内同时最多有5台车计算；

⑸主洞内摩擦阻力系数取0.02；

⑹洞内采用直径Φ80的软质风筒，风筒节长10m，其百米漏风率为0.01，风筒内摩擦阻力系数取0.0078；

⑺洞内回流风速按0.15m/s计算；

⑻主洞内为恒温，维持在12℃；

⑼海拔修整系数k为1.2；

⑽主洞最大开挖断面积13.8m2，取14m2。

4.2、供风风量计算

风量计算从以下四个方面予以考虑，即按洞内同时工作的最多人员需要的新鲜空气计算风量Q1；按能够在规定时间内把洞内单循环爆破用药最多时产生的烟尘稀释到允许浓度的风量计算Q2；按洞内允许最小风速计算风量Q3；按稀释内燃机废气计算风量Q4。

4.3、风压计算

导风装置可根据制造材料的不同，分成由帆布、人造革、塑料及胶皮等做成的柔性风筒和由铁皮、铝板等做成的金属风管。根据本工程的特点，决定选用帆布风筒，它具有重量轻，连接、悬吊方便等特点。

⑵风筒漏风系数Φ

在风筒的接头、软风筒的缝合针眼以及设置的风门、风墙等处，都存在漏风现象。如果对漏风估计不足，或选择的风机容量不当，或防止漏风的措施不力而造成风量大量流失，可能导致作业区得不到足够的新鲜空气而使环境恶化，从而影响施工的进度。风筒的漏风量大小与风筒种类、规格尺寸、接头方法、接头质量、以及风压等因素有关，而更重要的是与风筒的维护及管理有密切的关系，柔性风筒不仅接头漏风，在风筒全长上都有漏風，而漏风量随风筒内风压的增大而增大，其漏风系数可以用下式近似计算：

结论：根据以上计算结果，向主洞供风的风机风压≥979.4Pa，就能满足施工需要。目前我部已购置使用的山西省侯马市鑫丰康风机有限公司生产的SDF（A）—No8.0型风机能够满足主洞内供风需要。SDF（A）—No8.0型风机主要技术参数为：风量652～1024m3，风压2412～8178 Pa，高效风量738 m3，最大配用电机功率45×2KW。

5、送风系统

混合式通风的排风机和送风机的风量关系是：排风机工作风量要大于送风机工作风量的30 % ，在通风设计中可用选择风机，配置风管管径，调整送风长度与排风长度的方法来满足这一要求。根据现场实际，送风机我部采用陕西眉县中大风机公司生产的YFh160M1-2型轴流局部通风机，其技术参数为：风量230～420m3/min，风压75～4750Pa，功率15×2KW，能完全满足要求。

根据上述计算结果，抽风机宜至于距掌子面为L掷+ L吸=49m，由于主洞断面较小，受施工机械及防止爆破时岩块的抛掷损坏的影响作用，送风管一般离掌子面距离为30m。

6、混合式通风

主洞从交叉段K3+230开始至下游施工截至里程K5+560，最长有2330m，中间有多处淋散水处，凝雾现象明显。如何确保掌子面附近200～300m范圍内的新鲜空气供应，关键在于一是：有充足的新鲜空气通过送风管道送达至掌子面；二是掌子面污浊空气能快速、高效的通过抽风机抽排至离掌子面200～300m范围外的安全段落；三是能突破主洞内多段落的淋散水凝雾区，使洞内的空气能形成有效的空气流，保证排至离掌子面200～300m范围外的污浊空气能有效的散排至主洞交叉段，利用2#支洞洞口与主洞交叉段的气压差，由2#支洞排出洞外，形成空气对流。通过混合式通风，应基本能解决以上三个问题，我部在前期的施工通风过程中，已经尝试在局部洞段采用送抽风通风模式，取得了较好的效果。

7、辅助通风降尘措施

隧洞开挖时，由于钻眼、爆破、出碴等作业、将会产生大量的烟尘，对人体的危害性很大。另外，高山区，气体低，氧气含量少，增加了通风难度。为加强施工通风，确保通风效果，在施工过程中，采取以下辅助通风措施：

⑴湿式凿岩标准化

通俗语言为打“水风钻”，湿式凿岩可降低80%的岩粉。高压水湿润破碎的岩粉，大大降低了粉尘。施工中维持水压稳定，水量充足，操作规范，遵循先开水后开风，先关风后关水的步骤；

⑵机械通风经常化

在爆破通风完毕，其他主要作业（出渣、挂网焊接、喷混凝土等）进行期间，仍需经常通风；

⑶喷雾洒水降尘正规化

无水岩层地段在距掌子面一定距离设置几道水幕，水幕降尘器放在边拱上，爆破前10min打开水幕开关。其作业原理：把水雾化水滴喷射到空气中，与粉尘颗粒碰撞接触，尘粒被吸附或凝聚，加快沉降速度，不仅降低洞内的粉尘，而且能溶解少量的有害气体，还有降低温度湿润空气的作用；

⑷人人防护普遍化

每个施工人员均应注意防尘、戴防尘口罩，搞好个人防护。提高施工人员素质，做好职业病防治工作。

8、结语

小断面长距离引水隧洞的通风目前在国内仍是一个较难解决的问题，没有相似工程的成功解决方案，而混合式通风多用于矿山巷道的通风和长大隧道的通风，其理论也还处于研究阶段，各种算式也还不能完全满足施工实际。我部对主洞采取混合式通风，按照经验算式，在理论上是可行的，但在实际运用中能否完全满足现场施工通风需要，还需要等待实际检测。就目前运行情况看，混合式通风较常规的压入式通风在小断面长距离的隧洞施工中是可行的，混合式通风能较好的解决在无法扩大风管直径的前提下，通过接力式风机的传递，将掌子面的污浊空气快速送出洞外，在洞内形成有效的风速，并能很好的解决因丰富的地下水形成的雨帘阻滞问题。在实际运用中，需注意前期的数据收集及分析工作，及时调整理论算式的参数，并相应调整洞内风机的布设位置，才能取得较好的通风效果。

主要参考文献：

[1]《世界隧道》1999年第3期《小断面长距离引水隧洞施工通风技术》许铁力 铁道部第一工程局。

[2]《铁道工程技术手册——隧道》铁道部第二勘测设计院。

[3] 冯叔瑜. 马乃耀. 爆破工程（下册） . 北京：中国铁道出版社，1980。

[4]《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099-1999）。