特长公路隧道施工过程巷道式通风研究

刘建镳

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

福州京台高速公路建设项目为国家重点建设项目，主线里程52.952km，按双向四车道高速公路标准建设，设计速度100km/h，全线特长隧道2.5座，均为双线分离式双洞布置，正洞净宽10.75m，净高5.0m。其中黄竹山隧道(0.5座，在Y(Z)K99+650设分离式通风斜井)与宁德交界，起迄桩号为左洞 ZK99+128～ZK1103+362，右洞 YK99+128～YK103+387，左洞长4234m，右洞长4259m;本隧道施工采用独头掘进方式，独头最大通风长度 3687m，开挖断面积84m2。隧道施工过程通风方案采用两阶段式，第一阶段左右线各自采用压入式通风;第二阶段待两隧道之间的横向通道开挖贯通后，利用横向通道使两隧道形成巷道式通风，轴流风机设在单侧洞向两个掌子面供应新鲜空气，污风自另一侧洞排出洞外，待斜井与主隧道贯通后，形成自然通风系统。巷道式通风阶段确保通风管长度在1500m之内。

1 施工通风方案设计原则

(1)通风系统

隧道掘进工作面都必须采用独立通风，严禁任何两个工作面之间串连通风。隧道需要的风量，须按照爆破排烟、同时工作的最多人数以及有害气体绝对涌出量分别计算，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值。隧道施工中，对集聚的空间和衬砌模板台车附近区域，可采用空气引射器、气动风机等设备，实施局部通风的办法。隧道在施工期间，应实施连续通风。因检修、停电等原因停机时，必须撤出人员，切断电源。

(2)通风设备

1)压入式通风机必须装设在洞外或洞内新风流中，避免污风循环。通风机应设两路电源，并装设风电闭锁装置，当一路电源停止供电时，另一路应在15min内接通，保证风机正常运转。

2)必须有一套同等性能的备用通风机，并经常保持良好的使用状态。

3)隧道掘进工作面附近的局部通风机，均应实行专用变压器、专用开关、专用线路及风电闭锁、瓦电闭锁供电。

4)隧道应采用抗静电、阻燃的风管。风管口到开挖面的距离应小于5m，风管漏风率应不大于2%。

2 巷道式通风施工通风方案

(1)通风方式选择

黄竹山隧道为平行双隧，左右线之间每隔738m设有行车横洞，具备采用射流巷道式通风的条件，所以设计采用射流+轴流巷道式通风。

(2)通风量计算

施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量、内燃机械设备总功率分别计算，取其中最大值作为控制风量。

1)按掌子面同时工作的最多人数计算

式中:q—每一作业人员的通风量，取3m3/min

n—掌子面同时作业的最多人数(取60人)

计算可知需风量为180m3/min。

2)按洞内允许最小风速0.15m/s计算(《隧道工程施工技术规范》规定，施工中隧道内平均风速不得低于0.15m/s)

式中:S—隧道开挖断面积84m2(Ⅲ级围岩)

V—洞内允许最小风速0.15m/s=9m/min

计算可知需风量为756m3/min。

3)按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算

式中:A—一次性爆破炸药量(根据爆破方案为206.1kg);

t—通风时间，20min

L—通风长度，200m

F—隧道断面积，84m2

计算可知需风量为1511m3/min。

4)按内燃机械设备总功率计算

式中:H—内燃机械总功率550KW(掌子面1台装载机功率150KW、一台出渣车功率200KW，其它内燃设备计200KW)

q—内燃机械单位功率供风量，8m3/(min·KW)

а—内燃机械的工作效率，取50%。

经计算内燃机械设备需风量为控制风量，开挖面需风量为2200m3/min。

5)确定总供风量

由上可知:按内燃机械总功率计算值最大，为控制风量;总供风量按2200m3/min计算。

此时，所需平均风速 ¯V=2200 ÷60 ÷84=0.44m/s。

(3)通风设备选型配置

巷道式通风方案中，轴流风机的选择主要由所需风量和所选风管参数计算的风压确定;射流风机的选择主要由轴流风机的所需要的总风量及总风量所经路程的总阻力确定;风管全部采用科研所研制并获国家专利的新型软管。

1)轴流风机选型计算

通风阻力因选择的风管直径和风机型号以及送风距离的不同会有很大差距，如果选择的风管直径过小，会导致通风阻力过大，不能满足送风需要;如果选择的风管直径过大，又会造成浪费，且不利于施工组织。针对隧道的实际情况，结合风机特性曲线和送风长度对通风阻力进行模拟计算，同时也对风机风管进行选型匹配后，选定2台SDF(C)-No12.5型轴流风机，功率110kw;此型号风机与1500m长的Φ1.7m风管匹配参数见(表1):

表1 主洞风机风管系统匹配点的参数

风管出口风量1926m3/min＞总供风量按1800m3/min，符合要求。

2)隧道通风阻力计算:

①隧道摩擦阻力:

式中:α——摩擦阻力系数，α=0.030

L—隧道最长通风长度 (3687m)

U—隧道周边长度(30.8m)

Q—风量(2200/60=36.7m3/s)

S—隧道面积(84m2)

摩擦阻力为:Pm=α×L×U×Q2/S3=0.030×3687×30.8×36.72/843=7.74(Pa)

②局部阻力:

式中:ζ—局部阻力系数，ζ=1.5

Q—风量(36.7m3/s)

S—隧道面积(84m2)

局部阻力为:PJ=0.612ζQ2/S2=0.612×1.5×36.72/842=0.18(Pa)

③正面阻力:

式中:φ—机械设备阻力系数(取:装载机2.0+衬砌台车4.0+操作台车1.5=7.5)

Sm—阻塞物最大迎风面积(取10m2)

Q—风量(36.7m3/s)

S—隧道面积(84m2)

正面阻力为:Pz=0.612×7.50×10×36.72/(84-10)2=11.29(Pa)

④隧道通风总阻力:

P总=Pm+PJ+Pz=7.74+0.18+11.29=19.2(Pa)。

3)射流风机选择计算

射流风机产生的风压必须得以克服整个系统的阻力，即:Hf≥P总

①型号:SSF-№16型，流量 31m3/s，出口速度30.9m/s，电动机功率55kw/台。

②每台射流风机产生的风压:

式中:Vj—射流风机出口风速，30.9m/s

Aj—射流风机出口断面积，0.852π=2.27m2

Ag—隧道断面积，84m2

Vgo—隧道内风速，取所需平均风速0.44m/s

kj—增压系数，取0.85

ρ—空气密度(现场实测1.19kg/m)

③射流风机总台数:

Nj=P总/Hf=19.2/25.7=1台，即安装1台射流风机就可满足要求;由于隧道较长，在每贯通一个行车横通道后，同步在距行车横通道100m左右的小里程位置再增设1台射流风机，以保证通风质量。

(4)通风布置

主洞通风布置共分二个阶段:

第一阶段，在施工初期，正洞两个开挖面均采用独头压入式通风，分别采用一台主洞2×110KW轴流风机和Φ1.7mPVC风管送风，布置图如(图1)所示，在10#行车横通道贯通后准备阶段调整，风管送风最长距离控制在1500m以内。

图1 出口工区第一阶段通风布置图

第二阶段第一步，10#行车横通道贯通并具备阶段调整条件后，将洞口两台风机设置在左线距10#行车横通道50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，在距洞口100m处增设1台射流风机，形成射流巷道式通风，布置图见(图2)。左线引进新鲜风，右线排出污风，施工要求必须进行交通管制，出碴和材料运输车辆由右线进出，需要进入左线经10#行车横通道进出，在9#行车横通道贯通后再准备阶段调整。

图2 主洞第二阶段第一步通风布置图

第二阶段第二步，9#行车横通道贯通并具备阶段调整条件后，利用风墙封闭10#行车横通道，将左线10#行车横通道处的两台风机前移至距9#行车通道50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，同时在距10#行车横通道100m左右的小里程位置再增设1台射流风机，布置图见(图3)。风流方向和交通管制方式同上，左右线之间主要通过9#行车横通道联通，在8#行车横通道贯通后在准备阶段调整。

图3 主洞第二阶段第二步通风布置图

第二阶段第三步，8#行车横通道贯通并具备阶段调整条件后，利用风墙封闭9#行车横通道，将左线9#行车横通道处的两台风机前移至距8#行车通道50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，同时在距9#行车横通道100m左右的小里程位置再增设1台射流风机，布置图见(图4)。风流方向和交通管制方式同上，左右线之间主要通过8#行车横通道联通，保持此方式直到与斜井工区贯通。

图4 主洞第二阶段第三步通风布置图

2 通风技术管理

通风技术管理包括通风方案的实施，方案的局部调整，过渡方案的设计，通风效果的监测与评价等;这些都由专业技术人员来完成。

(1)通风方案的实施

通风设计方案只是一个基本模式，要在现场实施，还要进一步细化并绘制出方案实施图。要求技术人员根据设计图和现场具体情况，把方案具体化，绘制实施图，及时制定出方案实施细则。

(2)通风方案的局部调整

通风方案一般都是根据施工方法和施工组织来设计的，在施工过程中施组和施工方法，通常会根据地质情况的变化而变化，如增开工作面或增加运输通道等，通风方案也需要作相应的变化。要求技术人员根据施组和施工方法的变化对通风设计方案进行局部调整。

(3)过渡方案的设计

通风方案都是分阶段设计的，每个阶段之间都存在过渡的问题，在施工现场从一个阶段到另一个阶段一般需要两三天时间，决不能因为实施下一阶段通风方案而影响正常施工。要求技术人员必须根据现场具体情况做好通风过渡方案。

(4)通风效果的检测与评价

通风方案实施以后，实施的方案能否达到设计要求，或者设计本身是否存在问题，这些都需要通过温度、湿度、管路的进出口风量、管路的百米漏风率、通风阻力以及工作面有害气体浓度变化等项目的测试，来检查方案落实情况(主要是通风管路安装质量)，评价设计方案。要求技术人员在方案实施后尽快测试，以便对存在的问题及时修正。另外，也要求技术人员对通风效果(主要工作面的有害气体浓度变化情况)进行经常性的检测，以检查通风管路的安装维护质量。

3 施工中容易出现的问题和处理方法

(1)巷道通风方式中，防漏降阻是提高送风效率的关键，应做好以下技术措施:

1)选择优质风管材料，加大风管直径;加长风管节长，减少接头。

2)提高风管安装质量，使风管达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，以减少通风阻力;风管通过衬砌台车、作业台架时要确保风管的顺直度，减少通风阻力。

3)各横洞的密闭墙必须密封，防止因漏风造成风压降低和污风循环。

(2)掘进爆破产生的冲击波对软管产生破坏:爆破前应关闭通风机，炮响后再开启，以避免冲击波对软管的破坏。专人每天巡查通风情况，发现风管破损，应立即修复。

(3)隧道施工过程中内燃机械及车辆产生的污染:施工过程加强内燃机械的保养，在运输车辆的尾气排放口必须设置净化装置，以降低对隧道内施工环境的污染程度。

(4)污风在设计坡顶处及衬砌台车附近的聚结:现场施工过程中受天气及气流影响，经常在坡顶处或衬砌施工处产生污风聚结现象;根据现场实际情况，在污风聚结处增加临时射流风机，及时辅助排除污风。

4 结束语

本文以黄竹山隧道施工中的通风研究为例，充分利用双线小净距特长隧道在设计上每一定间距设置的人行、车行通道，采用巷道加管道的通风方式，改善施工过程中的通风条件，取得了较好的通风效果。作者全过程参与了这项研究，并在施工过程进行完善，对需风量计算、通风设备的选型、巷道步长及通风管道的直径和长度、风机在人行或车行横道上的最佳位置、通风实际效果等，进行了大量的计算及验证，取得了本文中所述的研究成果，可作为工程技术人员从事类似工程建设时参考。本文介绍的黄竹山隧道已顺利贯通。

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