关角隧道6号斜井施工通风方案优化

张旭珍

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）

关角隧道6号斜井施工通风方案优化

张旭珍

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）

关角隧道是我国目前最长的铁路隧道，采用钻爆法施工，共设置了10座无轨运输斜井，施工中出现了1座斜井承担多个工作面通风的难题。为此，将原设计的压入式通风优化成了中隔板式通风。本文以6号斜井为例，详细介绍了中隔板通风方法、风机的选择、结构的设计以及通风效果。经对比性测试，中隔板式通风效果良好，经济适用，且有利于施工安全。

关角隧道；斜井；钻爆法；施工通风；中隔板通风

压入式通风因具有可将新鲜风直接送到掌子面，能较快冲淡和排出洞内的污浊空气，风管安装方便，维修费用低等优点在很多隧道中得到广泛应用。采用长斜井辅助施工的2条单线隧道，由于独头通风距离长，若仅开辟2个工作面，斜井内尚可布置2路大直径风管。而实际施工中，为了加快进度，施工单位往往增加工作面，一个斜井需要承担3～4个工作面的施工任务，导致斜井通风管路布置困难。关角隧道施工中也出现了1座斜井承担4个工作面通风的难题。结合科研成果采用了斜井中隔板式通风方案［1］，成功解决了单斜井多工作面施工通风的难题。本文以6号斜井为例，详细介绍施工通风方案的优化。

1　工程概况

关角隧道位于青海省天峻县境内，是青藏铁路西宁—格尔木增建二线的控制性工程，隧道长32.69 km（进口高程为3 380 m，出口高程为3 324 m），为2条平行的单线隧道，线间距为40 m。隧道区域内年平均气温为-0.5℃，极端最低气温为-35.8℃，最冷月平均气温为-13.4℃，大气压仅为标准大气压的60%～70%，空气的含氧量降低了约40%。隧道采用钻爆法施工，采用10座无轨运输斜井辅助正洞施工，即在Ⅰ线隧道设置3座斜井，Ⅱ线隧道设置7座斜井。位于隧道岭脊地段的6号斜井长2 824 m，与Ⅱ线隧道交于DyK296+110处，平面交角58.65°，采用无轨运输，综合坡度为10.3%，井口高程3 774.3 m，井底高程3 485.72 m，相对高差288.58 m［2］。

2　原设计施工通风方案

按照施工组织要求，通过6号斜井施工Ⅱ线隧道时只开辟了2个工作面，采用长管路压入式通风（图1（a））就能满足施工需要。施工Ⅰ线隧道时，由于开辟了施工横通道，同时有3个工作面，受斜井净空的限制，井内无法同时布置3路大直径风管，故采用了压入式与巷道式相结合的通风方案（图1（b））。

图1　原设计通风方案示意

3　优化后施工通风方案

通过6号斜井进入正洞后，施工单位将原设计的最多同时施工3个工作面的方案调整为同时施工Ⅰ，Ⅱ线共4个工作面。受斜井空间的限制，长管路压入式通风已无法满足多掌子面施工的需要，故需将斜井施工通风方案进行优化。

3.1掌子面供风量计算

掌子面供风量分别从洞内同时作业人数、同时爆破使用的最多炸药用量、洞内允许最小风速、内燃机作业废气稀释4个方面进行了计算［3-6］，然后取四者中的最大值。经计算，每个掌子面的需风量为1 119 m3/min，在考虑了漏风系数1.15和空气海拔高度修正系数0.697后，每个掌子面的供风量为1 846 m3/min，4个掌子面总供风量为7 384 m3/min。

3.2斜井中隔板通风方案

该方案将斜井横断面分隔为上、下两部分，上部作为进风通道，下部作为排烟通道。6号斜井原设计断面净空为5.2 m（宽）×6.6 m（高），考虑到下部通道需要满足运输车辆通行的需要，故将中隔板的位置设置在距斜井底板4 m的地方，如此分割后，斜井进风通道面积为13.54 m2，排烟通道面积为20.8 m2。按照计算的风量，则进风通道的风速达到了9.09 m/s，排烟通道的风速达到了5.92 m/s。由于进风通道的风速较大，导致阻力损失过大，能源消耗增加，为了降低能源消耗，故将斜井断面尺寸进行了优化，优化后的断面净空为6.6 m（宽）×7.3 m（高）。隔板分割后（见图2），进风通道为半径3.3 m的半圆形，风速7.2 m/s；排烟通道为6.6 m（宽）×4 m（高）的矩形，风速为4.66 m/s。在斜井底部与正洞交汇处设置一风仓，在风仓的不同位置共安装4台轴流风机与风管形成压入式通风系统，分别向4个工作面供风，见图3。

图2　斜井中隔板示意（单位：cm）

图3　斜井中隔板通风平面示意

3.3斜井进风通道和排烟通道的风阻

1）斜井进风通道的风阻

斜井的进风通道为一半径3.3 m的半圆，断面积S进=17.1 m2，周长U进=16.97 m，当量直径D进= 4S进/U进=4.03 m。

斜井进风通道沿程风阻系数计算公式为

式中：α进为风道的摩阻系数，90×10-4N·s2/m4；L进为斜井长度，2 808 m。

将以上数据代入公式（1）中可求得上部进风通道沿程风阻系数Rf进=0.086 N·s2/m8。

斜井进风通道的局部阻力系数包括进风口阻力系数ξ进1=0.6；中部10处错车道阻力系数ξ进2=10× 0.5=5.0；井底与正洞交汇处阻力系数ξ进3=1.5，总局部阻力系数Σ ξ进=7.1 N·s2/m8。

风流在斜井进风通道的阻力损失计算公式为

式中：Q进为进风通道风量，123.07 m3/s；ρ为空气密度，1.2 kg/m3；ν进为进风通道风速，7.2 m/s。

将以上数据代入公式（2）中可求得风流在斜井上部进风通道的阻力损失hf进=1 523 Pa。

2）斜井排烟通道的风阻

斜井排烟通道为一矩形，断面积S出=26.4 m2，周长U出=21.2 m，当量直径D出=4S出/U出=4.98 m。计算可得，下部排风通道沿程风阻系数Rf出=0.029 N·s2/m8。

斜井排烟通道的局部阻力系数包括斜井底部阻力系数ξ出1=0.5；中部10处错车道阻力系数ξ出2=10× 0.5=5.0；井口阻力系数ξ出3=1.0，总局部阻力系数∑ξ出=6.5 N·s2/m8。

风流在斜井排烟通道的阻力损失

式中：Q出为排烟通道风量，123.07 m3/s；ρ为空气密度，1.2 kg/m3；ν进为排烟通道风速，4.66 m/s。

将以上数据代入公式（3）中可求得风流在斜井排烟通道的阻力损失hf出=524 Pa。

3）斜井通道中的总阻力

风流在斜井进风通道和排烟通道中的总阻力损失

3.4正洞内的风阻

西宁端施工长度为1 260 m，配用风管直径d为1.5 m，断面积S管=1.77 m2，周长U管=4.71 m，当量直径D管=4S管/U管=1.5 m。则风管的沿程风阻系数

式中：α管为风管的摩阻系数，21×10-4N·s2/m4；L管为风管的长度，1 260 m。

将以上数据代入公式（5）中可求得风管的沿程风阻系数Rf管=2.25 N·s2/m8。

通风管道的沿程阻力损失

式中：Q管为风管内风量，30.77 m3/s；PL管为漏风系数，1.5。

将以上数据代入公式（6）中可求得风管的沿程阻力损失hf管=1 420 Pa。

同理可得，格尔木端施工长度为1 590 m，配用风管直径d为1.6 m，风管沿程风阻系数为2.07 N·s2/m8，通风管道沿程阻力损失（漏风系数取1.6）为1 225 Pa。

3.5风机选择

考虑了风流在斜井进风通道、排烟通道总阻力损失及正洞通风管道阻力损失，西宁端风机压力损失3 467 Pa，格尔木端风机压力损失3 272 Pa。因此，正洞4个掌子面均可选用SDF（c）-NO12.5型轴流风机，设计风量为2 912 m3/min，全压为5 355 Pa，电动机功率为2×110 kW，双级调速。

由于6号斜井较长，为了提高掌子面供风质量，可考虑在斜井进风通道内安装2组接力射流风机，保证井底风仓有足够的新鲜空气满足4个掌子面的施工需要。同时为了保证斜井排烟通道内的污风能顺利排出井外，可考虑在斜井排烟通道内安装射流风机进行助力排烟。

3.6斜井中隔板结构设计

1）斜井中隔板的横梁可采用方钢，纵向间距2 m，横梁与安装在斜井壁上的钢脚板焊接在一起，见图4。

2）斜井中隔板可采用彩钢板，也可采用PVC板材。中隔板与横梁之间采用铆钉锚固，中隔板横向和纵向的搭接宽度均为10～15 cm。隔板在洞口段需要做延伸处理，以防止洞内排出的污风被上部进风口吸入而发生污风循环。

3）中隔板搭接面涂密封胶粘合，然后横向和纵向接缝再采用密封胶条进行密封；中隔板被铆接的部位全部涂胶密封；隔板与斜井壁间采用橡胶条压实钉牢，然后将其下部结合部位利用喷射混凝土密封，上部结合部位灌注沥青密封。

图4　横梁与钢脚板连接

表1　6号斜井工区环境质量检测

4　效果测试

4.1压入式通风效果测试

2008年8月初，对6号斜井距井口500 m处的掌子面进行了测试。掌子面装载机铲砟装砟时，环境中CO浓度在62～90 mg/m3之间变化，稳定时CO浓度为82 mg/m3。自卸汽车驾驶室密闭后，从掌子面行驶至井口，室内CO浓度从36 mg/m3降至34 mg/m3。驾驶室窗户打开（洞内环境CO浓度），从掌子面行至斜井中间，CO浓度从63 mg/m3降至22 mg/m3。斜井外地表附近大气温度约为20℃，斜井内温度约为15℃，氧气含量为19%～20%，其中出砟时氧气含量最低。采用压入式通风，各种有害气体的浓度均超出了规范中规定值［7］，通风效果较差。

4.2中隔板式通风效果测试

采用中隔板式通风方案后，对通过6号斜井进入正洞施工的4个作业面环境进行了监测。不同工况下各测点实测效果见表1。可以看出由于受海拔的影响，除各测点的氧气含量低于规范规定的要求外，其余各项指标均未出现超标现象，通风效果良好。

5　结语

1）中隔板式通风的总通风断面较大，对应的当量直径较大，通风阻力会相应降低很多，有利于远距离大风量送风，能够同时满足多开挖面施工需要。

2）中隔板式通风可以适当缩短风管送风距离，使送到开挖面的有效风量大幅度增加，同时降低了风管维护工作量，尤其是斜井内避免了通风管维修更换工作，对施工安全也十分有利。

3）按照现场一次性摊销统计，隔板材料每米造价为风管的4～5倍（风管未考虑修补和更换），如果考虑到重复利用和通风管理，那么中隔板式通风的造价与压入式通风基本相当。

4）分隔斜井时如果防漏风措施不到位，会使中隔板的漏风较大，出现污风循环问题。因此，在分隔斜井时应特别注意这点，以取得好的施工通风效果。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.关角隧道修建关键技术［R］.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2015.

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司.改建铁路青藏线西宁至格尔木段增建第二线关角隧道预设计文件［Z］.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2007.

［3］刘进，方源.龙潭特长隧道施工通风技术研究［J］.铁道建筑，2005（12）：43-44.

［4］韩文起.特长复杂隧洞掘进施工通风技术研究［J］.铁道建筑，2010（12）：55-57.

［5］陈琳.公路隧道无轨运输条件下长距离施工通风技术［J］.铁道建筑，2011（8）：33-35.

［6］白俊，雷建华.大茶山高瓦斯隧道施工通风设计［J］.铁道建筑，2013（9）：39-41.

［7］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

Optimization of Construction Ventilation Scheme of Guanjiao Tunnel No.6 Inclined Shaft

ZHANG Xuzhen
（China Railway First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

Guanjiao tunnel is currently the longest railway tunnel in China，constructed with drilling and blasting method.A total of 10 non-rail transport inclined shaft was set up.During construction，there was a difficulty that one inclined shaft was required for ventilation of multiple working places.T o solve this problem，the original design was optimized as ventilation using false ceilings.In this paper，No.6 inclined shaft was case-studied.T he false ceiling ventilation method，fan selection，structure design and ventilation effect were discussed.T he test results show that the false ceiling ventilation has good effect.It is an economic and feasible method，ensuring construction safety.

Guanjiao tunnel；Inclined shaft；Drilling and blasting method；Construction ventilation；False ceiling ventilation

U453.5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.18

1003-1995（2016）09-0071-04

（责任审编葛全红）

2016-05-20；

2016-06-30

张旭珍（1976—），男，高级工程师。