关角隧道双正洞巷道式通风及节能升温技术

陈丽敏

(中国铁建十六局集团第一工程有限公司， 北京 101300)



关角隧道双正洞巷道式通风及节能升温技术

陈丽敏

(中国铁建十六局集团第一工程有限公司， 北京 101300)

以全长32.645 km的双洞单线关角隧道施工为例，针对高原长大隧道施工通风的难题及其与保持隧道内温度相矛盾的问题展开研究，以双正洞巷道式施工通风及高寒地区隧道节能升温2项核心专利技术为背景，介绍了在施工中采取斜井设置中隔板的方式，充分利用斜井顶部弧形空间，在保证隧道进风量和风速的同时，为工程运输和排水管道设置提供了足够的空间。在双正洞内形成的运输、通风2个通道，缩短了风机送风距离，保障了隧道工作面需风量； 同时，根据市政工程暖气原理，自主研发了隧道节能升温系统，在关角隧道施工实践中得到了成功应用，取得了良好效果，为类似工程施工积累了经验。

关角隧道； 双正洞巷道通风； 节能升温系统； 作业环境

0 引言

随着我国国民经济的高速发展，高原高寒山区道路建设大量增加，公路和铁路选线以长大隧道方式通过山岭地段越来越多，国内如今已建成的拉脊山隧道、大坂山隧道和大通山隧道[1]，在建的拉林铁路和格敦及格库铁路[2]等，由于地理环境和工程地质环境的影响，基本以“长隧短打 ”钻爆法施工为主。在施工中采取何种通风形式，保证隧道通风量以及保障高寒隧道施工温度成为高寒隧道施工的主要研究内容[3]。在以往的长距离斜井施工通风研究中，主要采取压入式接力通风技术，在工期较长的隧道施工，通风设备维修、更换次数增加，成本较高，且占用空间较大，对施工干扰较多[4]； 另外一种通风方式就是设置通风竖井，位置较为固定，但通风时间有限，且成本较高，施工风险大[5]。现有的隧道中隔板通风技术主要以提高通风质量、降低施工影响[6]和加快施工进度为主要目的进行研究[7]，而针对隧道需风量、风速与高原高寒环境温度相互影响，以及中隔板与隧道升温相结合的技术研究较少。高寒地区隧道内温度随通风跟进下降过快，难以保证正常的施工需要，而传统采用洞门架设门帘和洞内加设火炉等隧道内升温技术，既耗费能源又增加废气排放，影响洞内施工环境，背离施工实际需要。因此，本文摈弃了以前高原隧道通风及保温技术的不足，创新性地提出双正洞巷道式通风节能升温技术，既可有效解决高原长大隧施工通风的难题，又能满足隧道内的温度控制要求。

1 工程概况

新建关角隧道位于既有铁路天棚至察汗诺车站之间，全长32.645 km，设计为2座平行的单线隧道，线间距40 m，采用动态设计、钻爆法施工。工程地处青藏高原，高寒缺氧，通过区属亚寒带半干旱气候区，常冬无夏，春秋相连，年均气温-0.5 ℃，极端最低气温-35.8 ℃，最大月平均日温差24.7 ℃，最大积雪厚度21 cm，最大冻结深度299 cm。进口标段由正洞进口及6座辅助斜井展开施工，以6#斜井为例，斜井长度2 808 m，海拔3 800 m，斜井进入正洞后通过横通道承担4个工作面施工，正洞单线施工任务3 100 m，最大通风长度近5 000 m[8]。

在如此高寒、高海拔地区修建长距离斜井隧道，施工通风及隧道内温度保持尤为重要。根据以往研究的技术成果，针对关角隧道地处高原高寒地区，斜井通风距离长、断面受限和埋深较深(最深800 m，平均200 m以上)等特点，以关角隧道项目部自主研发的分隔式通风排烟装置(201220162154.7)[9]和一种高寒隧道通风节能升温系统(201210112330.0)[10]2项核心专利技术为背景，施工中最终采用了斜井分割+双正洞巷道式通风技术，实现了进风道与出风道的分离，极大地增加了隧道进风量，改善了隧道施工作业环境； 研发的通风节能升温系统，通过热能转换，提高进风温度，在满足施工要求的同时，保证了工程质量。

2 隧道施工通风技术

2.1 有害气体排放特性及需风量

2.1.1 高原环境下机械有害气体排放特性

在高原地区，空气中氧含量低，尤其是在负荷条件下，CO和碳烟排放比平原地区多，而CO排放量又是衡量隧道施工通风效果好坏的依据。在关角隧道针对装载机、自卸汽车和挖掘机分别进行了“转速与不透光度关系”和“转速与CO比排放关系”检测分析， 最终得出以下结论[11]：

1)高原环境下空气中的氧含量较低，工程机械实际进气量偏离理论进气量，过量空气系数φa远小于1，当φa减小时排放增加。

2)高原环境下工程机械HC排放量以指数方式变化，随转速增大而增大。小于工作转速时排烟量较小，排烟变化缓慢； 处于工作转速时排烟量随着转速增大的幅度加大； 大于工作转速时转速越大，有害气体排放越多。

3)高原环境下工程机械CO排放量以指数方式变化，随转速增大而增大。高转速工况下随油门加大燃烧室供油量增多，φa减小，燃烧室缺氧，燃烧不充分，导致CO排放浓度高； 在工作转速附近，随着氧气进量的稳定与气缸和机器温度的升高，柴油的燃烧就越来越充分，会使更多CO氧化为CO2。

2.1.2 需风量计算

1)按施工隧道内的最多人数计算风量。洞内每人每分钟需要新鲜空气量按q=3 m3/min，风量备用系数k=1.2，同时最多工作人数按m=50人计算[12]，则Q=k·m·q=1.2×50×3=180 m3/min。

2)按排尘风速计算风量。取排尘风速0.2 m/s，则Q=0.2×67×60=804 m3/min。

3)按最低允许风速计算风量。按最低允许风速0.15 m/s，则工作面风量Q=60×0.15×67=603 m3/min。

由各种计算结果比较可知，按排除炮烟计算风量是所有计算风量中最大的，工作面的设计风量取排除炮烟风量Q=1 032 m3/min。

关角隧道进口6座斜井的平均海拔高度为3 600 m，所以必须要考虑空气重率高程修正系数

2.2 施工通风方案

2.2.1 斜井分隔

用彩钢板将隧道分为进风道及排风道2部分(见图1和图2)，上部为进风道，下部为排风道及施工通道。根据隧道宽度采用15mm×15mm方钢制作横梁，采用膨胀螺栓横向锚固在隧道两侧的支护上，横梁中间采用钢筋和隧道拱部的锚杆相连接，没有锚杆的采用膨胀螺栓固定在隧道拱部，以防止中间受力过大影响结构安全。横梁沿隧道纵向间隔2m设置，将彩钢板用螺丝固定在横梁上，形成分割隧道断面的作用。彩钢板与墙壁、横梁等交接部位全部采用乳胶进行密封。

图1 中隔板横断面结构示意图

Fig. 1 Sketch diagram of cross-section of intermediate separating plate

图2 中隔板纵断面结构示意图

经过分隔形成上、下断面，上断面为新鲜空气进入通道，通过安装在斜井口端头的风机吸入新鲜空气。长距离通风时应在隧道进风道(上断面)内设置风机，并加大进风速度。下断面为污浊空气出风道，上断面的空气在隧道内经过循环后，排出洞外。采用中隔板斜井分隔通风技术，在上部中隔板内每隔1 000 m设置2组110 kW×2风机加快进风道风速，上部进风道进风量 (进风断面26.3 m2) 是原设计采用2条直径1.8 m风管进风量的5倍，大大增加了隧道进风量。

2.2.2 双正洞巷道式通风

在斜井中设置隔板分隔的基础上，充分利用正洞Ⅰ、Ⅱ线2条隧道，将一条作为主要进风道，另一条作为回风道，实现了双正洞巷道式通风(见图3)，具体如下：自斜井与正洞交叉口风箱位置开始，当隧道掘进超过2个横通道位置(横通道间隔420 m)时，距离掘进工作面最远的横通道与Ⅰ线交叉部位利用隔板封堵，使Ⅰ、Ⅱ线分割为2个通道； 当Ⅰ线工作面通风时，进风通过正洞安装的接力射流风机直接送至施工工作面，回风流则经未封堵的横通道回流至正洞Ⅱ线，并经过斜井隔板底部输送出洞。

图3 双正洞巷道式通风示意图

2.2.3 通风效果测试

对关角隧道6#斜井采取斜井分隔+双正洞巷道式通风技术进行了测试(见表1)，测试数据表明测试结果和工作面工作状况有较密切的关系，一般情况均符合隧道施工卫生安全环境控制标准[13]。

表1 6#斜井通风效果监测数据

注：各工区各工作面的氧含量及气温等指标满足标准要求。

3 节能升温技术

青藏高原地区一年内长达8个月时间处于低温环境，温度在0～-20 ℃，关角隧道施工区域极端最低气温达到-35 ℃，低温环境对施工建设影响较大。施工通风运行过程中从隧道外吸入洞内的新鲜空气温度低，导致整个隧道内温度降低，尤其是掌子面位置，对隧道掘进、支护、仰拱及二次衬砌施工影响较大。采用在隧道内增设火炉、洞门设置门帘等措施可提高隧道内温度，但这些措施消耗煤等燃料较多，门帘及火炉要专人不间断看管，导致隧道冬季施工成本较高，隧道内危险源增加。设置火炉及门帘均会给运输车辆带来很大的不便，降低隧道施工效率。

3.1 整体思路

设计制作了一种隧道通风升温装置(见图4和图5)，以替代在隧道内设置火炉等隧道升温措施。在隧道内设置升温风箱，升温装置安装在风箱内，所有通过通风机进入隧道的空气全部经过风箱加温后，送至各个作业面。升温装置采用φ50薄壁无缝钢管制作，并与空压机循环水管相连接，通过循环水的温度给进入风箱的冷空气加热升温。

图4 支架连接

图5 升温装置

3.2 具体方案

1)斜井通风设置中隔板或风筒布通过斜井底部空压机洞室交叉口，在斜井与空压机洞室交叉部位设置风箱，风箱的设计需要根据加热进风流所需热量和单组加热管所提供的热量计算来确定，隧道按照4个工作面需要5 000 m3空气，温度升高3 ℃，计算得出需要热量的总能耗为20 752 J，单组加热管的热能为3 297 J，因此升温装置数量为L=20 752/3 297=6组(取整数)。另外，升温装置利用斜井顶部空间，下部预留运输通道(见图6)，以保证正常运输通行。

图6 节能升温系统示意图

2)高寒隧道通风节能升温技术，其特征在于长大隧道内设置空压机洞室和循环水管，利用φ50无缝薄壁钢管制作多组升温装置，升温装置间采用φ50无缝薄壁钢管连接，从而形成沿隧道纵向放置的多排升温装置组，每组升温装置与空压机循环水管相连，形成高温水循环水管； 隧道内设置升温风箱，升温装置组安装在风箱内(见图7)。

3)利用升温装置组两端的预留口与空压机的循环水管相连接，管道上安装循环水泵，以加强水的循环速度，这样就构成空压机循环水在该组升温装置中循环，通过循环水的温度给进入风箱的冷空气加热升温，从而达到隧道通风升温的目的。

图7 节能升温系统正面图

3.3 升温效果

采用本专利技术能够将隧道内作业环境温度升高3～4 ℃，保证了隧道施工作业能够在相对恒温的状态下进行，有效地改善了隧道施工作业环境。

4 结论与建议

4.1 结论

本文通过介绍关角隧道在施工通风的过程中，成功应用斜井分隔+双正洞巷道式通风方式，充分利用了隧道上弧空间，形成了进风道与出风道分隔、运输通道与排水管道分离设置，避免了相互干扰，提高了工作效率，加快了施工进度。同时，自主研发的节能升温系统，充分利用了隧道内空压机产生的热能转换，在保持隧道内温度的同时，降低了能源消耗，减少了隧道内空气污染，成功解决了高原高寒地区长大隧道的施工通风与保持隧道内温度相矛盾的难题，为改善双洞单线铁路特长高寒隧道施工作业环境提供了新思路，对类似工程有推广借鉴的价值。

4.2 建议

采用该技术应注意以下一些问题：在进行通风时，通过二维、三维模拟及实际效果测试，风机并联可比串联获得更高的隧道风流； 关于热源的问题，在空压机系统不运转时，需设置备用的加热装置，设置电动锅炉与升温装置组连接，必要时采用电动锅炉加热； 当升温装置安装完成后，应对升温装置组区域进行封闭形成风箱，在靠近洞口段预留进风口，并在靠近作业面一端设置风机，将进入风箱经过升温装置组的热空气吹向作业面。

[1] 孙三祥，雷鹏帅，张云霞. 斜井分隔通风方案风机串并联通风效果比较[J].安全与环境学报, 2014，14(1): 78-81.(SUN Sanxiang,LEI Pengshuai,ZHANG Yunxia. Comparison of the ventilation effects between parallel-fans operation and that of serial-fans in partition technique in inclined shafts[J].Journal of Safety and Environment, 2014，14(1): 78-81.(in Chinese))

[2] 张仕杰.高原地区长大隧道施工通风技术[J].铁道建筑技术，2010(增刊2): 76-78.(ZHANG Shijie. Ventilation technology for long tunnel construction in plateau region [J].Railway Construction Technology, 2010(S2): 76-78.(in Chinese))

[3] 万飞. 关角特长铁路隧道不良地质致灾机理及控制技术研究[D].北京：北京交通大学，2014.(WAN Fei. Research on geological disaster mechanism and control technology of Guanjiao extra-long railway tunnel[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2014.(in Chinese))

[4] 何春保.西格二线关角隧道施工方案对比分析[J].铁道建筑,2012(11): 38-41.(HE Chunbao. A contrastive analysis of Xining-Golmud Second Line of Guanjiao Tunnel construction scheme[J]. Railway Engineering,2012(11): 38-41.(in Chinese))

[5] 李海飞.长大隧道斜井通风排烟[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013，26(增刊2)：215-218.(LI Haifei. Ventilation of long tunnel through inclined shaft [J]. Journal of Shijiazhuang Tiedao University(Natural Science Edition),2013,26(S2): 215-218.(in Chinese))

[6] 于兰刚.高原长大斜井中隔板通风方式应用[J].中华建设,2013(10): 133-135.(YU Lan’gang.Application of long inclined shaft intermediate separating plate ventilation method in plateau region[J].China Construction,2013(10): 133-135.(in Chinese))

[7] 李志平,李永生.关角隧道单车道无轨斜井施工方案优化[J].隧道建设,2010,30(1): 53-57.(LI Zhiping, LI Yongsheng. Case study of optimization of construction scheme of Guanjiao Tunnel through trackless single-lane inclined shaft[J].Tunnel Construction,2010,30(1): 53-57.(in Chinese))

[8] 马栋.西格二线关角隧道施工关键技术[J].现代隧道技术，2012,49(增刊): 10-18.(MA Dong. Key construction technology for Xining-Golmud Second Line of Guanjiao Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology,2012,49(S): 10-18.(in Chinese))

[9] 中铁十六局集团有限公司，中铁十六局集团第一工程有限公司.分隔式通风排烟装置：201220162154.7[P]. 2012-04-17.(China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd., The First Engineering Co.,Ltd. of China Railway 16th Bureau Group. Separation type ventilation and smoke exhausting device: 201220162154.7[P]. 2012-04-17.(in Chinese))

[10] 中铁十六局集团有限公司,中铁十六局集团第一工程有限公司.一种高寒隧道通风节能升温系统：201210112330.0[P]. 2012-04-17.(China Railway 16th Bureau Group Co.,Ltd., The First Engineering Co.,Ltd. of China Railway 16th Bureau Group. Ventilation and energy saving heating system for tunnel in cold areas: 201210112330.0[P]. 2012-04-17.(in Chinese))

[11] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010: 123-124.(WANG Mengshu. Tunnelling and underground engineering technology in China[M].Bejing: China Communications Press,2010: 123-124.(in Chinese))

[12] 铁路隧道工程施工技术指南：TZ 204—2008[S].北京：中国铁道出版社，2008.(Technical guide for construction of high-speed railway tunnel engineering: TZ 204—2008[S].Beijing: China Railway Publishing House, 2008.(in Chinese))

[13] 公路隧道通风设计细则：JTG/T D70/2-02—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.(Guidelines for design of ventilation of highway tunnel: JTG/T D70/2-02—2014[S].Beijing: China Communications Press,2014.(in Chinese))

Application of Gallery Ventilation Technology and Energy Conservation Heating Technology to Guanjiao Tunnel

CHEN Limin

(FirstEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway16thBureauGroup,Beijing101300,China)

The applications of gallery ventilation technology and energy conservation heating technology to Guanjiao Tunnel (32.645 km long and twin-tube single line) are introduced. The intermediate separating plate is set in the inclined shaft; the space of inclined shaft top can provide space for ventilation, transportation and drainage pipelines. The ventilation distance is shortened and the air needed is guaranteed by setting transportation gallery and ventilation gallery in main tunnel. Meanwhile, energy conservation heating system is developed and good effect has been achieved.

Guanjiao Tunnel; double main tunnel gallery ventilation; energy conservation heating system; working environment

2016-01-06;

2016-03-03

陈丽敏(1974—)，女，内蒙古杭锦后旗人，1997年毕业于上海铁道大学，交通土建工程专业，本科，高级工程师，现从事地下工程施工管理工作。E-mail: 465838478@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.014

U 45

A

1672-741X(2016)07-0857-05