水工深埋长隧洞通风技术探讨

王 伟 魏铂佳 杜荣祥

1 隧洞通风技术发展现状

SL 303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》规定：“采用钻爆法施工时，施工支洞间距不宜超过3 km”，即主洞独头掘进长度一般不超过1.5 km，考虑施工支洞长度，国内钻爆法施工隧洞独头通风长度一般控制在3 km以内。随着通风管质量的不断提升，独头通风距离长度有明显的增加，如西康线秦岭隧道，独头通风长度已达7.5 km，引汉济渭出口段通风长度为6.5 km，巴基斯坦N-J水电站工程A4下游工作面独头通风长度5.3 km，从大量国内外工程独头通风长度分析，钻爆法施工独头通风长度达4 km即属于先进水平。

隧洞采用TBM施工时，通风管节长大幅增加，一般在200 m以上，最大节长已达500 m，管节的增长使管路漏风率大幅减小，通风机有效通风距离大幅增长，一般可达10 km以上。如大伙房输水隧洞TBM1通风长度12.82 km，引汉济渭输水隧洞岭南TBM通风长度10.23 km，引黄工程联结段7#隧洞通风长度13.52 km，巴基斯坦NJ水电站引水隧洞通风长度10.52 km。

2 隧洞施工通风方式

水利工程输水隧洞通常为单洞，在同期工程中很少设置并行的两条隧洞，施工过程中很少能用到双洞或多洞情况下的巷道式通风方式，因此，在输水隧洞工程中，当隧洞长度较短，或隧洞虽长但浅埋、容易设置施工支洞实现“长洞短打”的情况下，一般利用自然洞口或支洞口，采用基本的通风方式就能满足通风要求。当隧洞既长又深埋、且不便设置施工支洞实现“长洞短打”的情况下，这就需要设置专门的辅助通风竖井或斜井，以实现长距离独头掘进情况下的通风要求。

2.1 隧洞基本通风方式

2.1.1 送风式

送风式的管路进风口设在洞外，出风口设在掌子面附近，在风机的作用下，新鲜空气从洞外经管路送到掌子面，稀释污染物，污浊空气则由隧洞排至洞外。

2.1.2 排风式

排风式分为负压排风式和正压排风式，管路的进风口设在掌子面附近，出风口设在洞外，在风机的作用下，新鲜空气从洞外经隧洞到达掌子面，污浊空气则直接由管路排至洞外。

2.1.3 混合式

混合式由送风式和排风式变换组合而成，可分为两大类型，一类为长排短送混合式，一类为长送短排混合式，每种类型根据长短风管正负压可变换成多种形式。

在风机的作用下，新鲜空气从洞外进入隧洞，流向送风机的入口并进入送风管路，经送风管路送到掌子面；污浊空气从掌子面由隧洞流向排风管路的入口，进入排风管路，经排风管排至洞外。

2.2 设置通风井条件下的通风方式

2.2.1 利用竖井自然排风

一般深埋隧洞四周岩温较高，通风竖井底部空气受地温影响而升温，井口和井底形成自然风压，空气自下而上形成自然风流，从而形成自然风由隧洞自然洞口流向通风竖井，此时可采用射流巷道式通风方式。该通风方式可分为两种形式：当隧洞较短且洞内采用污染较大的柴油机械运输时，送风机放置于隧洞自然洞口外，新风由送风管路直接送到掌子面，掌子面污浊空气及沿途污浊空气流向通风竖井，经竖井排出洞外。当隧洞很长且洞内采用污染较小的进口柴油机械或电瓶车运输时，可将送风机放置于洞内通风竖井的上风侧，这样可以缩短通风管路长度，这对于减少通风管路漏风量和风压等相当有意义。两种通风形式见图1。

这两种形式，均可在洞内增设射流风机，通过射流风机引射调整由洞口流向通风竖井的风量，若自然风流足够大，可关掉射流风机。

2.2.2 利用竖井机械送风或排风

图1 设通风竖井的射流巷道式通风示意图

当自然风由通风竖井流向隧洞自然洞口，或掌子面到通风竖井距离太长时，可采用从竖井向洞内送风的通风方式或正压排风混合式通风方式。当隧洞较短且洞内采用污染较大的柴油机械运输时，采用从竖井向洞内送风的通风方式，新风由通风竖井经风管直接送至掌子面，污浊空气从掌子面流向隧洞自然洞口，排至洞外。当隧洞很长且洞内采用污染较小的进口柴油机械或电瓶车运输时，采用正压排风混合式通风方式，新风由隧洞自然洞口向洞内流动，至送风机入口时，由送风管路送至掌子面，污浊空气从掌子面流向排风管路风机入口，进入排风管路，经通风竖井排出洞外。两种通风形式分别见图2、3。

图2 设通风竖井的送风式通风示意图

图3 设通风竖井的混合式通风示意图

2.2.3 高海拔隧洞的通风方式

通过送风式和排风式通风隧洞内风流的静压分析，送风式通风的风流在隧洞内的压力大于隧洞外自然环境，相当于将隧洞高程下降了一定海拔高度，排风式则完全相反，因此高海拔隧洞施工通风中宜优先选用送风式的通风方式。

另外，高海拔地表气温低，自然风压较大，可将通风机或进风口布置在背阴处，通风机的风流方向与自然风流方向在全年绝大多数时间内一致，增大自然风压也就相当于下降了海拔高度。

2.2.4 水工深埋长隧洞通风方式

对于水利工程中的深埋长隧洞，由于隧洞埋深大，设置施工支洞较困难，独头掘进长度较长，通常采用TBM掘进机进行施工。TBM施工通常采用连续皮带机出渣、机车进料或全部采用机车运输的方式，机车一般采用无污染的电瓶车或低污染的内燃机车牵引，这样对于洞径较大的隧洞，采用大管径风管，可不设置通风竖井或少设置通风竖井即可满足通风要求。通常当管片衬砌或一次支护后洞径大于6 m时，可采用直径2 m及以上风管，独头通风距离可超过10 km。比如大伙房输水隧洞TBM1、引汉济渭输水隧洞岭南TBM、吉林引松供水工程等，均采用2.2 m直径风管，独头通风长度均超过10 km。

对于洞径较小的隧洞，采用的通风管管径较小，受风管耐压限制，独头通风距离有限，这就需要设置通风竖井以满足通风要求，通风方式可采用将送风机置于通风竖井上风侧的射流巷道式通风方式或正压排风混合式通风方式，如图1（b）、3。

3 水利工程通风控制标准

水利、铁路、公路、煤矿、冶金等行业都对隧洞（道）施工环境中含氧量、工作面最小风速、CO浓度、人员和柴油设备需氧量等做出了规定，其数值差别不大。SL 303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》规定的隧洞通风主要参数：（1）人员需风量：0.05 m3/s，即3 m3/min。（2）千克炸药产生的有害气体折合成CO量：40 L/kg。（3）柴油机械需风量：4.08 m3/（min·kW）（4）钻爆法施工工作面最小风速为0.25 m/s；TBM施工最小风速为0.5 m/s。（5）洞室内平均温度不超过28℃。（6）当洞、井位于海拔1 000 m以上时，计算的通风量应乘以高程修正系数：施工人员所需风量修正系数为1.3～1.5；爆破散烟所需风量应除以高程修正系数：海拔高程修正系数为：0 m：1.0；1 000 m：0.90；1 500 m：0.85；2 000 m：0.81；使用柴油机械通风数为1.2～3.9，柴油机械通风量高程修正系数见图4。

图4 使用柴油机通风量高程修正系数

4 通风计算

隧洞施工通风计算主要考虑施工人员需风量、柴油机械需风量和最小风速等因素。下面结合深埋长隧洞TBM施工介绍通风计算。

4.1 需风量计算

施工人员需风量：

Qp=3kpN

柴油机械需风量：

Qd=∑3kePdi

允许最低风速所需风量：

Qv=Av

工作面需风量按上述计算最大值确定：

Qn=Max[Qp，Qd，Qv]

式中 Qp——隧洞内施工人员呼吸所需要的总风量，m3/min；

kp——施工人员所需风量修正系数，取1.3；

N——洞内最多施工人数；

Qd——柴油机械需风量，m3/min；

Pdi——工作面柴油机械功率，kW；

ke——柴油机械高程系数；

Qv——按允许最低风速计算的需风量，m3/min；

A——断面面积，m2；

v——允许最低风速，m/s。需要注意的是TBM施工运输若采用内燃机车，车辆数目随掘进长度逐步增加，通常工作面附近最大时有两列车，而整条隧洞内不只两列车。因内燃机车为移动柴油机械，故不能简单地作为工作面需风机械，因其尾气沿程排放，管道漏风对其有相同稀释作用。但风机供风量应满足各段柴油机械分布要求。

4.2 风机供风量和风压计算

风机供风量实际为管路漏风计算，计算公式较多，青函隧道理论采用百米漏风率平均值，便于测定，计算漏风量时考虑了沿程风量的变化，更接近实际，故采用青函隧道理进行漏风计算。

风机供风量：

式中 Qf——风机供风量，m3/min；

Qn——工作面需风量，m3/min；

P100——百米漏风率；

L—通风长度，m。

摩擦阻力：

式中 hf——摩擦阻力，Pa；

λ——摩擦系数；

d——通风管直径，m；

β——风管百米漏风率平均值；

L——风管长度，m；

Q0——风机工作点风量，m3/s。

局部阻力：

式中 hx——管部局部阻力，Pa；

v1——管路小断面处的风速，m/s；

ρ——空气密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系数。

风机全压（静压）：ht=hf+hx

5 通风设备选择

5.1 通风机

隧洞通风机有轴流风机和离心风机。因轴流风机风压低、风量大，串联方便，适合长距离通风，在隧洞施工通风中被广泛采用；离心风机使用较少。轴流风机通过串联可增加风压，通过并联可增加风量。多级轴流风机串联常采用两两对旋，对旋式风机相对于非对旋风机，具有损耗小，压力大、效率高的特点。

5.2 通风管

隧洞施工通风中常用的风管有软风管、硬风管和伸缩性风管。

软风管是用涂塑布制成，基布为涤纶、维纶等纺织物，质量小，漏风率低，拆装搬运方便，适合做大直径风管，只能用于正压通风。

硬风管一般为铁风管，通常采用法兰盘连接，也有玻璃风管、铝塑管、玻璃纤维塑料管，它们通常为板材在现场加工成型，可用于正压通风也可用于负压通风。

伸缩性风管通常为软风管加钢圈而成，主要用于负压通风，由于阻力较大，仅用于短距离通风。

拉链式软风管具有质量小，漏风率小，拆装搬运方便，适合于长隧洞的通风。输水隧洞施工通风均采用拉链式软风管，其中TBM软风管单节长度在300 m以上。

6 结语

（1）水利工程中高海拔深埋长隧洞通常采用设置辅助通风竖井的通风方式，并充分利用竖井上、下压差形成的自然风流，可减少风机供风量。

（2）通风计算时，需结合工程所处海拔和洞内运输方式，充分考虑海拔修正系数和柴油机械单位千瓦需风量，既要满足工作面的最大需风量，也要满足整条隧洞内所有柴油机械需风总量。

（3）通风距离较长时，通常选用多级对旋式轴流风机和拉链式软风管。