通风节能技术之分离式公路隧道巷道式通风技术研究

陈进明

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

长大隧洞施工中，通风问题一直是制约施工进展的重大难题［1］。但目前施工单位普遍对通风问题重视不足，通风技术长期停滞不前，多采用经验类比法，通风方案选择没有进行理性分析。

在“平导＋正洞”的铁路隧道施工中，常规通风方案一般为巷道式［2］。但在公路隧道施工现场，仍较多采用压入式通风。而采用巷道式通风，既可以提高隧道内空气质量，改善洞内运输条件，还能大幅降低通风成本。

2 通风技术与节能的思考

2.1 通风成本因素

通风成本主要分为4个方面：风机购置成本、风管购置成本、电费投入及通风管理。对长隧道而言，因施工期较长，各类通风成本中，电费投入为最大部分，一般占比在80%以上，其余3项支出约在20%以内［3］。因此，降低风机的总装机功率，对施工企业将带来巨大的经济效益。

2.2 降低风机功率的思路

根据风机功率计算公式［4］W＝QHK/（60η），风机工作效率η及功率储备系数K均为常数，变数为风机供风量Q和工作风压H。无论是降低风机的供风量Q还是工作风压H，均能达到降低风机功率的目的。

风管沿程阻力［5］hf＝a·L·U·Q2/S3，局部阻力 hx＝0.612εQ2/S2，总阻力 H＝hx＋hf。根据以上公式，除摩擦阻力系数a＝0.002 N·s2/m4为常数外，无论缩短供风段落长度L，还是降低风道流量Q或增加风管直径使风管面积S增加，均可达到降低摩擦阻力hf并最终降低工作风压H的目的。

风管百米漏风率［6］则其漏风系数风机供风量Qm＝PL·Q。根据以上公式，在工作面需求风量Q一定时，降低管道漏风系数PL是降低风机供风量Qm的唯一办法，但通过降低百米漏风率P100或缩短供风段落长度L，也可达到降低管道漏风系数PL的目的。

2.3 降低风机功率的方法

（1）在隧道净空尺寸允许的情况下，尽可能选择大直径风管。

（2）采用巷道式通风或洞内接力等措施，将长距离通风变为逐级供风，缩短单级供风段落长度。

（3）选用优质供风风管，降低漏风率。

（4）加强通风管理，破损的风管及时更换。

3 背景案例简介

平天高速公路关山隧道（K79＋826～K84＋396.944）为分离式双车道断面，出口段作业长度4 570 m，合同工期3年。洞内每700 m左右设有车行、人行通道可供利用。

郑西高速公路伏牛山隧道（K82＋363～K91＋546）为分离式双车道断面，全长9183m，合同工期3年。隧道共设置车行横洞11处，人行车行横洞23处；在K84＋918.3处设置1#通风斜井，在K88＋425.5处设置2#送风斜井，在K88＋462.7处设置3#排风斜井，施工时作为施工辅助通道使用。

以上案例隧道均采用钻爆开挖，无轨运输。

4 通风设计

4.1 设计参数

正洞最大开挖面积A＝82 m2，爆破深度4 m；岩石炸药用量0.9 kg/m3；排烟通风时间t＝20min；风管百米漏风率P100＝1.5%；自卸车洞内车速12 km/h，柴油机用风指标［7］4.5 m3/min·kW。

4.2 工作面风量计算

（1）按洞内作业人数计算

人均新鲜空气需求［7］q＝3 m3/min，同时工作人数m＝90人。则Q1＝m·q＝90×3＝270 m3/min。

（2）按最低允许风速计算

υ≥0.15 m/s［7］，则 Q2＝60·υ·A＝60×0.15×82＝738 m3/min。

（3）按最多炸药用量计算

一次爆破炸药用量G＝0.9×（82×4）＝295 kg，则炮烟抛掷长度L0＝15＋G/5＝15＋295/5＝74 m。但实际应用时，考虑到通风区段要满足掌子面到二衬区间的通风需求，取L0＝100 m。工作面新鲜风量［8］需求为：

工作面设计风量取值Q＝1 100 m3/min。

4.3 工作面风量计算及风机选型

拟对压入式、巷道式方案比选后择优选用。不同通风方式中，各部位通风设计距离见表1、表2。

表1 关山隧道通风设计距离

采用24 t红岩自卸车（功率225 kW）出渣、ZL50型装载机（功率150 kW）装渣。重车负荷率为0.8，空车负荷率0.3，装载机负荷率0.7，设备利用率0.8［1］。装渣循环时间 Δt＝6 min/车，按及 Q＝4.5计算各施工部位机械布置及供风量，见表3。

表2 伏牛山隧道通风设计距离

表3 各部位机械布置及供风量计算

经计算，各段漏风系数见表4，风机风量选择见表5。

表4 漏风系数计算值

表5 不同工况下的风机供风量计算

根据规范［9］，风管设计风速宜为 6～14 m/s，掌子面需求风量Q＝1 100 m3/min，推算风管直径d≈＝1.3～2 m，实际选用值见表6。

采用 hf＝a·L·U·Q2/S3、hx＝0.612εQ2/S2及h＝hf＋hx，计算各通风段沿程阻力及局部损失，见表6。

式中，h为总阻力，Pa；a为摩擦阻力系数，取值0.002 N·s2/m4；L为供风长度，m；U为风管周长，m；Q为风道流量，m3/s；S为风管面积，m2；hx为局部阻力，Pa；hf为摩擦阻力，Pa。

表6 不同工况下的风压损失计算结果

根据 W＝QHK/（60η）［5］，可得各方案风机需求功率及各作业面风机型号，见表7、表8。

表7 关山隧道不同工况下的风机配置（含左右幅）

5 通风布置

常规方案一般在洞口布置1台风机，直接向掌子面压入式通风［10］。考虑2个案例隧道施工周期较长，以及伏牛山隧道作业面多的特点，电能消耗是通风中首要考虑的问题，故关山隧道及伏牛山隧道1#斜井设计了单独压入式（伏牛山隧道1#斜井增加接力式）和巷道式方案予以比较，择优选用，伏牛山隧道2#、3#斜井直接选用巷道式通风方案。

表8 伏牛山隧道各施工作业面风机配置（含左右幅）

5.1 关山隧道

5.1.1 方案Ⅰ：全隧道压入式通风

左、右洞洞口外30 m处各安装1台4×110 kW轴流风机，直接向掌子面压入通风，通风距离4 600 m，通风布置见图1。该方案中，风管直径均为1.8 m，主风机1、2功率均为440 kW，设计风量4 000 m3/min，全压5 000 Pa。

图1 全隧道压入式通风系统布置

5.1.2 方案Ⅱ：压入式通风结合巷道式通风

该方案分两阶段实施。第一阶段，在前期2 100～2 400 m掘进时，通风布置与图1同，左、右洞各安装1台轴流风机，直接向掌子面压入通风。

第二阶段，在完成2 100～2 500 m掘进后，改用巷道式通风，如图2所示。左洞作为新鲜空气通道，洞外风机移至K82＋420车行横洞处，1台55 kW轴流风机直接向左洞掌子面供风，另1台55 kW轴流风机通过车行横洞向右洞供风。同时，利用K82＋420处车行通道将左洞出渣通道改至右洞，并封闭其余人行横洞及车行横洞，在K82＋430处设置1台20 kW射流风机，引导左洞污浊空气流向右洞方向。该方案中，最大通风距离2 600m，风管直径均为1.8m，主风机1、2功率均为90 kW，风量2 400 m3/min，全压2 000 Pa。

图2 第二阶段洞内巷道式通风系统布置

5.1.3 方案Ⅲ：分阶段洞内巷道式通风

洞内车行横洞间距约为700 m，考虑到每次完成前方车行横洞施工后，将风机前移至该车行横洞靠洞口方向。1台2×55 kW轴流风机直接向左洞掌子面供风，另1台2×55 kW轴流风机通过车行横洞向右洞供风，该车行通道同时作为左洞出渣通道，最大通风距离按1 000 m考虑。右洞设1台20 kW射流风机，引导污风方向，已施工段横洞予以封闭，防止形成小循环。通风方案布置方式与图2相同。该方案中，风管直径均为1.8 m，主风机1、2功率均为55 kW，风量2 400m3/min，全压1 200 Pa。

5.2 伏牛山隧道

伏牛山隧道进、出口通风方案与关山隧道相同，主要阐述其1#斜井、2#斜井、3#斜井通风方案。

5.2.1 1#斜井通风方案

（1）方案Ⅰ：压入式通风

1#斜井小里程方向仅掘进100 m，可利用斜井段通风解决，压入式通风只考虑大里程段。在斜井洞口30 m外设2台轴流风机，直接向2个掌子面压入通风，风管直径1.8 m。主风机1为2×110 kW三级对旋式轴流风机，最大通风距离3 600 m，前1 800 m施工段（含斜井1 226m，正洞约5 00m），低档（55 kW）供风，风量2 400 m3/min，全压1 200 Pa；1 800～2 400 m段，中档（2×55 kW）供风，风量2 400 m3/min，全压2 000 Pa；掘进超过2 400 m后，高档（2×110 kW）供风，风量 3 000 m3/min，全压3 200 Pa。通风布置见图3。

图3 1#斜井压入式通风系统布置

（2）方案Ⅱ：接力式通风

交汇段顶部利用彩钢瓦封闭作为蓄风房；斜井洞口30 m外设2台轴流风机，通过2条直径2 m风管向蓄风房供风；再通过蓄风房内的2台轴流风机和直径1.8 m风管分别向大里程2个掌子面接力续风。主风机1为单级轴流风机，最大通风距离1 300 m，功率75 kW，风量3 000m3/min，全压1 200 Pa；主风机2为单级轴流风机，最大通风距离2 400 m，功率47 kW，风量2 000m3/min，全压1 300 Pa。斜井设1～3台20 kW射流风机组引导污风方向，根据需要开启，防止因掘进深度不同引起的风压不均衡。通风布置见图4。

图4 1#斜井接力式通风系统布置

（3）方案Ⅲ：巷道式通风

左、右洞间横通道予以封闭，将右洞作为蓄风房；斜井洞口30m外设2台轴流风机，通过2条直径2m风管向蓄风房供风；每个车行横洞施工后，将风机安装在车行横洞靠交汇段侧，1台风机直接向右洞掌子面供风，另1台风机通过车行横洞向左洞供风，风管通过的车行通道作为右洞出渣通道，最大通风距离考虑1 000 m，风管直径1.8 m。左洞及斜井共设2台20 kW射流风机，引导污风方向，已施工段车行横洞均予以封闭。通风布置见图5。该方案中，主风机1功率75 kW，风量3 000m3/min，全压1 200 Pa；主风2功率37 kW，风量2 000 m3/min，全压800 Pa。

图5 1#斜井巷道式通风系统布置

5.2.2 2#、3#斜井通风方案

3#斜井及左洞作为进风通道，2#斜井及右洞作为污风及出渣通道。在左洞2#斜井与3#斜井间，安装1台单级轴流风机，直接向左洞掌子面供风（右洞较短不考虑），最大供风距离500 m。大里程施工时，随着大里程横通道的打开，在左洞每个横通道靠交汇段方向，设2台单级轴流风机，1台直接向左洞掌子面供风，另1台通过横通道向右洞掌子面供风，最大供风距离按1 000 m考虑。通过设置在右洞及2#、3#斜井的4台20 kW射流风机，引导新鲜空气自3#斜井进入，污风自2#斜井流出，见图6。该方案中，风管直径均为1.8 m，主风机1、2功率55 kW，风量 2 400 m3/min，全压 1 000 Pa。

图6 2#、3#斜井巷道式通风系统布置

6 经济效益分析

各方案经济指标如表9所示。

表9 各比选方案经济指标

从表9可知，选用巷道式通风，经济性远高于压入式和接力式。

7 结束语

通过研究，得出通风节能技术的具体措施，并在关山隧道、伏牛山隧道选用了3种不同类型的巷道式通风技术。该技术与传统的独头压入式通风相比，具有显著优点：一是洞内小功率风机替代了洞口大功率风机，大幅降低了风机功率，节约了长距离通风的电能消耗；二是降低了通风距离，使得风管漏风量大幅降低，显著改善了作业环境，进而可缩短通风时间，利于提高工效，加快进度；三是在降低风机功率的同时缩短了风管长度，降低了通风系统采购成本。