通风竖井在红石岩隧道中的应用

（中冶贵州建设投资发展有限公司，贵州 贵阳 550000）

一、工程概况

某工程位于广西和云南省境内，起于广西南宁市，终止于云南省昆明，正线全长710km。红石岩隧道位于云南省文山州广南县境内，红石岩隧道全长1.458万米，进口里程DK375+865，出口里程DK390+445。隧道内纵坡设置为“人”字坡，隧道洞身最大埋深约450m。隧道以可溶性碳酸盐岩为主，主要为灰岩、白云质灰岩及生物碎屑灰岩等，约占全隧75%，其余约3.4lkm为泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等，为Ⅰ级风险隧道。红石岩隧道辅助坑道方案为“3个横洞+横洞间平导+1个斜井”，均设计为无轨单车道+错车道运输，单车道内轮廓采用5.0m*6.0m（宽*高），错车道内轮廓采用7.5m*6.0m（宽*高），进口段预留泄水洞，长度为2515米，与平导顺接，断面尺寸2.5m*2.5m（宽*高）。平导设置于线路左侧，距离左线线路中线30m，全长9800m。1#横洞与隧道洞身交于DK378+300，与平导交于DK378+330，长度为1200m，位于线路右侧。2#横洞与平导交于DK388+130，长度为1445m，位于线路左侧。斜井与平导交于DK381+770长度为1568.24m，位于线路左侧。3#横洞与正洞交于DK390+310，全长244m，位于线路左侧。红石岩隧道于2010年9月开工建设，2016年12月通车运营。

根据指导性施工组织设计安排，红石岩隧道2#横洞施工任务最长，红石岩隧道正洞施工区间里程为DK383+662～DK388+090，总长度为4428m；平导施工区间里程为PDK388+130～PDK383+675，总长度为4455m。因横洞断面高度只有6米，不能匹配独头供风风管直径和行车安全总高度的要求，且距离过长风量损失过大，为了确保通风效率，拟将18#横通道向小里程方向平移30m（横通道由原来的设置里程：平导PDK386+380，正洞DK386+350改为平移后的里程：平导PDK386+350，正洞DK386+320）。通风竖井位置位于平导和正洞中间的横通道上，其中1#通风竖井中心里程为DK386+335，距主线中心15.0m,2#通风竖井中心里程为PDK386+339，距平导中心11.0m，两通风竖井间距为5.66m。

二、通风竖井位置选择

（一）竖井段落选择

竖井选择考虑在中间段落，前后误差500m以内，选择范围为DK386+106～DK387+106。

结合红石岩隧道DK386+080～DK387+310纵断面情况，竖井施工尽量选择在围岩级别较好的段落，即Ⅲ级围岩段落，可选择范围为DK386+290～DK386+390、DK386+490～DK386+850、DK386+950～DK387+106。

DK386+290～DK386+390竖井高度在100m～120m之间，DK386+490～DK386+850竖井高度在140m～176m之间，DK386+950～DK387+106竖井高度在140m～291m之间，从经济性角度考虑，竖井段落尽量选择在DK386+290～DK386+390。

经现场查勘，DK386+290～DK386+390段落中DK386+360处于冲沟中，为了避免受冲沟的影响，冲沟前后20m不考虑进行竖井施工，同时考虑到不同围岩级别搭接处可能存在破碎带，搭接处20m不考虑进行竖井施工，竖井段落选择在DK386+310～DK386+340。

（二）竖井与正洞、平导的关系

工程对隧道防水要求比较严格，竖井施工在正洞上方后期防水难以处理，且因竖井先于正洞施工，避免正洞施工到竖井位置时因意外事故而影响正洞正常掘进，同时考虑兼顾正洞、平导同时通风的原则，将竖井位置选择在正洞、平导之间，通过横通道与正洞、平导相通。

考虑到长距离通风送风困难，洞内废气排放同样困难，同时施工两个竖井，一个用于送风，另一个用于排烟。

统筹考虑各种因素后，选择将18#横通道向小里程方向平移30m（横通道由原来的设置里程：平导PDK386+380，正洞DK386+350改为平移后的里程：平导PDK386+350，正洞DK386+320）。通风竖井位置位于平导和正洞中间的横通道上，其中1#通风竖井中心里程为DK386+335，距主线中心15.0m,2#通风竖井中心里程为PDK386+339，距平导中心11.0m，两通风竖井间距为5.66m。

三、通风竖井净空断面与布置

通风竖井组成部分为井口锁口圈、井身、井壁、马头门等，上部通过锁口圈、井口通风建筑物（风塔）与新鲜空气连接，下部通过送排风联络风道与巷道、排烟入口连接。

风塔采用C20混凝土塔式结构，壁厚350mm。在塔侧设Φ20mm扶梯，施工时设预埋件，后焊接爬梯，其间距300mm；在距离排风口1.2m处沿风塔一周设工作平台，宽1.0m，栏杆扶手高1.2m，栏杆竖向埋筋间距300mm，平台支架用L75×75mm角钢，平台铺设3mm厚花纹钢板。

进风口、排风口的方向按当地区域风向主导风向布置，将进风口设置于靠正洞一侧，其高差控制在4m左右。

竖井井口设锁口圈，防止施工过程中雨水流入井口及渣土掉入井内。由于现场竖井口为原状土，为确保能够承受风塔荷载，锁口圈底应置于坚硬稳定的岩面层上或置于地基承载力不小于200MPa的地基上，且锁口圈应较竖井净空直径大60cm。

综合结构受力、施工难易程度及通风效率等方面，竖井断面以圆形断面最为合适，因此通风竖井断面采用圆形断面。竖井设计为2*Φ2.0m，其中一座为进风口，一座为排风口，两通风竖井间隔5.66m。

四、竖井贯通前后通风方式及通风参数计算

（一）通风参数计算

1.计算通风量

根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》（QCR9604-2015）要求，施工通风设计风量应分别按排除炮烟（）、洞内最大工作人数（ Q2= q km ）、最低风速要求（ Q3= 6 0VS）、瓦斯涌出量（）、稀释和排除内燃机械废气（）等因素计算，取最大值（）。

2.通风机供风量

Q供=PQ算

Q供—通风机供风量，m3/min。

P—漏风系数。

3.风机风压计算

根据《路桥施工计算手册》要求，风机供风压力必须大于风流受到的总阻力。

h摩—气流经过各种断面的管道时产生的摩擦阻力，Pa；

h局—气流经过断面变化，拐弯分岔等处分别产生的阻力，Pa；

h正—巷道通风时受运输车辆阻塞而产生阻力，Pa。

4.通风机选择

Q机≥1.1Q供（1.1为风量储备系数）

h机≥h总阻

（二）竖井通风风量计算

1.竖井贯通前通风计算

通风方式。竖井未贯通前，采用轴流风机进行压入式通风，因平导和正洞两个作业面同时施工，受横洞高度限制，无法采用两台通风机分别进行通风。为了满足通风需要，采用压入式接力通风，即在横洞与平导交叉处布置一个三通铁质风箱，通过横洞洞口轴流通风机将新鲜空气送入风箱，然后通过风箱用轴流风机将新鲜空气送至平导、正洞掌子面。

风量计算。

1）计算参数确定

a.单次开挖断面面积：S平导=35m2，S正洞=140m2；

b.一次爆破耗药量：考虑开挖进尺3m，平导炸药单耗0.9kg/m3，正洞炸药单耗0.6kg/m3，炮眼利用率90%，算得A平导=105kg，A正洞=280kg；

c.最大通风距离：L=1800m；

d.风量备用系数：k=1.1；

e.爆破后通风时间：t≤30min；

f.洞内同时工作的最大人数，m平导=20人，m正洞=50人；

g.洞内每人每分钟需要新鲜空气量，q=3m3/min；

h.1kg炸药折合成CO体积，b=40L/kg；

i.各内燃机功率，挖掘机取220kW，装载机取150kW，自卸汽车取180kW，输送泵取90kW，混凝土罐车取250kW；

j.同时工作柴油机设备利用率系数，挖掘机取0.65，装载机取0.65，自卸汽车取0.45，输送泵取0.5，混凝土罐车取0.5；

k.洞内允许最小风速：全断面开挖时V=0.15m/s，其他V=0.25m/s；

l.漏风系数，P100取1%，P=1.22；

n.风管直径，d平导、横洞=1.6m，d正洞=1.8m；

o.空气容重，γ=1.2kg/m3；

p.风管周长，U平导、横洞=5.024m，U正洞=5.652m；

q.风管面积，S平导、正洞=2.01m2，S正洞=2.54m2。

2）平导风量计算

h摩=2881Pa，因平导供风为直线，且为压入式通风，h局=0Pa,H正=0Pa，h机≥2881Pa。

3）正洞风量计算

h摩=3999Pa，因正洞供风存在转角，取ζ=0.5，h局=156Pa，因正洞为压入式通风,h正=0Pa，h机≥4155Pa。

风机选型。

为平衡平导和正洞的通风压力，两者尽量避免同时达到通风高峰，即将两个掌子面开挖时间错开。根据计算结果，结合侯马风机风量风压曲线表，选定风机型号、功率。平导轴流风机选用1台SDF（C）NO11.5型（风量1180m3/min～2300m3/min，风压730Pa～4650Pa，电机功率75*2KW），正洞风机选用1台SDF（B）NO13型（风量1700m3/min～3330m3/min，风压920Pa～5950Pa，电机功率132*2KW），横洞轴流风机选用1台SDF（B）NO14型（风量2121m3/min～4140m3/min，风压1090Pa～6900Pa，电机功率185*2KW）。

2.竖井贯通后通风方式

通风方式。该阶段利用平导、竖井，采用巷道式、压入式通风、竖井排烟综合通风方式，利用进风竖井、平导作为进风巷道，巷道利用风门进行封堵，在靠近正洞的第一个横通道处设置轴流风机，将巷道里的新鲜空气通过风机送至掌子面，圬风通过排烟竖井排出，为加快圬风排出速度，按500m处设置射流风机，保证空气质量良好。

风量计算

1）计算参数确定

a.最大通风距离：因采用巷道通风，L正洞=500m，考虑平导超前正洞500m，L平导=1000m；

b.漏风系数：P平导=1.11，P正洞=1.05。

2）平导风量计算

h摩=2385Pa，因平导供风为直线，且为压入式通风，h局=0Pa,H正=0Pa，h机≥2385Pa。

3）正洞风量计算

h摩=2963Pa，因正洞供风存在转角，取ζ1=ζ2=0.5，h局=232Pa，因正洞为压入式通风,h正=0Pa，h机≥3195Pa。

风机选型。根据计算结果，平导轴流风机选用1台SDF（C）NO11.5型（风量1180m3/min～2300m3/min，风压730Pa～4650Pa，电机功率75*2KW），正洞风机选用1台SDF（B）NO13型（风量1700m3/min～3330m3/min，风压920Pa～5950Pa，电机功率132*2KW），射流风机布置按照每500m、转角处布置一台的原则布设，平导中段布置一台，平导转正洞布置一台，正洞按500m直线距离布置，正洞转排烟竖井布置一台。

（三）巷道式通风风量计算

1.通风方式

利用轴流风机将新鲜空气从洞外运送至平导巷道中，利用风门将巷道进行封堵，在靠近正洞的第一个横通道处设置轴流风机，将巷道里的新鲜空气通过风机送至掌子面，圬风通过正洞从隧道出口排出，为加快圬风排出速度，在500m处设置射流风机，保证空气质量良好。

2.风量计算

巷道式通风和竖井贯通后平导、正洞掌子面需风量及风压计算一样，不同之处在于需要从洞口将风引入平导巷道，为平衡平导和正洞的通风压力，两者尽量避免同时达到通风高峰，即将两个掌子面开挖时间错开。

3.风机选型

全过程平导轴流风机选用1台SDF（C）NO11.5型（风量1180m3/min～2300m3/min，风压730Pa～4650Pa，电机功率75*2KW），正洞风机选用1台SDF（B）NO13型（风量1700m3/min～3330m3/min，风压920Pa～5950Pa，电机功率132*2KW），横洞轴流风机选用1台SDF（B）NO14型（风量2121m3/min～4140m3/min，风压1090Pa～6900Pa，电机功率185*2KW）。射流风机布置按照每500m、转角处布置一台的原则布设，平导中段布置一台，平导转正洞布置一台，正洞按500m直线距离布置，正洞转横洞布置1台，横洞按500m直线距离布置。

五、利用竖井通风后的效果

通风效果明显：采用竖井通风后，大大缩短了送风、排烟距离，风损降低明显，放炮后炮烟排出速度由30min降至15min以下。

经济效益显著：增加了两个竖井，深度约220m，每米单价按2000元,总费用约44万元。节约了1台185*2kW轴流风机用电量投入，竖井位置到隧道出口长约4km，节约射流风机（电机功率30kW）8台，工期约2年，电费按1元/度，（370+30*8）*2*1*12*2*24=70.3万元，射流风机考虑2万元/台，节约16万元，合计节约70.3-44+16=42.3万元。

施工环境大大改善：洞内空气质量明显好转，洞内温度下降约5℃，工效明显提升。

六、结语

红石岩隧道是难点工程，要确保全线通车运营，红石岩隧道按时贯通是关键。通过增加通风竖井，改善了洞内施工环境，确保了现场施工人员身心健康，加快了施工进度，同时节约了费用。