高地温隧道斜井施工正洞及迂回导坑通风降温系统研究及优化

钟 亚 王永伟 周 洋 林 佳

（中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

西双版纳隧道位于野象谷站～西双版纳站区间，在本标段起点里程是DK352+198，本标段内施工长度6532m，本隧均为双线隧道，左右线线间距为4.2～5.083m。隧道线路纵坡：隧道进口段为150m‰的平坡，其后依次为12‰（606m长）、17‰（8794m 长）、9‰（1000m 长）下坡，出口段为130m0‰的平坡，隧道洞身最大埋深620m。线路平面：除洞身DK348+050～DK348+970.404 段920.404m位于R-7000m 的右偏曲线上和DK357+877.963～DK358+730 段852.037m 位于R-5000m 的左偏曲线上外，其余均位于直线上。

2 储风室

西双版纳隧道2#斜井正洞为单洞双线隧道、开挖断面积较大、混合式送风距离较远、斜井坡度较大、采用无轨运输、除爆破炮烟外内燃机械作业和出碴机械作业产生大量烟尘。以上诸多因素要求施工通风提供的风量较大、克服的通风阻力也较大。

正洞内新增迂回导坑后，需要对原先通风系统进行改造，以满足正洞工作面及新增作业面供风需求。受施工条件限制只有2#斜井单个供风口，斜井段长1064m，小里程方向施工长度2552m，供风路径长，通风效果会明显变差。为保后期掌子面通风效果，前期采用压入接力通风方式，主要思路为：在斜井小里程方向DK354+146 处修建储风室，储风室尺寸为30m×4.5m×4.5m，风室内部采用I18型钢做横向、竖向支撑，I16 型钢做斜支撑，外部采用6mm 厚钢板密封焊接，风室进口端连接斜井洞口风机通风袋，出口端根据各掌子面计算需求风量安置4 台2×132kw 轴流风机，风室底部盛40cm 高水量，为了更好地解决各工作面高温情况，采取两种降低风室内空气温度措施，一是每日运送工业冰块放入储风室底部水中；二是在储风室进口端安设两台40 匹空调，这两种措施对风室内空气进行降温，然后输送至各工作面，确保输送至各工作面的空气温度低于洞内原有空气温度。

斜井洞口采用Ф1.8m 软式风管压入式通风，将新鲜冷空气沿风带输送至储风室内，风室出口端风机再次将新鲜空气分别输送至各施工作业面。现场施工时，可根据具体情况在适当位置配置射流风机，辅助通风、换气。

3 通风系统比选

西双版纳隧道2#斜井辅助坑道长1076m，辅助坑道与正洞交点里程为DK354+750，储风室位置为DK354+146，小里程现正洞掌子面计划施工975m，迂回导坑计划施工长度为1655m，小里程剩余工程量为1723m，迂回导坑增加各掌子面施工正洞总长度为748m。

3.1 通风系统一

3.1.1 风量计算

（1）小里程方向（洞口至储风室）风量计算：Q=VA×60=0.2×92.095×60（Q为工作面风量，m3/min；V 为最小风速，m/s；A 为隧道最大开挖面积，为92.095m2）。取以上计算方法计算单个工作面所需风量Q=92.095×0.2×60=1105.14m3/min。

在长管通风系统中，当确定风管（或掌心）末端的风量时，风扇的风量取决于系统的泄漏。百米风率在正常情况下控制在2%以内。此段最长通风距离为1680m，据此计算系统漏风系数P 为1.506。

因此，隧道通风要求风机的供风量不少于：Q需=PQ=1.506 ×1105.14=1664.34m3/min，即Q总需=3×Q需=4993.02m3/min。

系统风压计算：理论上在克服通风阻力后，通风系统在风管末端具有一定的动压力。压力、动压和静压之和就是系统所需的风压：H=Hd+Hs（H 为系统风压，Pa；Hd为系统动压，Pa；Hs为系统静压，Pa）。动压按下式计算：

式中，ρ-空气密度，取1.29kg/m3；V末-末端管口风管风速，取5.0m/s。

静压按下式计算：Hs=h+hf（h 为摩擦阻力，Pa；hf为局部阻力，hf=0.1h，Pa），其中：

式中，λ-管道摩阻系数；L-通风距离，m；D-通风管直径，m；V平-管内平均流速，m/s。

分别取λ=0.016；L=1680m；D=1.8m；V平=9.14m/s。经计算得：Hd=16.125Pa、h=804.65Pa、hf=80.47Pa、Hs=885.12Pa、H=901.25Pa。

（2）同上计算可得出：储风室至小里程掌子面Q1=1812.43m3/min；储风室至最远平导开正洞掌子面长度为1655+748=2403m，Q2=2127.72m3/min，本迂回导坑设计增加三个掌子面，按照最大风量计算，Q平总=3Q2=3×2127.72=6383.16m3/min。即出风口风量需求为Q出总=Q1+Q平总=8195.59m3/min。

3.1.2 各掌子面风机选型

由以上计算斜井洞口至储风室段可选择的通风机的最低技术参数为：Q进总=4993.02m3/min，H=901.25Pa。考虑隧道长度及系统风压，可选用1 台侯马鑫丰康型号为SDF（p2）-No18、转速990r/min、Q=2162～5100m3/min、H 风=950～5100Pa、功率为2×200kw 的风机通风，此风机提供最小风量Q进min=2162m3/min。

为了各掌子面通风得到最大保障，储风室出口端配备4 台2×132kw 轴流风机，每台风机风量Q=1695～3330m3/min，按照最小风量计算，4 台风机风量为Q1-4=6780m3/min，因Q提供min=Q1-4+Q进min=6780+2162=8942m3/min＞Q出总=Q1+Q平总=8195.59m3/min。故通风系统中配备1 台2×200kw、4 台2×132kw 轴流风机满足各掌子面供风要求。

3.2 通风方案二

3.2.1 风量计算

方案二设计从储风室引进一条通风道，经过横通道2#、3#、4#分别开口接入各横通道风机，其中按2#横通道占总风量的1/2，3#、4#横通道各占1/4 来计算。

（1）小里程方向（洞口至储风室）风量、储风室至原正洞掌子面的风量在方案一中已计算，方案二中不在计算。

（2）为了保证新增掌子面通风充分得到保障，新增各掌子面按照最后一个掌子面最大风量计算。储风室至最后一个掌子面风量计算：其中长度L=1723m。

Q=VA×60=0.2×92.095×60（Q 为工作面风量，m3/min；V 为最小风速，m/s；A 为隧道最大开挖面积，为92.095m2）。取以上计算方法计算单个工作面所需风量Q=1105.14m3/min。

在长管通风系统中，当确定风管（或掌心）末端的风量时，风机的风量取决于系统的泄漏系数。正常情况下100m 风速控制在2%以内。此段最长通风距离为1723m，据此计算系统漏风系数P=1.53。

因此，储风室至最后一个掌子面轴流风机供风量需：Q拱min=PQ=1690.86m3/min。

系统风压计算：理论上在克服通风阻力后，通风系统在风管末端具有一定的动压力。克服的阻力取决于系统的静压力，动压与静压之和即为系统需供风压：Hs=h+hf。动压按下式计算：

静压按下式计算：Hs=h+hf，其中：

分别取λ=0.016；L=1145m；D=1.8m；V 平=9.14m/s。经计算得：Hd=16.125Pa、h=825.25Pa、hf=82.53Pa、Hs=907.78Pa、H=923.91Pa、Q需min=1690.86m3/min。

方案二设计中，2#、3#、4#横通道各安置一台轴流风机，从风室引入的通风带主要目的是降低温度，其中Q2#-风室=1690.86×1/2=845.43m3/min，Q3#-风室=Q4#-风室=422.7m3/min，每个横通道新开掌子面的需风量按照最后一个掌子面供给，即各掌子面实际供风：Q2#实=1690.86+845.43=2536.29＞Q需min=1690.86m3/min，Q3#实=Q4#实=422.7+1690.86=2113.56＞Q需min=1690.86m3/min。

3.2.2 各掌子面风机选型

由以上计算可知选择的通风机的最低技术参数为：Q2#实=2536.29m3/min，Q3#=Q4#=422.7+1690.86=2113.56m3/min，H=923.91Pa。考虑隧道长度及系统风压，可选用1 台侯马鑫丰康型号为SDF（p2）-No10、转速1480r/min、Q=1695～3330m³/min、H 风=1276～7172Pa、功率为2×132kW 的风机通风。

通过方案一、方案二横通道风机安设位置不同，计算新增各工作面需求风量不同，方案二中比方案一种计算需求风量小：（1）风机型号不变，最大供风量不变，计算需求风量越小，供风距离就会越长，更适合特长隧道施工供风；（2）由于方案一种在储风室进口端安置三台轴流风机，每台风机安装1.5m 软风管通往各新增掌子面，由于迂回导坑净空较小，同时引入三个风袋会对后续运碴作业造成阻碍影响，纵上相比方案二更适合现场施工。

4 通风系统优化后温度及进度

以12月份为界，分别统计通风系统优化后关键线路掌子面温度计进度，统计结果表明：通风系统比选优化后各工作面的温度明显降低，相应工效大幅度提升，其中2#斜井小里程通风系统更换优化后月均进度提升57%，迂回导坑月均进度提升72%。因此在高地温长隧道内施工，良好的通风系统显的尤为重要。

5 结束语

以上给出了单洞双线隧道正洞、斜井及迂回导坑通风降温方案，对原通风系统进行了优化，为下一步更深入研究做了铺垫。随着经济的发展，铁路特长隧道逐步增多，对通风技术上的要求将会越来越高。单种通风模式已不能满足现场高效施工要求，如何优化出更合理、更经济的方案等还需要继续深入广泛研究。