高海拔深埋长隧道施工通风技术研究

王政松， 陈智勇， 王忠勋， 李 军， 张纪强

(1.中铁二十三局集团有限公司，四川 成都 610072；2.中铁二十三局集团第一工程有限公司，山东 日照 276826)

隧道施工通风是保护作业人员健康与安全的重要措施，同时是影响施工进度和质量的关键因素。针对隧道施工通风问题，国内外学者从通风方式[1-3]、有害气体浓度[4, 5]、风管漏风率[6-8]、风机功率[9]、数学模型[10-12]等方面进行了深入研究，取得了一些成果，但对于高海拔地区隧道掌子面施工需风量的计算、风机选型以及通风方式研究较为鲜见。本文以大瑞铁路杉阳隧道进口段施工通风为依托，对高海拔深埋长隧道施工通风需风量、风机选型以及通风设计进行了分析研究。

1 工程概况

杉阳隧道位于大理白族自治州永平车站与杉阳车站之间，为单线铁路隧道。隧道正洞全长13 390 m，是全线重难点控制性工程之一。隧道位于澜沧江活动断裂带东侧，多次穿越高地应力，经历了5条褶皱、6条断裂(如图1所示)，使得岩层节理、裂隙发育，地质情况复杂多变。

图1 杉阳隧道纵断面断裂带分布[13]

隧道掌子面开挖揭示岩性为泥岩、页岩，呈薄层、片状构造，岩层挤压褶皱明显。围岩具有遇水易软化、泥化和膨胀等特点，自稳性极差，极易造成隧道初期支护大变形，施工安全风险系数高，预控难度大。此外，隧道处于云贵高原，山体海拔最高达2 500 m，隧道最大埋深1 015 m，洞内岩温最高可达42 °C，环境温度达37～39 °C，施工人员难以长时间带班作业，更换频繁，机械故障率高，施工环境艰难。

隧道正洞设计为单线小断面隧道，隧道断面如图2所示。临近正洞设置有“一斜井一平行导坑(简称平导)”的辅助坑道。斜井位于隧道中部，长度为600 m，洞身坡度为33%，用于改善施工通风和排水；平导位于线路左侧30～45 m处，全长13 408 m。隧道受地理地形限制，不具备再增开斜井、竖井的条件，只能采取隧道进口和出口单头掘进的施工方式，独头掘进长度超过6 000 m。由此可见，解决长距离通风排烟问题是保证作业人员安全和施工进度的重要因素。

图2 隧道正洞断面(单位：m)

2 高海拔隧道施工通风设计

2.1 海拔高度与施工环境参数的关系

由于海拔高度的变化，工程施工环境会发生明显改变,空气密度和含氧量值均随着海拔高度的增加而减少。在其他条件不变的情况下，高原地区的空气密度减少，同样的含氧量会导致气体体积的增加，因此需引进海拔高度修正系数。海拔高度修正系数与海拔高度的关系见式(1)[8]。

(1)

式中：ω为海拔修正系数；Z为海拔高度。

此外，海拔在1 100 m以内，海拔高度与大气压之间满足如下关系式[14]。

(2)

式中：P为海拔h处的大气压(kPa)；Z为海拔高度。

2.2 掌子面需风量计算

隧道施工采用无轨运输，受断面小和运输距离长的影响，施工通风对隧道施工速度起着重要作用。施工通风量应对洞内最多作业人数的需风量、排除和稀释内燃设备废气所需风量、稀释爆破后气体所需风量、稀释瓦斯气体所需风量进行计算，并取其最大值作为隧道施工作业的需风量；最后，按洞内允许最小风速进行验算[15]。

(1)洞内作业人员所需风量Q1：

Q1=k·n·q

(3)

式中：k为风量备用系数，k=1.2～1.4，本文取1.3；n为同一时间内洞内最多作业人员，取60；q为每人需要的新鲜空气量，取3 m3/min[16]。

(2)排除和稀释内燃设备废气所需风量Q2：

(4)

式中:α为单位功率内燃设备供风量，根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》取3 m3/(min·kW)；Ni为第i台内燃设备的额定功率,因隧道为单线小断面隧道，掌子面出渣时只能停放2台自卸车(1台为满载，功率按200 kW计；另1台为空车，功率按满载的80%计，即160 kW计)和1台装载机(功率162 kW)。

(3)稀释爆破产生气体所需风量Q3:

(5)

(6)

式中：t为爆破后通风时间，取15 min；G为爆破的炸药用量，取150 kg；A为隧道开挖断面面积，(m2)；L0为爆破后炮烟的扩散长度。

(4)隧道瓦斯涌出与所处岩层、岩石的渗透率、开挖深度、开挖方法等条件有关。隧道施工前，应对地质条件进行详勘；施工时，应结合超前地质预报或施工监测确定瓦斯含量，再采用通风的方式将瓦斯浓度稀释到规定值以下浓度。稀释瓦斯浓度所需风量Q4为：

(7)

式中：∂为瓦斯涌出量的不均衡系数；W为瓦斯绝对涌出量；m为工作面允许的瓦斯浓度；m0为送入风流中的瓦斯浓度。

(5)洞内允许最小风速条件下的风量Q5：

Q5=60·A·V

(8)

式中：V为洞内最小风速，取0.25 m/s。

根据以上公式可分别计算得到Q1=234 m3/min、Q2=1 566 m3/min、Q3=704 m3/min、Q4=0 m3/min、Q5=1 050 m3/min。由此可知掌子面需风量Q≥1 566 m3/min(max(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5)，为隧道施工中用于稀释爆破气体所需风量，且能满足洞内允许的最小风速要求。因此，隧道施工供风量由稀释爆破气体所需风量控制，稀释爆破气体所需风量可作为风管末端的出风量。

2.3 通风设备选型计算

通风设备的选择包括风机和风管(带)。首先根据上节计算所需风量，结合隧道断面尺寸和送风距离确定风管(带)类型和直径，然后计算风管(带)进风口的风量、通风阻力和风压等参数，最后确定风机规格型号。

通风风管(带)初步选择直径为1 500 mm的PVC涂覆布风带。该风带具有强度高、重量轻、使用寿命长、易于加工等特点。另外需要指出的是，如果选择的风管直径过小，会导致通风阻力过大，不能满足送风需要；如果选择的风管直径过大，又会造成浪费，且不利于施工组织。

风带进风口的风量Q0可根据风带的漏风系数μ和风带的使用长度L进行确定：

Q0=μQ

(9)

(10)

式中：β为百米风带的漏风率，取1.5%；L为最大通风距离；Q为风带出风口风量。

通风阻力包括沿程摩擦阻力、局部阻力和其他阻力。长距离通风过程中摩擦阻力为主要阻力，局部阻力和其他阻力一般取摩擦阻力的10%～20%[17]。

h=hf+h0

(11)

(12)

h0=0.15hf

(13)

式中：h为通风阻力；hf为摩擦阻力；h0为局部阻力和其他阻力；λ为风带摩擦系数，取0.002 N·s2/m4；L表示最大通风距离；Q0、Q分别表示风带进风口和出风口风量(m3/s)；U、A分别为风带周长和面积。

3 施工通风技术

杉阳隧道进口段平导和正洞计划开挖长度分别为6 585 m和6 485 m,考虑隧道长距离送风效率影响，采用四阶段送风方式。图3为隧道开挖不同距离的送风平面布置，其中第一、二阶段各包括两个送风工作面，第三阶段作业面为一个平导作业面和两个正洞作业面，第四阶段作业面为一个平导作业面和三个正洞作业面。

图3 隧道进口段平面布置

根据各段通风距离和作业面数量选择不同的通风方式，如表1所示。

表1 隧道施工四阶段通风划分及通风方式

根据公式(9)～公式(10)，可以计算获得隧道施工四个阶段的风带进风量及风阻值，如表2所示。表3为隧道施工四阶段轴流风机的选择及风机技术参数。每台风机最大转速为1 480 r/min，风机为变频轴流风机。

表2 隧道施工四阶段风带进风及风阻情况

表3 隧道施工四阶段风机选择及技术参数

3.1 第一阶段压入式通风

隧道在施工第一阶段，由于隧道各作业面距离隧道洞口的距离不超过1 000 m，施工通风采用风管压入式通风。主要将轴流风机安装在隧道洞口外30 m处，通过轴流风机将隧道外的新鲜空气压入至隧道作业面，污浊空气则通过气流的作用排出至洞外。另外，为保证正洞和平导作业面施工通风的需要和通风效率，在正洞和平导隧道洞外各设置一台2×75 kW的轴流风机，分别为正洞和平导作业面送风。图4为第一阶段压入式通风布置。

图4 第一阶段压入式通风

3.2 第二阶段巷道式通风

当隧道开挖超过1 000 m后，压入式通风沿程风阻较大，风压损失严重，污风排出缓慢。为此，利用横通道使正洞和平导组成巷道式通风，可实现一个完整的风流循环系统。平导作为新鲜风的进风巷道，正洞作为污风的出风巷道，平导和正洞掌子面通过最前的横通道连通，其余横通道全部封闭。此外，为加快污风的排除，在正洞设置3台射流风机接力抽排污浊空气，射流风机型号为SDS-II，风机功率为35 kW。该阶段巷道式通风布置如图5所示。

图5 第二阶段巷道式通风

3.3 第三阶段斜井+巷道式通风

为加快正洞施工进度，正洞通过超前平导和横通道作用新增加了一个作业面。因作业面的增加和隧道长距离通风效率难以保证等问题，洞口长距离送风方式无法满足隧道全部施工作业面的需风量。为此，在隧道中间位置设置了斜井，利用斜井进入新鲜风实现巷道式通风。图6为斜井巷道式通风布置。考虑正洞1施工进度较慢且前期距斜井的位置较远，正洞1作业面通风采用从正洞洞口送风，平导排污风的巷道式通风。其中，轴流风机后约200 m布置一台射流风机加快新鲜风风速；其他作业面采用斜井和风带将新鲜风送入掌子面，污风通过射流风机加快排出洞外。射流风机型号为SDS-II，风机功率为35 kW。

图6 第三阶段斜井+巷道式通风

3.4 第四阶段斜井+巷道射流式通风

新鲜风的进入方案：利用平导超前和横通道优势，开挖掌子面数量增加至4个，实现了隧道“长隧短打”施工方案。掌子面数量的增加致使洞内的通风系统需要做适当调整。利用射流风机将斜井的新鲜风引入平导，平导和横通道处设置轴流风机和风带实现压入式送新鲜风。

污风的排除方案：利用平行导坑的优势，采用射流风机将污风引入18#横通道，通过正洞排出污风，形成巷道式通风系统。其中，为避免污风进入平导，在17#横通道处需设置密封墙。

图7为第四阶段的通风布置，该阶段的通风效果为所有阶段中的最不利阶段。经过对正洞各工序含氧量测试结果表明：开挖阶段、出渣阶段、立架阶段的含氧量分别为18.7%、19.1%、19.6%，均符合安全操作标准的要求。此外为加快降尘和高地温，掌子面开挖后采用雾炮机喷雾降尘，冰块降低作业环境温度。

图7 第四阶段斜井+巷道射流式通风

4 结论

高原地区受低压、高寒、空气稀薄等不利因素影响，隧道及地下空间施工通风技术要求更高，施工通风难度更大。隧道施工通风问题直接影响作业人员的身心健康、施工进度和施工安全。本文依托杉阳隧道进口段工程实践，采用理论计算与现场施工相结合的方法，对高海拔深埋长隧道施工通风需风量、风机选型以及通风设计进行了研究。主要结论如下：

(1)高原地区因空气密度减少、气体体积的增加，隧道施工通风量计算时应采用海拔高度修正系数进行修正。

(2)通过对高海拔深埋长隧道各阶段施工里程和通风参数的计算分析，制定了不同开挖长度的隧道通风专项技术方案。

(3)通过对最不利送风阶段施工工序含氧量测试，验证了通风方案的通风效果，研究成果可为高海拔隧道施工通风提供参考和借鉴。