高速公路特长隧道施工通风设计研究

邱飞

（中铁二十局集团第四工程有限公司，山东青岛 266061）

0 引言

近年来，我国高速公路建设里程日益增加，高速公路建设环境越发复杂，特长隧道施工也逐步出现。在高速公路特长隧道施工中，通风困难问题较为突出，这不仅会影响隧道施工作业的顺利进行，也会威胁施工人员的人身安全。因此，有必要深入研究高速公路特长隧道施工通风设计。

1 高速公路特长隧道施工项目概述

十巫高速公路红岩1#特长隧道施工项目为分离式独立双洞结构，长度大于3000m，右线隧道（YK42+685—YK46+645）全长3960m，左线隧道（ZK42+690—ZK46+625）全长3935m。左线隧道、右线隧道之间的净距离为27.5m，单洞宽、高分别为12.75m、8m，每端进洞长度2000m，标准横断面面积为106.12m2。

2 高速公路特长隧道施工通风设计原则

2.1 优选大直径风管

管内风速是选择风管直径的依据。开展高速公路特长隧道施工通风设计时，应在断面许可的前提下优选大直径风管，并增加每一节风管的长度，压缩风管接头数量[1]。

2.2 严控通风机位置

通风机距洞口的距离是控制污风循环的关键。在高速公路特长隧道施工通风设计方面，应保证洞口压入式通风机与洞口之间的距离大于等于30m，从源头杜绝污风循环。

2.3 降低风量损失

风量损失是影响通风技术经济性的主要因素。在高速公路特长隧道施工通风设计环节，应平整、紧密、竖直、稳固、平顺吊挂风管，保证风管末端与工作面的距离小于15m，以有效降低风量损失。

3 高速公路特长隧道施工通风设计

3.1 通风量计算

通风量计算是高速公路特长隧道施工通风设计的前提，技术人员需要综合考量隧道内同时工作最多人数、隧道内规定最小风速、隧道内所用内燃机械数量、一次爆破最多炸药量等因素。比如，按照红岩1#隧道正洞内同一时刻作业最多人数计算，每人新鲜空气供给量为3m3/min；同时依据爆破40min 内工作面有害气体冲淡（或排除）至设计浓度，单位炸药爆破折合一氧化碳气体40L/kg；洞内柴油机械运行时风量为4.5m3/kW·min，风管漏风率均值小于1%/100m，工作面周边最小风速大于0.25m/min，最大风速小于6m/min，供风量大于等于需风量的1.5 倍。

因十巫高速公路红岩1#特长隧道工程路线较长，可以选择机械通风方式。压入式机械通风具有风筒出口风速大、有效射程远、排烟能力强、工作面通风时间短、成本低等优点，可以应用于特长隧道通风。通风方式确定为压入式后，左线隧道正洞、右线隧道正洞独立配置一套通风设备。此时，仅考虑作业人员，理论风量为作业面每一作业人员供风量（3m3/min）、同一时刻作业面最多人数（60 人）、风量备用系数（1.25）的乘积。

单纯考虑开挖面爆破排烟（规定时间内将每千克炸药所产生的有害气体稀释至允许浓度以下所需的最小风量），需风量与同时爆破炸药量（130kg）、通风时间（40min）、风量备用系数（1.25）有较大关系，将已有数据代入公式（1），即可得出开挖面爆破排烟需风量（Q）[2]。

式（1）中：Q 为开挖面爆破排烟需风量，m3/min；Y 为相邻孔眼间隔，5m/孔；W 为爆破长度，6m；U 为一工作日内硫化氢浓度，10mg/m3；I 为同时爆破炸药量，130kg；J 为风量备用系数，1.25；n 为单位炸药爆破折合一氧化碳气体，40L/kg；m 为同一时刻作业面最多人数，60 人。

单纯考虑内燃设备总功率，对“开挖+运渣”“开挖+浇筑混凝土”两种工况进行分析。在“开挖+运渣”工况下，需统计装载机ZL50（1 台）、挖掘机（1台）、自卸车（2 辆）的总功率，其中装载机的总功率为121.5kW，挖掘机的总功率为93.75kW，自卸车的总功率为319.5kW，合计534.75kW；在“开挖+浇筑混凝土”工况下，需统计装载机ZL50（1 台）、挖掘机（1台）、混凝土运输车（2 辆）的总功率，其中混凝土运输车总功率322.5kW，合计537.75kW，在内燃机械单位功率供风量不变时，总供风量约2419.88m3/min。

单纯考虑排风最低风速，最大风量为洞内允许最小风速（0.25m/min）与隧道最大开挖断面面积（145.71m2）的乘积，即36.4275m3/min。

总的来说，理论最大通风量为上述结果的最大值，约2419.88m3/min。因实际通风时漏风问题无法避免，实际供风量为理论需风量（约2419.88m3/min）、漏风系数（1.286）的乘积，即3111.96568m3/min。

3.2 风压设计

根据隧道圆形等截面直管的特点，在不考虑局部阻力的情况下，结合《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02—2014）关于管道内风压损失的计算公式，进行风压计算，风压损失△P 为：

式（2）中：λ为摩擦阻力系数，0.0138NS2/m4；L 为风管长度，2500m；ρ为计算点夏季空气密度，1.2kg/m3；v为管内风速（实际供风量除以隧道最大开挖断面面积），14.49m/min；D 为风管直径，1.8m。代入上述数值可计算出风压损失约为5420Pa，而通风系统风压应大于风压损失与测试断面平均风压修正系数（1.1）的乘积（5962Pa）。

3.3 通风设备布置

3.3.1 型号选择

根据隧道风压与风量要求，采用长管路独立端头压入式通风方案，从洞外出发，经长风管将新鲜风输送到工作面，被污染风则经隧道排出[3]。根据工程现有洞口应当承担的施工作业内容，在通风量一定的情况下，根据压入式通风情况，配备φ1800mm 钢丝软风带、φ1800mm 普通软风带。同时配置2 台SDF（B）-2-NO.14 轴流风机（160kW），两者串联，由出口排出污浊空气，最大风量达4116m3/min，最大风压达6860Pa，可以满足施工区间供风要求。

此外，为了在短时间内排除特长隧道炮眼，在布置机械压入式通风机械的基础上，还可以辅助设置通风装置，即利用压缩风经喷嘴以一个较高的速度喷射流体（或由高压水管做成的简易水引射器喷射的高压水），不断将周边静止空气卷吸入射流，使射流的断面不断扩大，流速不断降低，流量则沿程增加。与此同时，由于静止空气掺入，发生动量交换，会产生阻滞作用，抑制射流边界流线，经一定距离后整个射流会变为紊动射流，加快特长隧道风流速度，强化通风效果。

3.3.2 设备布置

在隧道施工期间，由于进口、出口工区的施工作业均为独头掘进方式，所以需要合理划分通风阶段，合理布置机械通风方案。在隧道作业独立端头掘进长度小于300m 时，φ1800mm 钢丝软风带、φ1800mm普通软风带分别位于风机接口200m 内、风机接口200m 外，同时在左线隧道正洞每端管道起点、距离管道起点1000m 位置分别安装1 台SDF（B）-2-NO.14轴流风机（160kW），串联轴流风机，完成压入式机械通风布置，由长管路独立端头压入式通风，经洞口回风[4]。在这个基础上，根据新鲜空气供应需求，在洞外安装风机，风机与隧道正洞口相距10m 左右。确定风机位置后，提前通过混凝土浇筑的方式，设置通风机底座，底座高度为0.5m，利用螺杆牢固连接通风机与底座，并在通风机、配电柜上方搭设护栏、雨棚，避免雨淋受潮引发意外事故。

在隧道作业独立端头掘进长度达到或超过300m时，应将压入式通风机移动到隧道正洞内，距离隧道正洞口方向一侧横通道20m 及以上，经通风管向工作面压入通风，污浊风流经横通道向隧道正洞排放，最终经隧道正洞向洞外排放。同时在通道内设置局扇，加快隧道正洞内污浊风流流动速度，直到通道与隧道正洞完全贯穿。贯穿后，将SDF（B）-2-NO.14 轴流风机（160kW）设置到隧道正洞，其他通道两端封闭或设 置 风 门[5]。另 外，将2 台SDF（B）-2-NO.14 轴 流 风机（160kW）分别设置在距离隧道正洞口300m、1000m的位置，加速污浊风流排放。

在施工隧道正洞大小里程超过300m 小于1500m时，布 置2 台 串 联 的SDF（B）-2-NO.14 轴 流 风 机（160kW），同时将防爆型射流风机布置在斜井与正洞交汇位置（防爆型射流风机功率为60kW，可以消除涡流现象，满足隧道正洞对风速的要求）。在通道与隧道正洞贯穿后，将隧道正洞通风机移动到横向通道内，经风筒向隧道正洞工作面压入式通风，污浊风流向通过隧道正洞排出洞外。同时，在横向通道、正洞之间设置风门，风门位于SDF（B）-2-NO.14 轴流风机（160kW）前，以避免横向通道内的污浊风流形成涡流。

在施工隧道正洞大小里程超过1500m 时，风机安装完毕后，选择距离地面1.5m 高的位置悬挂风筒，风筒悬挂前需打设孔眼，相邻孔眼间隔5m，打孔完毕后，在孔眼位置安装锚杆并布置φ6mm 钢筋，借助紧线器完成钢筋张拉，拉线要稳定、牢固，以平顺悬挂风管，并利用铁丝将风筒与风机牢固绑扎。风筒与SDF（B）-2-NO.14 轴流风机（160kW）串联相接通风，在隧道正洞与斜井交汇位置安装若干台防爆型射流风机，相邻风机之间间隔1000m。

3.4 设备检测验收

通风设备安装完毕后，需要将隧道断面划分为若干个风速检测单元，利用风速表进行风速检测[6]。在测风地点温度与二氧化碳浓度一定的情况下，将风速表的指针、秒表归零，将风速表正对风流（专业检测人员需手持风速表，手臂向正前方伸直，确保风速表与风流方向垂直）。风速表空转30s 后，开启风速表和秒表开关，在60s 内根据测量线路均匀移动风速表，结束后关闭风速表、秒表开关并读出表速。同一断面位置测风频次应大于等于3 次，每次结果的误差应小于等于5%。最终平均风速为测试断面平均风速、修正系数（1.14）的乘积，通过风量为隧道断面面积与平均风速的乘积。之后则可根据计算结果对通风设备进行调试，确保通风设备的通风量与设计要求相符。

除测量风速、通风量外，还需要检测隧道正洞内的有毒有害物质，包括一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮、硫化氢、碳氧化合物、粉尘等[7]。其中一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮短时间（15min）接触容许浓度分别为30mg/m3、10mg/m3、10mg/m3；8h 内平均接触容许浓度分别为5mg/m3、5mg/m3、15mg/m3。粉尘浓度应小于1.5mg/m3，一工作日内硫化氢浓度应小于等于10mg/m3。在有毒有害物质检测方面，可根据《工作场所空气有毒物质测定 第37 部分：一氧化碳和二氧化碳》（GBZ/T 300.37—2017）、《工作场所空气中粉尘测定 第4 部分：游离二氧化硅含量》（GBZ/T 192.4—2007）及其他规范展开相关工作，并根据测试结果调整通风设备参数，如利用多反边接头法代替柔性风筒接头法，解决风筒漏风问题，确保通风效果。

4 结语

综上所述，特长隧道内不可避免地会含有一定量的粉尘、机械尾气，加之混凝土水化反应会大量放热，且通风性较差，施工过程中容易对作业人员的身体产生一定的危害。因此，施工团队应结合高速公路特长隧道作业环境，采用合理的通风技术，打造安全且卫生的施工环境，为作业人员的职业健康提供保障。