高原隧道通风设计及优化技术研究

文／陈世茂 中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司 福建福州 350011

1.工程概况

1.1 基本概况

某高原隧道中间段站前工程CZXZZQ-14B 标三分部承建某高原隧道进口起讫里程D2K805+098 ～D2K80 9+000，隧道为单洞双线隧道，全长3902m，设计时速200km/h。隧道线路纵坡为人字坡，隧道进口D2K805+098 轨面高程4145.26m，D2K809+000 轨面标高4153.4m。

1.2 水文地质特征

隧址区地表水主要为山间沟水及河水，受降雨及冰雪消融补给，山间河水为常年性流水冲沟旱季干涸，雨后涨水，为季节性流水。地表水受降雨控制明显，雨季流量大，枯水季节水量小或干涸。某高原隧道地下水主要分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水及断裂破碎带孔隙裂隙水四种类型。

2.施工通风

2.1 通风除尘总体方案

（1）针对该工作面的工程特点，施工通风方式采用压入式通风。根据该作业面超长独头掘进的特点，选用适合高原的大风量大功率轴流通风机和不易破损、漏风率低的风筒[1]。

（2）采用环境一体化智能监测管控系统，通风智能联控。

（3）加强现场通风管理，设立通风小组，分工明确，奖罚严格兑现。

（4）设专职维修工，定期对通风管路、风机运行状态进行检查、维护，及时排除机械故障，确保施工期间高效运转。

（5）采用先进、环保的机械设备，降低废气排放。

（6）采用水压爆破方式降低爆破粉尘。

（7）使用除尘净化设备和喷雾洒水快速净化空气，在隧道爆破后，及时降尘。

2.2 隧道施工主要污染源和通风设计标准

2.2.1 隧道施工中的主要污染源

（1）爆破产生的炮烟，主要成份为CO、S02、C02、NO 等；

（2）柴油机产生的废气。柴油机产生的有害物质为：CO、SO2、N02、NO 等，但主要是CO、SO2、NO；

（3）围岩中释放的有害气体，如甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、硫化氢(H2S)等，其中甲烷气体易燃易爆；

（4）其他污染，作业人员的呼吸产生的CO2，锚喷支护形成大量的水泥污染。

2.2.2 总体通风标准

隧道施工作业环境应符合国家有关规定，并应满足下列卫生及安全标准的规定。

2.2.3 设计通风标准

隧道施工通风系统应提供满足通风要求及相关规范要求的各相应工况的需风量，并使洞内作业卫生条件满足相关规范要求。隧道中可能含有瓦斯等有害气体，应加强施工通风，同时施工中应加强隧道内有害气体检测，特别应加强易引起瓦斯等有害气体聚集处的检测，以保证施工安全。

2.3 施工通风区段划分、通风长度、通风方式

某高原隧道进口采用单头掘进的方式施工，独头通风最大长度3932m，采用压入式通风。某高原隧道进口可能存在局部瓦斯等有害气体聚集，风机应采用防爆型，风筒采用PVC 阻燃伸缩钢圈螺旋通风筒。施工中加强瓦斯等有害气体检测、监测，加强施工通风[2]。

2.4 通风计算

（1）最大通风长度、断面和海拔

作业面最长通风长度为3932m。

洞口海拔为4145m。

正洞最大通风断面123m2。

（2）风量计算

本隧道采用钻爆法全断面、微台阶开挖，无轨运输。管道压入式通风计算，以掘进长度及初支断面综合分析，通风长度为3932m。

①按洞内同时工作的最多人数计算风量：

高原氧气稀薄，通风无法满足供氧要求，施工供氧采用移动氧吧车和个人便捷式呼吸器供氧，因此，最多人数计算风量Q1，不在通风里考虑。

②安排除炮烟计：

一次爆破最大用药量G=235kg

G=3×123×0.637=235kg（按Ⅲ级围岩计算，开挖断面123m2，每循环3m，炸药用量0.637kg/m3

爆破后计划排烟时间t=30min。

每100m 平均漏风率p100=1%

风筒漏风系数

稀释炮烟达到允许浓度所需隧道长度

计算得：

式中：

φ——淋水使炮烟浓度降低系数，采用除尘器取0.3；

b——炸药爆炸时有害气体生成量，岩层中爆破取b=40m3；

K——紊流扩散系数0.6；

③按允许最低风速计算风量:

Q3=60VA=60×0.25×123=1845m3/min

式中：

V—工作面最小风速，瓦斯隧道为0.25m/s；

A—隧道通风断面积取123m2。

④按稀释和排除内燃机废气计算风量：

采用无轨运输，洞内内燃设备配置较多，废气排放量较大，供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下，计算可按下式计算：

2.5 风机及风筒选型

根据隧道通风要求及参数计算结果及设计给出的通风要求，风机需满足最小供风量4891m3/min，风机最小全压值3468pa。

隧道主通风机设于隧道洞口30m 外，通风采用SDF系列通风机，此系列风机风速高、中、低档可调，在隧道开挖初期可用低速，中期用中速，后期用高速，也可以在每天不同的施工工序中进行改变，更具有节能性。并具有空气流动性能好、效率高、节省能量、噪音低、结构紧凑、安装方便等特点[3]。

通风风筒采用PVC 阻燃伸缩钢圈螺旋通风筒，该风筒具有较强的抗拉强度和较小的伸长率，接头方式新颖，使用方便，重量轻，易安装，破损较少，径向不变形。另接头光滑、严密，能有效地减少漏风和系统阻力。同时具有阻燃和防静电，满足瓦斯隧道施工的要求。采用钢筋箍固定风筒于隧道侧边墙上方，确保风筒下方的洞内作业机械的通行空间[4]。设专职维修工。每班必须对全部通风机和风筒进行检查，尤其风筒与风机连接处，发现风机故障、风筒破损等情况及时处理。

2.6 施工通风减排措施

采用先进、环保的机械设备，降低废气排放：

①采用湿式凿岩机，严禁使用干式凿岩机。

②采用烟尘净化智能车，吸收烟尘净化空气。

③喷射混凝土采用湿喷法。

④通风设备要保证有足够的风量、风压，风筒漏风率低。

⑤施工机械设备尽可能选择电力驱动，减少作业面的耗氧量和空气污染。

如果采用燃油机械，在尾气排放装置上安装尾气净化器。

2.7 施工供氧措施

根据职业健康及安全标准“空气中氧气含量，按体积计不得小于20%”，需在隧道施工过程中设置供氧措施。供氧措施采用移动氧吧车加个人便携式呼吸器供氧相结合的方式。移动氧吧车置于二衬已施作完毕地段，靠边墙放置，以免影响隧道内施工机械设备通行[5]。

3.作业环境自动监测与通风智能联控

根据超长隧道通风降温除尘难、作业环境变化频繁、联络不便等特点，采用环境一体化智能监测管控系统，在出风口、风筒内、各作业台车等关键位置和人员密集处放置传感器，对隧道内作业环境和通风效果实时监测，掌子面附近人工检测。以上各种监测设备通过计算机连接的方式，实时自动报警，并实现通风智能联控，风机自动变档。

通风方案实施以后，要求技术人员尽快对通风效果进行测试，检查方案落实情况，实施的方案能否达到设计要求，或者设计本身是否存在问题，以便对存在的问题及时修正。另外，也要求技术人员对通风效果进行经常性的检测，以检查通风管路的安装维护质量[6]。

风速测量：用热线式风速仪检测洞内回风风速。

通风系统风量、风压和风筒维护质量检测：用2.0m比托管配合差压仪（MDP10000）以五环10 点法测试风筒全压和静压；用2.0m 比托管配合差压仪（MDP500）以五环10 点法测试通风筒内风流的速压，并通过速压计算风量；通过检测的风机出风口的风量和风筒出风口的风量计算风筒的百米漏风率平均值。隧道内环境参数的测量：用P-5 型数字粉尘计自动记录各测点烟尘浓度值。英思科手持式检测仪测隧道内一氧化碳、氮氧化物、氧气、硫化氢、二氧化硫浓度。

4.施工通风安全措施

通风管路的直径通常受到斜井断面的限制，为了最大限度地利用斜井的上部空间，采用在斜井拱部设置隔板的方式,将斜井断面一分为二，上部作为进风道，下部作为回风道和车辆运输通道，这种方式已在很多隧道的施工通风中得到应用。许多工程技术人员和学者围绕隔板通风方式开展了多方面的研究[7]。例如：阐述了中隔板风道式通风的使用条件和注意事项；结合隧道施工通风方案的比选，详细分析了隔板风道式通风的优缺点，说明该方式较有利于节能和成本控制。

4.1 施工通风安全管理措施

在进行施工时，所对应的指导原则为合理布局等，由此使得通风工作能够更为科学有效的进行。

4.1.1 施工通风安全组织机构

具体施工作业时，必须要构建出相应的安全生产组织，完成了机构建设后，则是要把项目经理当成是首要责任人。通过岗位责任制的有效构建，并且辅助于奖惩制度，由此能够使得相应的制度更加科学可行，并可以构建出对应的专业通风班组，而此班组的作用在于全面负责风机方面的工作，主要包含安装、管理等，且要结合通风筒理方面的细则展开相应的作业，在项目部层面则是要结合相应的通风质量从而对班组的具体情况进行考核，且应该进行一定的奖惩。

4.1.2 施工通风主要岗位风险管理标准及管理措施

（1）测风员风险管理标准及管理措施

危险源：主要表现，在进行风表选择时存在着不精准的问题，或者是风表并不完好，整体的作业环境存在着欠缺，而且测控地点无法满足现实规范，在人员方面则是存在着操作不熟悉的现实，还有就是在进行数据记录时存在着误差以及不精准的问题。

管理标准：在进行测风作业时，必须要结合风速的实际状况，从而完成相应的测风作业。隧道进行测风则是要每间隔10 天要展开相应的全面测风工作，同时要和传感器进行核对，与之关联的位置等要素则是应该满足规范要求，在进行测风时必须要在专业的测风站展开，无法实现测风作业必须要选取符合规范要求的巷道，此过程里必须要在同一点展开有效测量三次，而且每次所进行的测量误差必须要处于规范标准内，也就是要小于5%。超出的话则是应该进行加测，最终选取平均值。完成了测量工作后，关联的人员必须要填写数据，且应该构建出通风季报记录报表。而且完成了测量作业后，还要把对应的数据填写到相应的手册上，由此展开汇报，必须要严格结合相应的程序进行上报。

管理措施：在工区管理人员层面，应该做好不定时的风表检查作业，假若存在风表不达标的问题则是应该展开处罚，而在测控员方面则是要进行针对性的培训之后，并且获得相应的资格证方能够进行上岗，并且能够较好的掌握到风表等仪器设施的相关性能，还要较好的了解隧道的通风系统，并且要获取到不同的风量情况。在进行测评作业时要规避掉高峰时段，防止存在风门开关频繁的问题。在进行测分作业时，要避免人员车辆。而项目部则是应该对品质予以重视，要对所进行的检测数量等展开有效的校核，特别是要对实际风量予以重视，假若存在较大差入的话则是应该再一次的进行测分。当获取到工作人员的相关数据之后则是要展开核查，如果存在误差大的问题，必须要责令其进行再一次的测量，同时要借助班前会的方式促使员工能够更好地遵守纪律[8]。

（2）主要管理措施

①主要危险源：操作高压电气设备时，未按要求佩戴绝缘用具。未对风机主要部位进行详细检查。未按开停机顺序操作。

②管理措施：不得随意变更保护装置的整定值。操作高压电气设备时应用绝缘工具，并按规定的操作顺序进行。除故障紧急停机外，严禁无请示停机。严格按照上级命令进行通风机的启动、停机操作。

4.1.3 通风筒理制度

（1）一般规定

在风机负责人员方面应该予以针对性的培训，在考核达标之后才可以进行上岗工作，同时能够很好地遵守风机的操作规范，较好的掌握到通风系统的情况，而在通风系统方面则是要达标后才能够进行使用。在具体运行过程里必须要强化相应的维护作业，由此保障通风系统的性能等满足规范标准。隧道则是必须全天候的能够实现通风，而在风压等方面应该符合规范标准，不应该出现随意停风的情况，必须要配置两路电源，同时要加装相应的联控设施，由此确保工作环境存在超标的问题则是能够自动变档，这样则是可以保障隧道的有效通风，而在进行相应的作业时并不会遭受到过大的影响。

（2）通风系统定期检查制度

还要把侧重点放在通过系统的检查工作上，此项工作必须每周进行，架子队长则是应该对通风系统展开相应的例行检查，频率为每天最少一次，如此能够实现高质量的日常巡查。在通风系统正常运行之后则是应该每间隔10天展开一次全面的测风，由此能够对相应的情况有着较好的掌握，并且要完成好记录作业，应该从现场的实际出发构建出切实可行的运行管理档案，这样能够掌握到全面的信息档案，主要包括检查记录等，还必须要对通过系统的运行状况展开全方位的记录，此项工作必须按天进行，也就是由具体的人员负责检查，相应的主管要每周对记录展开审核并且予以明确，最终则是应该建档保存。还应该对风速展开检测，此项工作间隔周期为10 天。具体检测作业时，必须借助风速测定仪实现，所获取的结果则是应该和相应的数值等展开核对，由此保障隧道内的风速满足规范标准，也就是要大于0.25m/s。

（3）通风筒理交接班制度

应该把侧重点放在交接班机制方面，进行交接作业时必须双方明确签字方能够完成，而对于上一班发生的缺陷等则是应该进行全方位的明确记录，所对应的交接班记录则是由队长进行审核确认。

（4）停风报批制度

在具体运行过程里，假若存在通风系统检修工作或者是一些别的要素由此使得风机出现停止运转，那么则是应该提前进行申请，并且要逐级上报，企业要结合停风的具体停止情况进行，审批完成后才能够进行相应的工作，假若停风时间小于半个小时的，则是要由队长进行审核，最后由主管副经理进行批准；而如若大于半小时的则是应该在结束了审核之后，必须要由安全总监予以批准方能够展开。

4.2 施工通风安全技术措施

在风机支架方面，必须要处于稳固结实状态，防止发生振动，而在风机出口部位则是要构建出对应的柔性管，这样能够达成和风管的链接，特别是在此部位必须要绑扎，防止漏风情况的出现。而在于通风机的前后，在规定的区间里不许堆放杂物，还应该在风机进气口部位进行相应保护设施的构建。

结语：

在施工中，到底采用哪种通风方式，施工单位可根据自己的施工能力和通风管理水平自行决定。一定要保证隔板风道的施工质量，确保隔板风道不漏风；如果采用风管式通风，一定要采购漏风小的优质风管,同时强化通风管理,确保通风管路平均百米漏风率在 0.5%以下。通风方案存在一定的优化空间,在实施过程中可结合具体情况进行优化。