高铁隧道斜井通风方案与管理方法

任海鹏

摘  要：在隧道施工过程中，为确保有限空间内施工产生的有害气体和粉尘等尽快排除，保证隧道施工的新鲜风流，必须强化通风建设和管理工作。该文以某高铁隧道超长斜井施工为例，基于施工特征和通风设计原则，制定相应的通风方案，并对通风量和风压等进行计算，并制定相应的通风管理方法和措施，旨在为类似工程施工提供参考。

关键词：隧道；超长斜井；施工特征；通风设计；管理方法

中圖分类号：U453.5      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0147-04

Abstract： In the process of tunnel construction， in order to ensure that the harmful gas and dust produced by the construction in the limited space are removed as soon as possible， and to ensure the fresh air flow in the tunnel construction， the ventilation construction and management must be strengthened. Taking the construction of a super-long inclined shaft of a high-speed railway tunnel as an example， based on the construction characteristics and ventilation design principles， this paper formulates the corresponding ventilation scheme， calculates the ventilation volume and air pressure， and formulates the corresponding ventilation management methods and measures. The purpose of this study is to provide reference for the construction of similar projects.

Keywords： tunnel; super-long inclined shaft; construction characteristics; ventilation design; management method

目前，国内隧道施工主要采用爆破和无轨运输施工方式，且施工空间较为狭窄、密封，在有限空间内各类机械设备施工产生的废气、爆破产生的粉尘等对隧道内空气污染大，极易对人员身心健康造成严重危害，且在满足条件情况下，容易发生火灾等安全事故。而在超长隧道施工，或者特殊岩层条件施工，隧道内空气污染更为严重。为此，隧道施工必须严格遵循相关技术标准和规定，强化通风建设管理，根据施工条件配备完善的通风系统，为施工提供符合施工要求的新鲜风流，确保作业人员的身心健康，加快施工进度，保证施工质量和施工安全[1-3]。

1  工程概况

某高铁隧道斜井工区位于城口县龙田乡，斜井全长78 m，其中V级围岩78 m。承担正洞DK94+360-DK96+825段施工任务，长2 465 m，其中明洞20 m，Ⅲ级围岩1 680 m，Ⅳ级围岩445 m，V级围岩20 m。隧道位于扬子地台与秦岭褶皱系缝合交接之强烈挤压山岳地带，隧址区内最高点高程为1 480 m，地形上中间高，两侧低，进口端为半河一畔，出口端为任河高阶地，次级沟谷与主要河流相垂直。区内山峰具绵绵相连特征，巍峨险峻，坡陡谷深，地形起伏大，河流切割强烈，沟谷多成“V”字型，沟谷两侧地形陡峭，斜坡坡度一般在45°以上，并多呈陡崖状。受逆冲推覆构造作用影响以及城巴大断裂的控制，断裂以北震旦系代安河组、前震旦系耀岭河群地层单斜并倒转，城巴大断裂影响范围内挤压构造作用强烈，岩体挤压破碎。测区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期0.35 s。

2  通风方案设计

2.1  通风设计原则

隧道进口斜井工区无瓦斯气体，洞口采用长管路压入式通风，由洞外经长风管将新鲜风送至工作面，污风沿隧道排出。根据承担的施工任务，城口隧道进口斜井洞口布置2台2×110 kW轴流风机。作为主要的通风机，必须满足隧道施工洞内新鲜风流的供应，所以通风机的安设位置必须选择在洞外或洞内无污风环境中，以免造成污风循环使用，影响安全施工。通风管布置应遵循下列规定。

1）为了给隧道施工洞内提供充足的新鲜风流，减少风流在运输过程中的损失，以及避免风管接头漏风等情况，通风管应当在满足条件情况下节长尽量加大，以便减少接头数量，且要保证节与节之间的接头密封严密，而随着隧道的不断掘进，通风管节数也在不断增加，必须强化通风管巡查和维护。通风管拐弯处弯曲半径应当大于通风管直径的3倍，避免通风管拐弯角度小而造成通风受阻。

2）通风管路安装完成后应调整至整个风路平、直、无扭曲和褶皱。

3）压入通风管靠近工作面的距离可根据具体情况确定，且必须满足下列要求：开挖工作面附近风速及瓦斯浓度必须满足安全要求；风管出风口距工作面的距离不宜大于15 m。

2.2  通风方案

隧道斜井口采用压入式通风，设一台SDF-NO12.5（2×110 kW）型轴流风机，配以？准1 800 mm软质风管，风管软质双抗（抗燃烧、抗静电）风管，并预留置一台SDF-NO12.5（2×110 kW）型轴流风机备用。压入式通风机装设在洞外30 m位置，避免污风循环。为了保证隧道内新鲜风流满足要求，通风机必须保持持续正常运转，这就要求：①通风机必须具备2路启动电源，保证通风机用电稳定，并安设必要的风电闭锁装置，当一路电源停止供电，另一路电源必须在规定时间内接通，还应当加强通风机电源日常维护和监管。②为了避免通风机自身发生故障，影响隧道正常通风，通风机需要设置“一用一备”，备用通风机应当与使用通风机具同等性能，并时刻保持能够正常运转状态。③瓦斯隧道内避免发生火灾等事故，必须选择抗静电、阻燃的风管。④隧道内通风风管口距离掌子面小于15 m，每100 m的风管传输风流的损耗应当控制在1%以内。

隧道进口斜井第一、第二阶段通风示意图如图1、图2所示。

2.3  通风计算

2.3.1  作业人员呼吸供风

作业人员呼吸供风量Q1=qmk，其中：q为每人每分钟呼吸所需空气量，取4 m3/min；m为同时工作人数，取80人；k为风量备用系数，取值1.2，得出供风量为384 m3/min。

2.3.2  内燃机设备供风

内燃机设备供风量Q2=qK1K2？撞N，其中：q为内燃机械需空气量，取4 m3/（min·kW）；K1为内燃机功率使用有效系数，取0.6；K2为内燃机功率工作系数，取0.8；？撞N为内燃机功率之和（kW）（考虑装载机168 kW一台，挖机112 kW一台，出渣车262 kW 3台、其他100 kW），得出内燃机设备供风为2 238.7 m3/min。

图1  隧道进口斜井第一阶段通风示意图

图2  隧道进口斜井第二阶段通风示意图

2.3.3  允许最低平均风速供风

允许最低平均风速供风Q3=60 AV，其中：A为隧道开挖断面面积（m2）；V为允许最小风速（m/s），隧道开挖时通风风速，全断面开挖时取0.15m/s，分部开挖时取0.25 m/s。得出允许最低平均风速供风1 800 m3/min。

2.3.4  爆破散烟供风

混合式通风压入风量：Q4hy=7.8×■/t，其中：Q4hy为压入通风量（m3/min）；Ly为压风管口至工作面距离，不大于15 m；S为隧洞的断面积（m2）；Q为同时爆破的炸药量（kg）；t为通风时间（min）。得出爆破散烟供风量为314.6 m3/min。

则需求风量为Qx=max（Q1，Q2，Q3，Q4hy）=2 239 m3/min；

供给风量为Qg=PCQx，漏风系数PC=1/（（1-？茁）∧（L/100）），风管百米漏风率？茁=1%；则在不同工况下，可以利用上述公式计算工点施工供给风量Qg，例如隧道进口斜井，长度为2 543 m，漏风系数为1.29，则供给风量为3 014 m3/min。

2.4  风压计算

风压顾名思义是风流由通风机通过通风管传输至隧道施工地点，为隧道施工提供满足要求的风量的能力，即风流在运输过程中能够克服阻力的能量，表现在数值上等于各项阻力（包括摩擦阻力和局部阻力等）的和。所以，风压在计算的时候应当综合考虑，为了满足风流传输损耗，在采用机械通风时，通风机的风压应当大于通风管的阻力。隧道施工点风流应当保持一定的风速，能够将隧道施工地点的污风外排，保持隧道新鲜风流量，这就要求风机提供的风压同时满足风速要求和克服阻力要求。通风机应具备的风压为：风机压力P应大于等于总的风阻PZ，风阻主要包括动态风压PD、摩擦阻力PM和局部阻力PJZ等，即P≥PZ=PD+PM+PJZ。

1）动态风压PD=234.04 Pa，动态风压主要受空气密度？籽、风速等参数影响，其中根据施工现场空气密度监测结果取值为1.2 kg/m3，风速主要和风管管径有关系，现场风管选择为Φ1.8 m。计算公式如下

PD=？籽V2/2。（1）

2）摩擦阻力PM=3 885 Pa   。

PM=6.5×？琢×L×（Q/60）×2/d    ， （2）

式中：？琢为风阻系数，取0.001 6；L为隧道通风长度（轴流风机吸入新鲜风长度，根据实际情况调整计算通风阻力）。

3）局部阻力PJZ=388.5 Pa：局部压力损失，局部阻力PJZ按照总风阻的10%考虑，而在风流不转弯，风管断面不变化时，可不予考虑，即局部阻力为0。由于在各阶段通风时风带均有部分弯折，因此，在通风时按PJZ=PZ×10%。

则总风阻PZ=PD+PM+PJZ=234.04+3 885+388.5=4 507.54 Pa，通过以上计算，系统风压应大于4 507.54 Pa。

3  通风管理

根据隧道通风要求及参数计算结果，各工点通风设备选型及数量，见表1。

为了保证隧道施工有效通风，必须强化通风管理，确保风机正常运行及风量充足。

1）建立瓦斯通风监控、检测的组织系统，全程监测瓦斯和通风状况，必须实行24 h不间断通风，最低风速不应小于0.25 m/s，防止瓦斯积聚的风速不宜小于1 m/s。

2）隧道内聚集瓦斯，每个施工工作面都必须采用独头通风，严禁采用串联通风，以免发生通风混乱，造成有限空间内瓦斯积聚，对安全生产造成威胁。

3）瓦斯隧道必须制定主要通风机停止运转的应急预案。因检修、停电或其他原因停止主要通风机运转时，必须立即停止工作、切断电源，将洞内人员全部撤出，并制定停风和恢复正常通风的措施。

4）使用局部通风机进行施工通风的施工场所，如果出现因设备故障、供电异常、通风检修等原因风机停止运转，现场必须执行撤人、电源切断保护、设置警戒等应急措施。而在恢复供风前，必须安排瓦检员对隧道施工现场的瓦斯浓度进行检查，并按照如下标准进行各项检核，符合所有标准后方能供风：听风区域内瓦斯浓度符合供风要求，不超过1%，且局部通风机及相符电气设备开关等20 m范围内瓦斯浓度不超过0.5%，尤其要对施工死角内瓦斯浓度进行检定，避免局部瓦斯积聚。如果瓦检员现场监测结果瓦斯浓度超限，应当及时采取相应的排放瓦斯措施。

5）瓦斯工區施工通风设备设施管理应符合下列规定：①主要通风机和局部通风机必须指定专职人员负责、挂牌管理。当工作通风机需要停运时，必须先启动备用通风机，严禁出现先停后启动或主、备通用风机均停止运行的情况。②应定期对风管等通风设施进行检查，并指定专人进行维修和保养。③瓦斯隧道内外均应设置测风牌板。④通风管理人员至少每月检查1次主要通风机，每15天至少进行一次风电闭锁和瓦电闭锁试验，每天应进行一次正常工作的局部通风机与备用通风机自动切换试验，发现问题应及时处理。试验记录要存档备查。

6）通风系统的管理应符合要求，通风系统的稳定运转，以及隧道内施工现场是否具备安全生产的新鲜风流是强化通风系统管理的关键，这就要求除了施工现场对风流的日常监测外，施工单位和监理单位必须定期开展通风设备、风速、风流等整个通风系统的集中巡查，组建通风管理组对通风系统进行日常监管维护，确保通风系统正常运转。除此之外，对正常运转的通风系统定期进行全面测风，按照风速、风压、漏风率等参数设置要求等进行严格把关。通风系统调整期间加密测量，并做好记录。

4  施工通风安全技术措施

4.1  风机安装

1）风机是通风系统最为关键的机电设备，为了避免因通风机损伤等事故造成通风受阻，安置风机要确保风机的稳定，这就要求风机支架位置选择合理、支架架设稳固结实，而隧道施工现场大型设备运转，更容易发生振动等现象，更应注重基础稳定。

2）为了避免因通风系统调整、风管移动等影响风机稳定，风机出口处严禁直接和硬风管连接，应采用加强型柔性管作为过渡管，且要注重柔性管与风机的连接口风现象。

3）施工现场较为复杂，人员、车辆、材料等都会对风机的正常运转造成影响，所以必须要加强通风机的日常防护工作，设置保险装置，设置围护栏和警示牌，通风机通风扣加设铁箅，并严禁在通风机周围5 m范围内堆放杂物等，日常管理人员应当加强巡视，发现存在影响通风机正常运转的现象应当立即处理。

4）当巷道内的风速小于通风要求最小风速时，可布设射流风机来卷吸升压，提高风速。

5）隧道内工作空间较为狭小，通风机械的移动和转运较为困难，除此之外，在通风机械移动过程中可能发生通风受阻、风流减小等现象，所以在隧道内进行风机移动，采用小平板车进行，且要做好风机支架的提前预设，风机移动要有序进行，逐个移动，保证隧道施工现场的新鲜风流和空气循环。

4.2  风管安装

1）风管的选择要注重质量的把关，以及应用场地的适应。风管必须选择具有合格证的合格风管，并且在安装风管前要对风管进行外观基本检查，查看风管是否存在破损、开裂等现象，风管与风管的连接要确保接口粘结稳固、严密，避免接口处漏风。为了提升风管的应用时限，消除风管引起的安全事故，风管选择应当优先考虑高强度、耐磨损、抗静电、阻燃的软质风管。

2）为了将风流在风管内传输的损耗量降到最低，风管挂设应当坚持平、直、无扭曲和褶皱等原则，挂设间距、挂设高度、挂设支撑等都要遵循风管挂设的基本原则，必要时要采用测量找平等拉线。为避免铁丝受冲击波振动、洞内潮湿空气腐蚀等原因造成断裂，每10 m增设1个尼龙绳挂圈。

3）在风管安设过程中，以及日常通风系统巡检过程中，发现通风管出现破损漏风等现象，应当及时进行破损处修补或风管的更换，当采用软风管时，靠近风机部分，应采用加强型风管。

4）风管最前端距掌子面不小于15 m，并且前55 m采用可折叠风管，以便放炮时将此55 m迅速缩至炮烟抛掷区以外。

参考文献：

[1] 王林国，刘小冬.超长斜井隧道施工通风技术研究与应用[C]//《施工技术》杂志社，亚太建设科技信息研究院有限公司.2021年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（中册）.中交第四公路工程局有限公司，２０２１．

[2] 劉柏林，程久胜.夹活岩特长公路隧道通风方案研究[J].现代隧道技术，2005，42（1）：41-47，51.

[3] 王兵.马鞍山特长隧道通风设计参数选取的研究[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（5）：44-45，51.