长大隧道施工通风技术的应用分析

杨继才

摘要 高速路网建设中，长大隧道项目较多，隧道施工通风设计是长大隧道建设难题之一。文章以某隧道项目为例，分析了长大隧道施工通风技术的应用案例，并从隧道通风需求量、供风方式、风机规划设计等方面入手，研究了隧道掌子面施工通风关键技术，以明确隧道通风技术应用优势，为相似长大隧道施工通风设计提供了思路。

关键词 长达隧道；通风设计；施工；通风技术

中图分类号 U453.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0146-03

0 引言

公路铁路建设中，特长隧道能够克服地形障碍、缩短空间距离、改善陆路交通工程运行质量，但同样给隧道施工带来诸多技术问题。保证特长隧道施工通风效果，确保洞内空气质量是长大隧道施工难题之一。因此，需加强隧道施工通风方案研究，掌握智能通风、多掌子面施工通风技术要点，满足隧道安全、快速施工要求，促进交通行业健康发展。

1 项目概况

新建G7611线西昌至香格里拉高速盐源隧道项目，隧道全长14.3 km，为西香高速全线控制性工程。盐源隧道全线主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，Ⅲ级围岩占比9%，Ⅳ级围岩占比53%，Ⅴ级围岩占比38%，最大埋深1 097 m。隧道项目TBM施工贯通平导以辅助主洞钻爆法施工，需要多掌子面同步施工。为保障隧道通风需求，需在多掌子面同步作业基础上，根据各掌子面排出的废烟废气，实施多掌子面同步施工通风技术、智能通风技术。

2 隧道施工通风设计标准

依据《铁路工程施工组织设计规范（Q/CR 9004—2018）》《铁路隧道工程施工安全技术规程（TB 10304

—2020）》等文件，隧道施工面环境应符合以下要求：

（1）氧气含量：按体积计算不得小于20%。

（2）粉尘浓度：浓度大于10%的二氧化硅粉尘小于2 mg/m3，浓度小于10%的二氧化硅粉尘小于4 mg/m3。

（3）二氧化碳等有毒有害气体按体积不得超过0.5%，氮氧化合物小于5 mg/m3。

（4）作业面温度小于28 ℃，噪声小于90 dB。

（5）为各项施工作业提供所需最小风量，新鲜空气供应量为每分钟3 m3/人。

（6）全断面开挖时，隧道施工通风风速应大于0.15 m/s。

3 长大隧道通风施工方案设计

3.1 多掌子面施工通风技术

（1）基于多掌子面同步施工条件，隧道项目通风需求量、供风方式、风机规划设计更为复杂，需考虑掌子面个数、隧道平导及主洞关系、横通道布置位置。分析各掌子面排出废烟废气的差异性，按照各时间段、各工艺产生的废烟废气类别，安装风速仪、空气质量检测仪，实时监控洞内通风质量[1]。

（2）分析、计算各掌子面风量与总体需风量，确定风机选型及风管材料。根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016），风量计算可按作业人数、不同开挖工艺下巷道内最低允许风速、隧道内燃设备作业废气稀释需风量计算。对于管道式通风工艺，其风量计算需结合具体通风设计进行。比如，压入式通风风量计算公式为：

（1）

式中，t——排烟时间（min）；G——一次爆破炸药用量（kg）；A——隧道掌子面断面面积（m2）；L——通风区域长度（m），小于通风极限长度。通风极限长度是在供应的新鲜风量完全利用后，隧道作业面允许浓度极限值的运行长度[2]。

（3）结合室内数值、现场监测结果，从压入式通风转变为巷道式通风模式。该项目通风风量大、通风距离长，对风机、风管质量要求高，需考虑通风设备在长距离、高负荷状态下的运行状态，且不同地段采用不同强度的风管。布置风管时还应提前测试风管风压承受能力，准确控制高强度风管最短布置距离。项目第一阶段采用压入式通风方式，由洞口直接压入通风；第二阶段采用巷道式通风，将左洞作为送风道，将平导及右洞作为排风道，由常规的双通道巷道式通风变为三通道巷道式通风。根据施工组织中横通道位置的选择，巷道式通风风门可设置在距洞口2.3 km位置，也可选择距洞口3.4 km位置，通过室内流体力学数值计算及现场实际风量、风压及能耗测定，确定巷道式通风的合理位置。

3.2 智能通风技术

施工过程中，3#、4#、5#、6#掌子面通过一根风管进行供风，在交叉口位置形成三条通道，三条通道的角度将对通风风压产生影响，严重时导致一根风管风量极大，另一根风管无风。同时，三通风管的角度设置需与横通道的布置进行综合考虑，以满足通车、行车的要求，三通风管设置角度如图1所示。

图1 三通风管设置角度示意图

三通位置，由主风管引出两根风管分别供应两个主洞掌子面的施工需要，两个掌子面处于常从不同的施工工序阶段，且两个掌子面进尺不一致，风压及需风量存在差异。需在两个掌子面位置分别安设风量、风压监测仪，实时监测掌子面通风情况，并利用三通位置设置风门，以实现不同掌子面风量的实时调整。

4 长大隧道通风施工技术应用

4.1 通风设备设施

施工期间由横通道增开的4个掌子面通过平导进行供风，平导洞内共布置3根风管，如图2所示。右侧直径1.8 m风管（1#）供应离洞口较近的横通道增开的2个掌子面通风，直径2.0 m风管（2#）供应离洞口较远的横通道增开的2个掌子面通风，左侧直径1.8 m风管（3#）供应平导TBM掘进掌子面通风。

4.2 多掌子面同步施工通风设计

项目中隧道平导在左洞左侧，因此主洞6个掌子面同时施工时，始终有2个掌子面可由洞外直接压入新风，或采用巷道式通风方式进行通风，具体的送风方案如表1所示。

（1）施工过程中，通风最不利情况为平导掘进进尺6 km，洞口两个掌子面，1#横通道、2#横通道增开的4个掌子面，平导TBM掌子面同时施工。此阶段通风风机为5个，1#、2#风机供应与洞口相连的2个掌子面供风，3#风机供应1#横通道增开的2个掌子面供风，4#风机供应2#横通道增开的2个掌子面供风，5#风机供应TBM掌子面供风。

（2）1#、2#掌子面总供风量为6 632 m3/min，平导直径1.6 m风管总供风量为4 446 m3/min，平导直径2.5 m风管总供风量为15 388 m3/min。1#、2#掌子面由洞口供风，实际情况2.2 km已采用巷道式通风，需采用压入式通风、最不利情况考虑供风量。

（3）根据总供风量及通风阻力，选择风机，满足风压需要的风机型号所用风机、风管通风阻力计算表如表2所示。

经计算，1#、2#掌子面选择4台AVH110风机，平导直径1.6 m风管选择3台AVH110风机。平导直径2.5 m

风管选择6台AVH125风机，考虑向主洞分风过程中风阻较大、风力损失较多，适当提高配置，选择10台AVH125风机。

4.3 隧道施工智能通风设计

4.3.1 隧道施工通风智能控制系统

应用智能化技术控制风机、其他通风设备，建设隧道施工通风智能控制系统。系统运行流程如下：

（1）运用传感器设备感知隧道作业面施工环境，监测温度、湿度、粉尘浓度等环境数据。

（2）采集现场通风、施工数据，由PLC控制箱处理基础数据。PLC控制箱教育监测、输入、输出功能，可接收作业面数据，显示环境参数，计算作业面风量，数据处理后执行风机控制命令[3]。

（3）利用手机、电脑等移动终端登录微信小程序，监测查看监测数据，人为调整通风参数后由PLC控制箱执行命令，智能控制风机。

4.3.2 风机安装管理

（1）洞外风机。为保证送风量、送风质量，风机应安装在隧道洞外30 m处。风机底部应浇筑0.5 m高机座以固定风机，浇筑后由螺栓固定。为避免风机受潮、故障、引发触电风险，风机配电柜、所有机电设备上均需采用护栏、雨棚等安全保护措施。

（2）风管悬挂。连接风机、风管时，使用金属卡固定。风管可悬挂于隧道拱腰处，风管挂设应坚持平整、垂直原则，避免风管阻力过大[4]。正式作业时，每隔5 m打眼，设置锚杆、钢筋，固定、悬吊风管。风管高度应保持一致，洞内进风管、掌子面间距应控制在20 m以内，需二次衬砌隧道时，应提前预留风管位置。

（3）风机风压计算。风压是克服风阻的核心，风压计算应考虑风管局部阻力、隧道内风管沿路摩擦阻力、风管机风道内摩擦阻力、风机风压大于通风管道风压时的通风阻力。为顺利送风，风管出口处应保持额定风速，调整风压，使风压大小克服沿路阻力。通风机风压计算公式：

P风机=P沿路阻力+P局部阻力+p动压 （2）

动压计算公式：

P动=V2 （3）

式中，ρ——空气密度（m3）；v——通风管路末端风速（m/s）。摩擦阻力是指风流、通风管道摩擦后对空气产生扰动后出现的能力消耗，包括沿路阻力、局部阻力两种。

4.3.3 通风降阻

隧道施工通风中风管材料、管口衔接情况会影响智能通风设备通风阻力。风管直径大小、送风管路弯曲值同样会造成风阻变化。因此，可采用大直径通风管道，将通风管道直径控制在1.2～1.3 m左右。选用风管时，提前考虑风管材质，确保风管表面光洁程度。掌子面同步施工期间，加强风管维护，通过风管检查、接长、补漏，使风管保持稳定，处于最佳状态，以预防漏风、通风阻力较大等风险[5]。

4.3.4 通风方式

隧道项目分阶段采用巷道式通风、压入式通风，准确计算风量、风压后分别在左、右线洞口设置通风机。第一阶段多条供风压入式风管经主洞将新鲜空气送入多个掌子面，风门位置分别距洞口2.3 km、3.4 km。压入风管出风口距工作面20 m，污浊空气通过平行导洞排放管外排。第二阶段在1#竖井设置平行通风管道，直接连通掌子面，大范围输送新鲜空气。隧道各个掌子面贯通后，为保证掌子面空气清新，可在洞口交叉口处增加风机数量，及时排出积聚的污浊空气。多掌子面生产条件下，由于单通道不同掌子面会存在同时爆破情况，可通过调整每个掌子面污风排除方向提升风机供风能力，满足多掌子面施工需求。

5 结语

综上所述，为维护长大隧道施工安全，解决隧道施工通风难题。该文依托于新建G7611线西昌至香格里拉高速盐源隧道，分析了该隧道项目施工通风设计方案，总结了隧道施工通风关键技术。该项目采用的多掌子面施工通风技术、智能通风技术有效地改善隧道施工区域的空气环境，使隧道项目能够快速完工。同时，针对不同掌子面根据风机抽排效果采取一定除尘、降尘措施，起到节约用电作用，为国内长大隧道通风降尘问题提供了新技术储备。

参考文献

[1]黄湘勇. 高海拔长大隧道施工智能化通风技术[J]. 建设机械技术与管理， 2023（3）： 132-135+138.

[2]杨帅， 任锐， 王庭川， 等. 长大隧道风仓式施工通风结构参数优化研究[J]. 地下空间与工程学报， 2023（3）： 946-954.

[3]李枝文. 高瓦斯长大隧道施工通风模拟研究[J]. 能源与环保， 2020（8）： 81-85.

[4]周健， 邹逸伦， 徐汪豪， 等. 米仓山公路隧道出口段施工通风方案设计[J]. 中外公路， 2020（3）： 199-204.

[5]赵宁雨， 吕陈伏， 陈弘杨， 等. 高海拔长大隧道压入式施工通风的合理长度研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2020（3）： 94-99+128.