湖南金路工程咨询监理有限公司：邓如彪、谭娟

摘要  如何选择特长隧道施工通风的最佳方案，既要将隧道施工中产生的烟雾、粉尘及有害气体排出洞外，确保隧道施工安全、卫生，又不影响后续工序的作业，是隧道施工组织不容忽视的重要问题。本文结合龙潭隧道施工通风方案的确定，阐述根据隧道的长度、掘进隧道的断面大小、施工方法和设备条件等因素来确定隧道施工通风的方式、方法。

关键词   特长   隧道   施工   通风   技术

一、工程慨况

龙潭隧道是一座上下行分离式隧道，两隧道中心线相距50m。隧道进口位于湖北长阳县贺家坪镇堡镇村头道河北侧一小山脊的端部，出口位于长阳县榔坪镇长丰村青岩沟与龙潭沟交汇口处。左线起止桩号为ZK65+516~ZK74+209，全长8693m，右线起止桩号为YK65+515~YK74+114，全长8599m，属特长隧道。中铁十四局集团有限公司承建的龙潭隧道出口段，左线长4349m，右线长4254m。左线距洞口3079m处、右线距洞口29m处分别设置Φ7.0m、深335m和Φ5.3m、深349m通风竖井各一座。隧道出口位于直缓线上，纵向坡度为-1.50%～-2.10%。

隧道设计净宽9.75m，净高5.0m。开挖最大断面积98.5m2，衬砌后最大断面积83.6m2。

本隧道采用无轨运输出碴方式施工，独头掘进长度4300m。独头通风3000m。该隧道合同工期33个月，月进尺260m左右，工期较为紧张。

二、隧道施工烟尘现状：

目前隧道施工环境中有害气体主要来源于：爆破、内燃机尾气、围岩被扰动释放的有害气体等；有害粉尘主要来源于：凿岩、爆破、装渣、车辆对已沉积粉尘的扰动等。在无轨运输作业条件下，施工通风的技术难度远大于有轨运输作业，原因主要是内燃机设备废气排放量大，污染源分散在隧道沿程，稀释比较困难。目前公路隧道独头通风超过3000m的甚少。

三、通风方案选择

隧道施工通风方案，主要考虑隧道掘进1～3000m通风竖井未贯通前的方案选择；当隧道掘进大于3000m，通风竖井贯通后，将按左、右线施工互不干扰的原则，采用通风系统，选择正洞压风、竖井抽风的压、抽混合式通风方式。

（一）巷道式通风方案：

1、系统布置

巷道式通风布置示意图

图1

第一阶段：行车横洞未贯通前，分别在左、右洞口设置一台单级双速轴流式风机F1、F2，配用φ1.50m软风管，采用压入式通风方式向掘进工作面供风，掘进工作面的乏风沿隧道排出洞外。

第二阶段：行车横洞贯通后，将左洞轴流式风机移动到行车横洞后10～15m处，新鲜风流从左线隧道经风机F1及其管道压往左线工作面，左线工作面的炮烟及乏风流在射流风机FS的引导下经行车横洞进入右线隧道流出洞外；右洞轴流式风机安装在行车横洞内，新鲜风流经横洞内的风机F2及其管道压往右线工作面。右线工作面的炮烟及乏风流在射流风机FS的引导下经右线隧道流出洞外。除轴流式风机F2和射流风机FS所安装的横洞外，所有贯通的横洞都应封闭，避免通风系统紊乱，确保通风系统稳定可靠。随着隧道掘进的不断延伸，左、右洞的轴流式风机也随之向前移动。

第三阶段：通风竖井贯通后，左、右线采用通风系统，将左、右洞的轴流式风机移到左、右洞竖井井底联络风道口后10～15m处，左线隧洞的新鲜风流经轴流式风机F1及其管道压往左线工作面，左线工作面的炮烟及乏风流，在竖井井底联络风道射流风机FS的引导下由竖井排出地面；右线隧洞的新鲜风流经轴流式风机F2及其管道压往右线工作面，右线工作面的炮烟及乏风流，在竖井井底联络风道射流风机FS的引导下由竖井排出地面（如图1）。

优点：

1）不设控制风门，省略通风支洞工程和控制风门设施。

2）随着隧道掘进不断延伸，轴流式风机可同时向前移动。风机、通风管道以及其它通风设备少。

3）通过增减射流风机台数可以调节总风量的大小。

缺点：

1）被污染的风流会进入工作面，只有当风量足够大时，才会将污染物含量控制在合理范围内，也就不会影响工作面的空气质量。

2）要利用一个主洞作为排烟通道，将使该洞的后续工序施工困难，进而影响总工期。

（二）混合式通风方案：

1、系统布置：

该方案按左、右线施工互不干扰的原则，采用通风系统，前期以压入式通风模式为主，当乏风排出困难时，在后路增设射流风机引导乏风排出；后期利用左、右线已贯通的通风竖井，形成混合式通风系统（见图2）。

（1）0—1500m施工期：在左、右洞洞口各安装一台单级轴流通风机配用φ1.50m软风管进行压入式通风，新鲜空气经F1及其风管送入掘进工作面，送风最长1500m；工作面的乏风经隧道排出洞外，当乏风排出困难时，在隧洞内适当位置设置射流风机Fs，引导乏风排出洞外。

（2）1500—3000m施工期：在左、右洞洞口各安装二台单级轴流通风机F1、F2集中串联，配用φ1.50m软风管进行压入式通风，新鲜空气经F1、F2及其风管送入掘进工作面，送风最长3000m。工作面的乏风在射流风机Fs的引导下由隧道排出洞外。射流风机设置的数量、位置根据隧道内的空气质量情况确定。

（3）竖井贯通后施工期：分别在左、右洞距竖井10～15m处的后路安装一台单级轴流通风机F1，配用φ1.50m软风管进行压入式通风，新鲜空气经F1及其风管送入掘进工作面，送风最长1400m。工作面的乏风经竖井井底联络风巷中的射流风机Fs从通风竖井排出地面。

优点：

1）通风系立，左、右线施工互不干扰。

2）能将有害烟尘直接排出洞外，及时改善洞内空气质量，效率相对较高，通风效果较好。

3）不影响后续工序的施工，可以保证总工期的实现。

缺点：

1）风机、通风管路等设施投入较多，通风管路维护管理较巷道式通风困难。

2）通风费用较巷道式通风高。

混合式通风布置图

图2

13.0.2  瓦斯隧道装药爆破时，爆破地点20m内风流中瓦斯浓度必须小于1.0%；总回风道风流中瓦斯浓度必须小于0.75%；开挖面瓦斯浓度大于1.5%时，所有人员必须撤至安全地点。

13.0.3  隧道施工独头掘进长度超过150m时，必须采用机械通风。其通风方式应根据隧道长度、断面大小、施工方法、设备条件等综合确定。当主风流的风量不能满足隧道掘进要求时，应设置局部通风系统，并应尽量利用辅助坑道。通风方式可根据附录K选用。

通风方式根据坑道长度、施工方法和设备条件确定，当风管较长、风压需要较高时，可采用多台通风机串联，在巷道式通风中，无大功率通风机时，可用数台风机并联。串联或并联的通风机应采用同—型号，以便能充分发挥机械设备的能力。

13.0.4  隧道施工通风应能提供洞内各项作业所需要的最小风量。每人应供应新鲜空气3m3/min，采用内燃机械作业时，供风量不宜小于4.5m3/（min·kw）。全断面开挖时风速不应小于0.15m/s，导洞内不应小于0.25m/s，但均不应大于6m/s。

洞内施工所需通风量应根据洞内同时工作的最多人数所需要的空气量、或使同一时间爆破的最多炸药用量产生的有害气体降低到允许浓度所需要的空气量、或使同时在洞内作业的柴油机产生的有害气体稀释到允许浓度所需要的空气量、或满足洞内允许最小风速要求等条件进行计算确定。以其中最大者选择通风设备。

1 按洞内同时工作的最多人数计算风量

Q=qmK                                                

式中：Q——计算风量，m3/min（下同）；

q——洞内每人每分钟所需新鲜空气量，m3/min，按每人每分钟3m3 计算（围岩溢出有害气体时，按每人每分钟4m3 计算）；

m——洞内同时工作的最多人数；

K——风量备用系数，取1.10～1.15。

2 按满足洞内允许最小风速要求计算风量

Q=60sv 

式中：s——坑道断面积，m2；

v——允许最小风速，导坑应不小于0.25m/s，全断面开挖时应不小于0.15m/s，但均不应大于6m/s。

3 按洞内同一时间内爆破使用的最多炸药用量计算风量

（1）风管式通风

①送风式通风

式中：t——通风时间，min；

A——1 次爆破的炸药用量，kg；

S——坑道断面积，m2；

L——通风区段长度，m。

使用上述公式时，若考虑的通风区段长度L 大于极限长度L极限，式中的L 应该用L极限代替。L极限按下式确定：

式中：K′——紊流扩散系数，K′=0.8；

b——爆破1kg炸药生成的CO量，b=40L/kg 炸药；

c——坑道内容许的CO浓度，c=0.008%；

其余符号意义同前。

②排风式通风

式中：L抛——炮烟抛掷带长度，m；

火雷管起爆：L抛=15+A（m）；

电雷管起爆：L抛=15+A/5（m）。

其余符号意义同前。

③混合式通风

式中：VL——吸风管口至工作面整段坑道的容积（m3），

VL=LV×S，

其中：LV——吸风管口至工作面的距离（m），一般为22～25m左右。

（2）巷道式通风

式中：A——同时爆炸的炸药用量，kg；

b——一公斤炸药爆破时所构成的一氧化碳体积（L），参见表1，计算时，一般

采用b=40L；

t——通风时间，min；

一公斤炸药产生有害气体统计（L）    表1

4 按照爆破后稀释一氧化碳（CO）至许可最高浓度的计算风量

式中：t——通风时间，min；

A——1次爆破的炸药用量，kg；

K——风量备用系数，K=1.10；

5 按洞内使用内燃机的废气污染计算风量

稀释有害气体风量计算的基本公式：

式中：q——柴油机废气排量（m3/min）,

① 

其中：V——汽缸的工作容积（m3）；

n——柴油机的转速；

β——吸气系数，自然吸气 β=1；齿轮增压 β=1.2；

② 

其中：N——柴油机功率（kW），

K——单位耗油量（kg/（kWh）），

α——烧1kg柴油所需供应的空气量（m3/kg），可按α=20.83（m3/kg）

计算；

c——废气中有害气体浓度（%）；

y——有害气体最大允许浓度（%）；

δ——稀释系数；

η——安全系数（1.5～2.5）。

以上①、②分别计算，取其最大值。

    6 高海拔地区的风量修正

由于高海拔地区的大气压力降低，对总风量应按下式修正：

式中：Q高——高海拔地区大气压力，见表2；

Q——正常条件下计算的风量。

海拔高度与大气压力（P高）的关系    表2

海拔高度

对于竖井爆破后的通风以送风式为佳，当竖井深度超过300m时，则应采用混合式通风。

式中：t——通风时间，min；

A——1次爆破的炸药用量，kg；

S——竖井断面积，m2；

L——竖井深度，m；

K——考虑竖井淋水使炮烟浓度降低的系数，见表3；

——风管漏风系数，见表4。

竖井内炮烟浓度降低系数（K值）    表3

1  送风式的进风管口应设在洞外，宜在洞口里程30m以外。

2  集中排风管口应设在洞外，并应做成烟囱式。

3  通风管靠近开挖面的距离应根据开挖面大小确定，送风式通风管的送风口距开挖面不宜大于15m，排风式风管吸风口不宜大于5m。

4  采用混合通风方式时，当一组风机向前移动，另一组风机的管路应相应接长，并始终保持两组管道相邻端交错20～30m。局部通风时，排风式风管的出风口应引入主风流循环的回风流中。

5  通风管的安装应做到平顺，接头严密，每100m平均漏风率不得大于2％，弯管半径不小于风管直径的3倍。

6  通风管应设置专人定期维护、修理，如有破损，必须及时修补或更换。当采用软风管时，靠近风机部分，应采用加强型风管。

7  送风管宜采用软管，排风管应采用硬管。

13.0.6  通风机的功率、风管的直径应根据隧道独头掘进长度、运输方式、断面大小和通风方式等计算确定。通风管应与风机配套，同一管路的直径宜一致，对长、大隧道宜选用大直径风管。当通风管较长，需要提高风压时，可采用多台通风机串联；巷道式通风无大功率通风机时，亦可采用数台通风机并联。串联与并联的通风机应采用同一型号。

13.0.7  通风机的安装与使用应符合下列规定：

1  主风机安装应符合通风设计要求。洞内辅助风机应安装在新鲜风流中。

2  通风机应装有保险装置，当发生故障时能自动停机。

3  通风机应有适当的备用量，宜为计算能力的50%。

4  主风机应保持经常运转，如需间歇时，因停止供风而受影响的工作面必须停止工作      

计算

1）按稀释内燃设备废气计算

采用无轨运输出碴方式施工时。假若左、右线每一工作面均使用两台装载机同时工作，每5分钟（包括调车时间）装一车碴，按自卸车在隧道内的平均车速为15Km/h，在4000m的长度内（含洞外运输距离），一辆自卸车往、返时间约30分钟，则一个工作面需6辆出碴车运输。因此，一个工作面同时使用的内燃设备有：

（1）红岩、铁马等自卸汽车6辆，功率为200kw/辆，取机械平均荷载系数0.9，平均利用率0.7，自卸汽车总功率：N=6×200×0.9×0.7=756kw。

（2）ZL50型装载机二台，功率160kw；取机械平均荷载系数0.9，平均利用率0.8，装载机总功率：N=2×160×0.9×0.8=230.4kw。

（3）其它内燃设备200kw，取机械平均荷载系数0.8，平均利用率0.5，内燃设备总功率：N=200×0.8×0.5=80kw。

（4）机械实际工作总功率：

∑N=756+230.4+80=1066.4KW。

内燃机械按1Kw供风量不宜小于3㎥/min计算：总供风量:Q=1066.4×3.0=3199.2m/min。

2）按同时爆破使用最多炸药量计算风量:

Q压=5Ab/t

式中:Q压…压入风量（㎥/min）

t…爆破后通风时间.(min)，取通风时间t=30min，

A…同时爆破的炸药用量（取300kg）。

b…每公斤炸药生成有害气体量，（取40L/㎏）

Q压=5×300×40/30=2000㎥/min

3）按洞内同时工作的最多人数计算风量:

Q=Kmq

式中:Q…所需风量（㎥/min）

K…风量备用系数，取k=1.1～1.2

m…洞内同时工作的最多人数，取150人

q…洞内每人每分钟需要新鲜空气量，取3㎥/min

Q=150×3×1.2=540m/min

4）按允许最小平均风速计算:

《隧道工程施工技术规范》规定，施工中隧道内平均风速不得低于0.15m/S。取A=98.5m2,则：Q=0.15×60×98.5=887m/min

5）总供风量:

工作面风量可按2000m/min计算，总供风量按3200m/min计算。平均风速=3200÷60÷98.5=0.54m/S＞0.15m/s。

2、风机的选择

1）压入式风机选择：

压入式风机F1和F2可选用天津市通创风机有限公司提供的单级双速隧道轴流通风机。

型号：SDA-125AD-FS90

设计风量：1800 m/min，全压：2200pa

功率：95kw…双级调速型

2）隧道通风阻力计算：

（1）隧道摩擦阻力：Pm=α×L×U×Q2/S3（Pa）

式中：Pm…摩擦阻力（Pa）

      α…摩擦阻力系数

      L…隧道长度 （m）

      U…隧道周边长度（m）

      Q…风量（m/S）

      S…隧道面积（㎡）

设：α=0.030，L=3000m，U=31.8m，Q=53.3m/S，S=98.5㎡。

摩擦阻力为：Pm=α×L×U×Q2/S3＝0.030×3000×31.8×53.32/98.53=8.5（Pa）

（2）局部阻力：PJ=0.612ζQ2/S2

式中：PJ…局部阻力（Pa）

     ζ…局部阻力系数

      Q…风量（m/S）

      S…隧道面积（㎡）

取：ζ=1.5,Q=53.3m/S，S=98.5㎡。

局部阻力为：PJ=0.612ζQ2/S2=0.612×1.50×53.32/98.52=0.27（Pa）

（3）正面阻力：Pz=0.612φSmQ2/(S- Sm)2

取：装载车φ=2.0，衬砌台车φ=4.0，操作台车φ=1.5，阻塞物最大迎风面积Sm=10㎡。

Pz=0.612×7.50×10×53.32/(98.5- 10)2=16.6（Pa）

（4）隧道通风总阻力：

P总=Pm+PJ+Pz=8.5+0.27+16.6=25.4（Pa）。

3）射流风机FS选择：

（1）型号：NSL—125型，流量31m3/s，出口速度34m/s，电动机功率30kw/台。

（2）每台射流风机产生的推力PT=2φ（1-ψ）iρ/2V2j

式中：…断面积比，（㎡），（SJ…风机出口断面积，Sr…隧道面积）

ψ…流速比，Vr/Vj，（Vr…洞内平均风速（m/s），射流风机出口流速（m/s）。

i…每处并联射流风机台数

ρ…空气密度（㎏/m）

设：SJ=0.6252π=1.227，Sr =98.5㎡，Vr=0.m/s，Vj=34m/s，ρ=1.23。

φ=SJ/Sr=1.227/98.5=0.013，

ψ=Vr/Vj=0./34=0.019。

当i=1时，Pj=2×0.013×(1－0.019)×1×1.23÷2×342=18.1pa。

当i=2时，Pj=18.1×2=36.2pa＞P总。

（3）射流风机总台数：

Nj=P总/Pj=25.4/18.1=2台，共安装2台射流风机可满足要求。

4）设备总数及风量调节方法：

混合式通风方法需要单级双速轴流通风机4台、射流风机4台。通过增加或减少射流风机的总台数，调节总风量，但工作面的风速不改变。

5）射流风机的布置：

射流风机可分散布置，也可集中布置，但从施工及管理方便计，最好的布置方式是：左、右线隧道在二衬台车后面布置1台，距隧道洞口500m处布置1台。

2、通风机设计风量

按照风量计算结果，工作面需要风量2000m/min，按照最长送风距离3000m计算，取漏风系数Pl=1.56，

则：通风机供风量为：Q=1.56×2000=3120m/min，风机设计风量QF=3120m/min。

3、风阻系数

取管道达西系数：λ=0.011,空气密度ρ=1.23kg/m3,,摩阻系数α=0.011×1.2=0.0017，按配用软管直径d=1.5m、总长L=3000m计算风阻系数：

Rf=6.5αL/d5=6.5×0.0017×3000÷1.55=4.37N·S2/m8

4、管道压力损失：Hf=RfQFQ1=4.37×38×25=4123pa

风机设计全压：每台风机设计全压2200pa，2台串联工作。

5、风机配用电动机功率：N=1.05QFHf/η=1.05×38×2200/0.8=110KW。

选用电机功率115KW。

6、设备总数：

采用混合式通风需配置4台的单级双速轴流风机。

四、小结 

巷道式通风，两洞分别掘进4.3km，共投入单级双速轴流通风机2台，射流风机4台，通风系统总功率350kw，经济上比较合理。该通风方式一般以平导作为排烟通道，不影响后续工程施工。而龙潭隧道两个均是主洞，工期非常紧张，后续工作相继展开，巷道式通风要利用一个主洞作为排烟通道，将使该主洞的后续工序施工困难，进而影响总工期；混合式通风共投入单级双速轴流风机4台，射流风机4台，总功率580kw，通风设施投入多，通风费用高，但通风效果较好，尤其不影响后续工序的施工，可以保证总工期的实现。

综合比较，选择了混合式通风，采用混合式通风方式在龙潭隧道独头通风4300m的施工期间，通风效果较好。

防漏降阻是实现长距离通风的技术关键，在施工中应采取相应措施，确保隧道通风质量，重点注意以下几个方面：

1）选择优质风管材料，加大风管直径；加长风管节长，减少接头，即减少漏风量；以大代小，在净空允许的条件下，将φ1.50m的风管更换为φ1.80m的风管。

2）提高风管安装质量，使风管达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减少通风阻力。

3）各横洞的密闭墙必须密封，防止因漏风造成风压降低和污风循环。下载本文