論隧道施工通風(fēng)

張 軍

(中鐵十三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，天津 300308)

1 國(guó)內(nèi)隧道的建設(shè)情況

國(guó)內(nèi)隧道隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，鐵路、公路、水利、地下工程均得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，隧道的建設(shè)開(kāi)始向超長(zhǎng)、大跨、立體、水下及城市發(fā)展，隧道的建設(shè)規(guī)模日益加大。以超長(zhǎng)隧道為例，目前國(guó)內(nèi)在建的最長(zhǎng)隧道為新關(guān)角隧道(西格鐵路二線)全長(zhǎng)32.6 km，國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)，長(zhǎng)度世界排名第四。正在規(guī)劃設(shè)計(jì)的云南高黎貢山隧道長(zhǎng)度將達(dá)39 km以上;已經(jīng)通車的最長(zhǎng)公路隧道為秦嶺終南山隧道，長(zhǎng)度18.4 km，京福高速公路美菰林隧道，長(zhǎng)度11.2 km;國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的海底隧道如廈門翔安海底隧道，長(zhǎng)度6.1 km，膠州灣海底隧道，長(zhǎng)度6.17 km;大跨度(廣州繞城公路龍頭山隧道，開(kāi)挖跨度達(dá)22.88 m)、立體交叉(鼓山隧道群由6座隧道和3座橋梁組成的上下交錯(cuò)、兩兩互通的立體交叉系統(tǒng)，廈門鐘鼓山萬(wàn)石山隧道由7座隧道構(gòu)成洞內(nèi)立交)及城市地鐵隧道(北京、上海、廣州等)的建設(shè)也在國(guó)內(nèi)日益興起，施工技術(shù)水平也日益成熟。可以預(yù)見(jiàn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種形式的隧道及地下工程建設(shè)將會(huì)越來(lái)越多，其建設(shè)施工水平將會(huì)得到更大的提高。

2 施工通風(fēng)的重要性

隧道施工中，作業(yè)人員、機(jī)械設(shè)備(內(nèi)燃機(jī))均需要有滿足要求的新鮮空氣，洞內(nèi)施工爆破、機(jī)械設(shè)備等產(chǎn)生的有毒、有害氣體均需要有足夠的風(fēng)量將其排出洞外，以提供良好的施工環(huán)境。施工通風(fēng)作為隧道建設(shè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是決定施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，尤其是長(zhǎng)大隧道、瓦斯隧道、立體交叉隧道，更加需要有良好的洞內(nèi)施工通風(fēng)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)隧道在施工中，有的隧道由于在施工前對(duì)洞內(nèi)施工通風(fēng)的策劃和考慮不周，導(dǎo)致在施工中出現(xiàn)了作業(yè)人員由于缺氧而暈倒，不能繼續(xù)施工，內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備效率降低，廢氣排放量大，洞內(nèi)施工環(huán)境差的情況，影響了施工的正常進(jìn)行。如何考慮合理有效的施工通風(fēng)，既確保施工順利進(jìn)行，又不過(guò)于保守而浪費(fèi)資源，是隧道施工前諸多準(zhǔn)備工作中的一項(xiàng)重要工作。

3 施工通風(fēng)的考慮和計(jì)算

3.1 施工通風(fēng)的滿足對(duì)象

1)施工作業(yè)人員。

施工作業(yè)人員主要為洞內(nèi)進(jìn)行開(kāi)挖、支護(hù)、二次襯砌、施工保障人員、現(xiàn)場(chǎng)的施工管理及技術(shù)人員，這些人員在洞內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè)和管理時(shí)，必須有足夠的氧氣供應(yīng)，保證所有洞內(nèi)人員正常工作。人員的數(shù)量決定了供風(fēng)量的多少。按照正常要求，每個(gè)人需要的通風(fēng)量為3 m3/min～4 m3/min，如在高原地區(qū)，氧氣含量小于正常值的，則要通過(guò)測(cè)空氣氧氣含量后確定。

2)洞內(nèi)施工煙塵的排除。

施工產(chǎn)生的煙塵主要有:爆破產(chǎn)生的炮煙，內(nèi)燃機(jī)械燃燒油料后排出的廢氣，洞內(nèi)施工車輛產(chǎn)生的塵土，施工人員呼吸產(chǎn)生的廢氣，這些廢氣均需要提供足夠的風(fēng)量，將其排出洞外，盡可能減少其對(duì)設(shè)備和人員的影響，同時(shí)創(chuàng)造良好的洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境。按施工規(guī)范要求，炮煙的產(chǎn)生按照爆破物質(zhì)情況確定所需要的風(fēng)量，同時(shí)洞內(nèi)的回風(fēng)風(fēng)速應(yīng)該不小于0.25 m3/min。

3)內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備。

內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備在洞內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其燃油需要有足夠的氧氣才能夠?qū)㈩~定的功率正常體現(xiàn)，滿足施工的正常需要，因而必須有足夠的新鮮空氣進(jìn)入洞內(nèi)。一般內(nèi)燃設(shè)備的需風(fēng)量為30 m3/min。

4)瓦斯或者其他有害氣體的排除(如有)。

如隧道中含煤層，則需要考慮瓦斯氣體的排出，使其濃度能夠控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)瓦斯爆炸而引起安全事故;如有其他有害氣體則需要有足夠的風(fēng)量將其稀釋并排出洞外，避免對(duì)施工人員的身心健康造成損害。

3.2 施工通風(fēng)的計(jì)算

隧道洞內(nèi)施工通風(fēng)的計(jì)算要綜合考慮，上述所列的幾個(gè)方面均要計(jì)算，以最大需風(fēng)量進(jìn)行考慮，同時(shí)要考慮一定的富余系數(shù);對(duì)風(fēng)機(jī)的選擇要同時(shí)考慮風(fēng)量和風(fēng)壓相匹配。

3.2.1 施工人員的需風(fēng)量計(jì)算

按鐵路施工技術(shù)規(guī)范要求，洞內(nèi)作業(yè)人員每分鐘的供風(fēng)量不少于3 m3～4 m3，供風(fēng)量為:

其中，Q為工作面風(fēng)量，m3/min;N為隧道內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)。

3.2.2 洞內(nèi)煙塵需風(fēng)量計(jì)算

1)按排出炮煙計(jì)算:

a.壓入式通風(fēng)可按下式進(jìn)行計(jì)算:

其中，t為通風(fēng)時(shí)間;G為同時(shí)爆破的炸藥量，kg;L為臨界長(zhǎng)度，m，L=12.5GbK/(AP2)，b為炸藥爆炸產(chǎn)生的有害氣體，一般巖層中為40 m3/kg，煤層中為100m3/kg，K為紊流擴(kuò)散系數(shù)，取值為0.4～0.74之間，A為隧道開(kāi)挖斷面積，m2，P為風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)。

b.抽出式通風(fēng)可按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中各符號(hào)的意義同上所述。

2)按排出洞內(nèi)粉塵計(jì)算:

其中，V為排塵速度，取值為9 m/min～18 m/min;A為隧道開(kāi)挖斷面積，m2。

3.2.3 瓦斯隧道需風(fēng)量計(jì)算

其中，QCH4為工作面瓦斯的涌出量，m3/min;K為瓦斯涌出量的不平衡系數(shù)，取1.5～2.0;B0為工作面允許的瓦斯?jié)舛?，取?.01;BG0為送入工作面風(fēng)流中瓦斯的濃度。

3.2.4 內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備需風(fēng)量計(jì)算

其中，按每千瓦需風(fēng)量30 m3/(min·kW)考慮，∑Ni為洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的內(nèi)燃機(jī)總功率之和。

3.2.5 按洞內(nèi)最低允許風(fēng)速需風(fēng)量計(jì)算

其中，V為排塵速度，取值為0.15 m/min～0.25 m/min之間;A為隧道開(kāi)挖斷面積，m2。

以上計(jì)算出來(lái)的需風(fēng)量以最大值考慮，施工中由于管道的漏風(fēng)現(xiàn)象經(jīng)常造成入風(fēng)口與出風(fēng)口的風(fēng)量差別很大，通過(guò)理論所計(jì)算出來(lái)的風(fēng)量并不能反映實(shí)際情況，必須要考慮一定的需風(fēng)量備用系數(shù)1.1。如隧道位于高海拔地區(qū)，還應(yīng)依據(jù)海拔高度進(jìn)行折減。

3.3 施工通風(fēng)的風(fēng)壓計(jì)算

為保證將所需風(fēng)量送到工作面，并在出風(fēng)口保持一定的風(fēng)速，風(fēng)機(jī)應(yīng)該有足夠的風(fēng)壓來(lái)克服管道系統(tǒng)阻力，即要保證h風(fēng)＞h阻。對(duì)于風(fēng)壓的計(jì)算，可以采用以下兩種方法。

式中:h動(dòng)——?jiǎng)訅簱p失，一般取55 Pa;

h局——局部阻力損失;

h沿——沿程管道壓力損失。

式中:n——轉(zhuǎn)彎次數(shù);

c——轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)(轉(zhuǎn)彎取 0.04，穿越臺(tái)車取 0.3);

g——重力加速度，9.81 m/s2;

v——轉(zhuǎn)彎風(fēng)速，m/s。

其中，a為風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)，取a=3×10－4kg·s2/m3;L為風(fēng)管長(zhǎng)度，m;D為風(fēng)管直徑，m;g為重力加速度，9.81 m/s2。

方法二:總阻力h總=h1+h2+h局。

風(fēng)管內(nèi)摩擦阻力h1=λ×(L/D)×ρ×(V2/2)。

式中:λ——風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)，取0.007 8或按風(fēng)筒實(shí)際情況取值;L——風(fēng)管的最大長(zhǎng)度，m;D——風(fēng)管直徑，m;

ρ——空氣密度，kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)值 1.29，按實(shí)際海拔高度折減;

V——風(fēng)管平均風(fēng)速，m/s。

隧道內(nèi)摩擦阻力:

式中:λ——洞內(nèi)摩擦阻力系數(shù)，取0.02;

L——隧道的最大長(zhǎng)度，m;

D——隧道當(dāng)量直徑，m;

V——洞內(nèi)回流平均風(fēng)速，m/s。

風(fēng)管內(nèi)局部阻力:

式中:§——局部阻力系數(shù)，轉(zhuǎn)彎取0.04，穿越襯砌臺(tái)車取0.3;ρ——空氣密度，kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)值 1.29，按實(shí)際海拔高度折減;V——該部位風(fēng)速，m/s。

4 施工通風(fēng)方案的選擇

隧道的長(zhǎng)短、結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖形式及順序決定了通風(fēng)方案采用何種方式。國(guó)內(nèi)隧道在建設(shè)過(guò)程中，通常采用的機(jī)械通風(fēng)方式有:壓入式、抽出式、混合式，并通過(guò)計(jì)算確定洞內(nèi)的需風(fēng)量和風(fēng)壓要求，選擇合適的配套風(fēng)機(jī)。

4.1 通風(fēng)方式的選擇

1)對(duì)于獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度在200 m以內(nèi)的隧道，其通風(fēng)可以考慮自然通風(fēng)，利用外界的新鮮風(fēng)流的擴(kuò)散作用與工作面的空氣摻混，使洞內(nèi)的污濁空氣排出洞外，但如開(kāi)挖斷面較大，通風(fēng)效果不理想，尤其是開(kāi)挖作業(yè)后將需要很長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)行二次作業(yè)，應(yīng)考慮采用小型通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

2)對(duì)于獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度在5 000 m內(nèi)的單洞隧道，根據(jù)國(guó)內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)及風(fēng)機(jī)性能，對(duì)于開(kāi)挖斷面較小的，可以采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)采用大功率無(wú)級(jí)變速節(jié)能風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)數(shù)量可以根據(jù)隧道的洞內(nèi)實(shí)際情況采用1臺(tái)或者多臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)供風(fēng)，風(fēng)筒的直徑應(yīng)盡量考慮在不影響施工的情況下采用大直徑風(fēng)筒;如隧道斷面大(雙線鐵路隧道、公路隧道)，則應(yīng)采用混合式通風(fēng)方式，即采用壓入式和抽出式風(fēng)機(jī)共同進(jìn)行通風(fēng)，抽出式風(fēng)機(jī)為主風(fēng)機(jī)，其功率較大，將洞內(nèi)的廢煙、廢氣排出洞外，壓入式風(fēng)機(jī)為輔助風(fēng)機(jī)，功率較小(其主要作用是考慮將炮煙攪混均勻并排離工作面)，壓入式風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口距離抽出式風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口的重合距離應(yīng)該大于10 m，同時(shí)抽出式吸風(fēng)口距工作面的距離應(yīng)該大于炮煙拋擲長(zhǎng)度不應(yīng)小于30 m。

3)對(duì)于隧道長(zhǎng)度超過(guò)5 000 m的單洞特長(zhǎng)隧道，應(yīng)考慮在隧道中部增加豎井，利用豎井的負(fù)壓作用或者在豎井頂部安裝抽出式通風(fēng)機(jī)，同時(shí)采用壓入式或混合式通風(fēng)系統(tǒng)。

4)對(duì)于隧道是2座平行的情況，且隧道之間有橫通道連接的，如鐵路隧道正洞和平導(dǎo)平行，公路隧道上下行線路之間有人行和車行橫洞平行的，應(yīng)視隧道的長(zhǎng)度綜合考慮洞內(nèi)的通風(fēng)方式，一般前期采用壓入式通風(fēng)，后期視2座隧道的進(jìn)度情況改變通風(fēng)方式，即考慮采用混合式通風(fēng)，新鮮空氣采用壓入式供風(fēng)，并通過(guò)在橫通道處設(shè)置風(fēng)機(jī)，形成局部的通風(fēng)排煙，封堵橫通道(如橫通道為多個(gè))，避免洞內(nèi)形成循環(huán)風(fēng)，使洞內(nèi)的污濁空氣基本上沿固定的路徑排出。如設(shè)計(jì)或施工需要，可以考慮在2座隧道之間設(shè)置豎井，提高通風(fēng)效率。

5)對(duì)于立體交叉的多座隧道，施工通風(fēng)應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖順序、隧道的平面位置等多種因素進(jìn)行考慮，必要時(shí)可以考慮水幕降塵配合，以確定最經(jīng)濟(jì)合理的通風(fēng)方式。

4.2 通風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒的選擇

在通風(fēng)方案確定，并依據(jù)計(jì)算得出所需的風(fēng)量和風(fēng)壓后，需要選擇配套的通風(fēng)機(jī)。國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)的型號(hào)有多種，在風(fēng)機(jī)選擇時(shí)應(yīng)盡量考慮采用無(wú)級(jí)變速節(jié)能的風(fēng)機(jī)。一般國(guó)內(nèi)通風(fēng)機(jī)標(biāo)定的風(fēng)量、風(fēng)壓、電機(jī)功率等在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中并不能夠全部有效發(fā)揮，在風(fēng)機(jī)選型時(shí)必須要大于所計(jì)算的風(fēng)量和風(fēng)壓，以確保在施工中通風(fēng)滿足要求。

對(duì)于通風(fēng)筒的選擇，應(yīng)根據(jù)隧道斷面大小盡量選擇大直徑、高強(qiáng)度、性價(jià)比高的優(yōu)質(zhì)軟風(fēng)筒，風(fēng)筒的接頭宜采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，使風(fēng)筒內(nèi)部平順，減少通風(fēng)阻力和漏風(fēng)率，提高通風(fēng)效率。

4.3 通風(fēng)實(shí)例

以西安南京鐵路東秦嶺隧道為例，該隧道正洞和平導(dǎo)長(zhǎng)度均為12.2 km，2座隧道平行，線間距30 m，出口段通風(fēng)長(zhǎng)度6 129 m，施工中采用分階段實(shí)施不同的通風(fēng)方案。

第一階段，平導(dǎo)和正洞在2 300 m內(nèi)采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)采用天津通風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的93-1型，風(fēng)機(jī)功率2×110 kW，供風(fēng)量為2 000 m3/min，風(fēng)壓4 500 Pa，風(fēng)筒采用河南洛陽(yáng)生產(chǎn)的直徑1 400 mm的優(yōu)質(zhì)軟風(fēng)筒。此階段內(nèi)正洞和平導(dǎo)之間的風(fēng)流不產(chǎn)生聯(lián)系。

第二階段，平導(dǎo)過(guò)2 300 m后，在正洞和平導(dǎo)之間設(shè)置159 m深直徑2.5 m的通風(fēng)豎井，將洞口的風(fēng)機(jī)移至豎井處進(jìn)行壓入式通風(fēng)，利用豎井的負(fù)壓將廢氣排出。

第三階段，當(dāng)從平導(dǎo)施工至5 000 m，且從平導(dǎo)的3 600 m和4 800 m處開(kāi)橫通道進(jìn)入正洞施工后，將通風(fēng)方式調(diào)整為混合式通風(fēng)，即在豎井頂部安裝1臺(tái)93-1型風(fēng)機(jī)將平導(dǎo)和正洞內(nèi)的廢氣排除，安裝1臺(tái)88-1型風(fēng)機(jī)(壓入式)(功率2×80 kW，風(fēng)量1 500 m3/min，風(fēng)壓3 600 Pa)解決3 600 m處的正洞供風(fēng)，1臺(tái)93-1型風(fēng)機(jī)(壓入式)解決平導(dǎo)和4 800 m處正洞的通風(fēng)(在4 800 m處設(shè)置三通活動(dòng)風(fēng)門)。

經(jīng)施工實(shí)踐證明，通風(fēng)方案可行，取得了較好的效果。

5 實(shí)施中影響通風(fēng)效果的因素

5.1 通風(fēng)路徑的設(shè)置

隧道施工通風(fēng)方案中，通風(fēng)路徑如設(shè)置不合理將影響通風(fēng)效果。實(shí)施中，如單一隧道，通風(fēng)路徑應(yīng)盡量將其設(shè)置為沿直線或者隧道方向通向工作面，需要拐彎應(yīng)保證其角度不小于110°，在通過(guò)洞內(nèi)的襯砌臺(tái)車時(shí)，應(yīng)在臺(tái)車兩側(cè)設(shè)置鐵皮風(fēng)筒進(jìn)行過(guò)渡，盡量減少由于拐彎和風(fēng)筒直徑變化造成增大風(fēng)阻，影響通風(fēng)效果;如為2座以上的相互關(guān)聯(lián)隧道，則其路徑應(yīng)綜合考慮，通風(fēng)路徑需要布置合理，不能隨意變動(dòng)，如需要做三通接口，三通角度應(yīng)做成45°，相應(yīng)的風(fēng)門必須要做好，避免加大漏風(fēng)率。

5.2 風(fēng)筒的質(zhì)量

風(fēng)筒的耐久性、密封性等是決定在使用期間其壽命、漏風(fēng)率的關(guān)鍵。實(shí)施中應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)的軟風(fēng)筒，尤其是接頭部位應(yīng)采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，減少修補(bǔ)的幾率和漏風(fēng)率;如短距離使用鐵皮風(fēng)筒，則應(yīng)盡量使每節(jié)風(fēng)筒的長(zhǎng)度不小于6 m，減少接頭數(shù)量，鐵皮進(jìn)行卷筒咬接，并采用密封材料處理，每節(jié)接頭采用法蘭連接，連接處采用高性能的橡膠墊。

5.3 風(fēng)筒的掛設(shè)質(zhì)量

實(shí)施中風(fēng)筒掛設(shè)應(yīng)按方案設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行掛設(shè)，保證掛設(shè)順直且在同一個(gè)水平面上，不要出現(xiàn)非正常的拐彎、高低不平、未拉直等情況，以減少風(fēng)筒內(nèi)部阻力。

5.4 風(fēng)筒的漏風(fēng)情況

風(fēng)筒在使用過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)被掛壞的情況，對(duì)于長(zhǎng)距離的通風(fēng)，如不及時(shí)修補(bǔ)，則其漏風(fēng)率將會(huì)非常嚴(yán)重，按每一百米1%的漏風(fēng)率計(jì)算，2 000 m的管道到出風(fēng)口的出風(fēng)量?jī)H為進(jìn)風(fēng)口的80%，風(fēng)量將損失20%，加上沿管道的風(fēng)阻，通風(fēng)的效果將大受影響。因此施工中對(duì)出現(xiàn)漏風(fēng)的部位，必須要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。

6 施工通風(fēng)管理

通風(fēng)方案實(shí)施中項(xiàng)目應(yīng)組建精干高效的施工作業(yè)班組，專職負(fù)責(zé)施工通風(fēng)的風(fēng)機(jī)維護(hù)、風(fēng)筒掛設(shè)及維護(hù)工作，施工作業(yè)人員通過(guò)培訓(xùn)后上崗，要認(rèn)真負(fù)責(zé)，每天24 h有人在洞內(nèi)巡視通風(fēng)情況，熟悉隧道內(nèi)作業(yè)的各個(gè)工序情況和通風(fēng)要求，對(duì)出現(xiàn)破損漏風(fēng)的風(fēng)筒及時(shí)修補(bǔ)或更換，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況隨時(shí)掌握，保證通風(fēng)既滿足洞內(nèi)施工作業(yè)的要求，又達(dá)到節(jié)省費(fèi)用的目標(biāo)。