特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

吳志華，林國輝，陳艷瓊

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007；2.福州京臺(tái)高速公路有限公司，福州 350002)

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特長(zhǎng)公路隧道施工通風(fēng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

吳志華1，林國輝2，陳艷瓊1

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007；2.福州京臺(tái)高速公路有限公司，福州 350002)

為了促進(jìn)巷道式通風(fēng)、壓入式通風(fēng)方式在特長(zhǎng)公路隧道施工中的應(yīng)用和發(fā)展，以福州京臺(tái)高速公路牛巖山特長(zhǎng)隧道主洞施工通風(fēng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)為例，介紹了該特長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)方式選擇、通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選擇、施工通風(fēng)布置方案、施工通風(fēng)管理等.該特長(zhǎng)隧道選用巷道式通風(fēng)和壓入式通風(fēng)方式，成功解決了特長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)問題，安全順利的完成了隧道主洞的施工任務(wù).可給類似隧道的施工通風(fēng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供參考.

特長(zhǎng)公路隧道；巷道式通風(fēng)；壓入式通風(fēng)；技術(shù)方案；設(shè)計(jì)

0　引言

近年來，隨著我國高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，我國的公路隧道建設(shè)取得了巨大的成就.尤其是山嶺重丘區(qū)的高等級(jí)公路，大多以隧道的形式穿越高山峻嶺,其中不但有中、短隧道，更有長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道、隧道群等，如已建的秦嶺終南山隧道(長(zhǎng)18.021km)、福建美菰林隧道(長(zhǎng)5.56km)、湖南雪峰山隧道(長(zhǎng)6.95km)等[1],在建的有福州京臺(tái)高速公路牛巖山隧道(9.227km)、四川國道317線雀兒山隧道(長(zhǎng)7.079km)等.目前,公路隧道的施工大多是采用新奧法進(jìn)行的,開挖基本上采用鉆爆法,出碴多采用無軌運(yùn)輸.在隧道施工開挖時(shí)，為了稀釋和排出巖體涌出的有害氣體、爆破產(chǎn)生的炮煙和粉塵，保持良好的空氣條件，必須對(duì)開挖工作面進(jìn)行通風(fēng)，即向工作面送入新鮮風(fēng)流，稀釋和排出污濁空氣，確保隧道施工安全及工程順利進(jìn)展.對(duì)短隧道來講,通常采用自然通風(fēng)就可以解決洞內(nèi)施工環(huán)境問題,而對(duì)中長(zhǎng)隧道,特別是特長(zhǎng)隧道,施工通風(fēng)就是一項(xiàng)必須著重解決的技術(shù)難題，因此在施工前需進(jìn)行隧道施工通風(fēng)專項(xiàng)方案設(shè)計(jì).本文以福州京臺(tái)高速公路JTA4合同段所屬牛巖山隧道進(jìn)口工區(qū)的主洞施工通風(fēng)為例，談?wù)勌亻L(zhǎng)公路隧道的施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì).

1　工程概況

福州京臺(tái)高速公路牛巖山隧道位于閩侯縣洋里鄉(xiāng)，全長(zhǎng)9226.5m，為目前福建省已建及在建的最長(zhǎng)公路隧道.根據(jù)建設(shè)方安排，牛巖山隧道劃分為進(jìn)口端和出口端兩段，分別屬于JTA4合同段和JTA5合同段，其中JTA4合同段承擔(dān)牛巖山隧道主洞進(jìn)口端左線5333m(ZK115+167～ZK120+500)和右線5314m(YK115+186～YK120+500)的主洞施工任務(wù).牛巖山隧道為平行雙隧，左右線各設(shè)有一座通風(fēng)斜井，其中左線斜井長(zhǎng)1336.66m，坡度為14.56%，與左線主洞交匯于ZK119+051.25；右線斜井長(zhǎng)1030m，坡度為16.05%，與右線主洞相交于ZK119+289.57.隧道結(jié)構(gòu)按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工.

根據(jù)施工組織安排，JTA4合同段所屬牛巖山隧道分為進(jìn)口工區(qū)和斜井工區(qū)，其中進(jìn)口工區(qū)包括主洞進(jìn)口端左線3433m(ZK115+167～ZK118+600)和右線3414m(YK115+186～YK118+600)，由兩個(gè)施工隊(duì)分別從左右線主洞進(jìn)口端向內(nèi)掘進(jìn)施工.斜井工區(qū)包括左右斜井、主洞左線1900m(ZK118+600～ZK120+500)和右線1900m(YK1158+600～YK10+500)，也由兩個(gè)施工隊(duì)分別從左右線斜井進(jìn)口向內(nèi)掘進(jìn)施工.

2　隧道施工通風(fēng)方式選擇

在隧道施工過程中，有效而迅速地通風(fēng)，不但能減少作業(yè)循環(huán)時(shí)間，而且可以保證隧道中有足夠的新鮮空氣.但是，如何才能充分利用現(xiàn)有條件，使通風(fēng)效果達(dá)到最佳、成本降到最低呢?這首先就需要對(duì)通風(fēng)方式進(jìn)行合理的選擇.

隧道施工通風(fēng)方式按照通風(fēng)的動(dòng)力劃分，可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng).機(jī)械通風(fēng)根據(jù)隧道的長(zhǎng)短、是否存在輔助坑道等條件，又可分為壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)[2].

牛巖山隧道為平行雙隧，左右線之間每隔750m設(shè)有行車橫洞，具備采用射流巷道式通風(fēng)的條件，所以本隧道主洞施工通風(fēng)方式選擇壓入式通風(fēng)和射流巷道式通風(fēng).在施工前期，隧道主洞采用獨(dú)頭掘進(jìn)，左右線同時(shí)施工，從隧道進(jìn)口端到第一個(gè)行車橫洞貫通前，采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行獨(dú)頭壓入式通風(fēng)；在第一個(gè)行車橫洞貫通后，改為采用射流巷道式通風(fēng)，在行車橫洞處設(shè)置射流風(fēng)機(jī)供風(fēng).

采用巷道式通風(fēng)方式時(shí)，從隧道右洞引入新鮮空氣，左洞排放污風(fēng)，右洞掌子面污風(fēng)通過行車橫洞排放至左洞，再排出洞外，進(jìn)風(fēng)段右洞禁止行車，所有進(jìn)出車輛進(jìn)入右洞掌子面需從左洞經(jīng)行車橫洞后再前往右洞.

3　施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選擇

3.1通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

3.1.1通風(fēng)控制風(fēng)量計(jì)算原則

隧道施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同一時(shí)間工作最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、一次性爆破需排除的炮煙量、沖淡內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害氣體分別計(jì)算，然后取其中計(jì)算出的最大值作為控制風(fēng)量[3].

3.1.2控制風(fēng)量的計(jì)算確定

(1)按洞內(nèi)同一時(shí)間工作最多人數(shù)計(jì)算：

根據(jù)JTA4合同段所屬牛巖山隧道的施工組織安排，隧道主洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)按60人計(jì)算,所需風(fēng)量計(jì)算式為：

Q人=q·n·k=3×60×1.1=198m3/min.

式中：q—作業(yè)面每一作業(yè)人員每分鐘所需的新鮮空氣量，取3m3/min·人；n—作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)，主洞按60人計(jì)；k—風(fēng)量備用系數(shù)，按1.1計(jì).

(2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算：

為保證洞內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)流，洞內(nèi)允許最小風(fēng)速按0.25m/s計(jì)算,所需風(fēng)量的計(jì)算式為：

Q風(fēng)=60 S·V=60×84×0.25=1260m3/min.

式中：S—隧道開挖斷面積84m2；V—洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.25m/s.

(3)按排除因一次性爆破產(chǎn)生的炮煙量計(jì)算:

排除因一次性爆破產(chǎn)生的炮煙所需風(fēng)量按下列公式計(jì)算：

式中：A—同時(shí)爆破炸藥量，252kg；t—通風(fēng)時(shí)間，30min；L—炮煙拋擲長(zhǎng)度，250m；F—隧道斷面積，84m2.

經(jīng)計(jì)算可知，所需風(fēng)量Q0=1250m3/min.

(4)按沖淡內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害氣體計(jì)算所需風(fēng)量(空氣量)：

沖淡內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害氣體所需風(fēng)量(空氣量)按內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率進(jìn)行計(jì)算.JTA4合同段所屬牛巖山隧道主洞開挖施工時(shí)，掌子面有1臺(tái)裝載機(jī)功率為150kW、1臺(tái)出渣車功率為285kW，2臺(tái)內(nèi)燃機(jī)械總功率為150+285=435kW.沖淡內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的有害氣體所需風(fēng)量按下列公式計(jì)算：

Q內(nèi)=H·q=435×4=1740m3/min.

式中：H—內(nèi)燃機(jī)械總功率，435kW；q—內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量，4m3/(min·kW).

(5)控制風(fēng)量

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知，按內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率計(jì)算沖淡內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的有害氣體所需風(fēng)量Q內(nèi)=1740m3/min為最大值，故隧道主洞無軌運(yùn)輸時(shí)開挖作業(yè)面所需控制風(fēng)量確定為1740m3/min.

3.2通風(fēng)設(shè)備選型計(jì)算

(1)軸流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

通風(fēng)阻力因選擇的風(fēng)管直徑和風(fēng)機(jī)型號(hào)以及送風(fēng)距離的不同會(huì)有很大差距，如果選擇的風(fēng)管直徑過小，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)阻力過大，不能滿足送風(fēng)需要；如果選擇的風(fēng)管直徑過大，又會(huì)造成浪費(fèi)，且不利于施工組織.

針對(duì)進(jìn)口工區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合風(fēng)機(jī)特性曲線和送風(fēng)長(zhǎng)度對(duì)通風(fēng)阻力進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)也對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)管進(jìn)行選型匹配.風(fēng)管阻力曲線計(jì)算公式如下：

式中：P—風(fēng)管沿程阻力，Pa；λ—摩阻系數(shù)，0.02；ρ—空氣密度，1.19kg/m3；d—風(fēng)管直徑，1.6m；β—風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率，1.5%；L—管路長(zhǎng)度，m；Qf—風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量1740/60=29m3/s.

由于進(jìn)口工區(qū)第一個(gè)行車橫洞貫通后采用射流巷道式通風(fēng)，根據(jù)施工組織進(jìn)度計(jì)劃可知，軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)管路最大長(zhǎng)度不超過1500m(隧道進(jìn)口至第二個(gè)行車橫洞之間距離)，主洞開挖面需風(fēng)量為1740m3/min，這也是風(fēng)管出口所需最小風(fēng)量.根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線和風(fēng)管阻力曲線匹配，并反復(fù)計(jì)算比選可得出：選用2×110kW軸流風(fēng)機(jī)與Φ1.6m風(fēng)管匹配,可供開挖面風(fēng)量為：

2912*(1-1500/100*1.5%)=2257>1740m3/min,可以滿足通風(fēng)要求.

(2)射流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

因射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力必須大于或等于整個(gè)系統(tǒng)的阻力，故射流風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓hf可按下列計(jì)算式計(jì)算，即：

hf≥∑Hs+∑HL

式中：Hs—摩擦阻力；HL—局部阻力.

式中：ζ—局部阻力系數(shù)；V—產(chǎn)生局部阻力前或后的空氣流動(dòng)平均速度(m/s)；

式中:Hf—射流風(fēng)機(jī)壓力，Pa；Vj—射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s；Aj—射流風(fēng)機(jī)出口斷面積，m2；Ag—隧道斷面積，m2；Vgo—隧道內(nèi)風(fēng)速，m/s；kj—增壓系數(shù),0.85；nj—射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù).

經(jīng)計(jì)算可知：進(jìn)口工區(qū)需要55kW射流風(fēng)機(jī)3臺(tái).

3.3通風(fēng)設(shè)備配置

隧道各工區(qū)因通風(fēng)條件不同,對(duì)通風(fēng)設(shè)備要求的型號(hào)和數(shù)量也不同.根據(jù)上面軸流風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算結(jié)果，牛巖山隧道進(jìn)口工區(qū)所需的通風(fēng)設(shè)備參數(shù)和數(shù)量如表1所示.

表1　通風(fēng)設(shè)備主要參數(shù)及數(shù)量表

4　施工通風(fēng)布置方案

4.1通風(fēng)布置階段

在隧道主洞開挖施工中，通風(fēng)設(shè)備需結(jié)合隧道開挖工作面的進(jìn)展而布置.根據(jù)該段隧道總體施工進(jìn)度安排，進(jìn)口工區(qū)施工通風(fēng)布置共分四個(gè)階段：

第一階段，在施工初期，主洞左右線兩個(gè)開挖面均采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，分別在左右線洞口采用一臺(tái)2×110kW軸流風(fēng)機(jī)和Φ1.6mPVC風(fēng)管送風(fēng)，布置圖如圖1所示，在1#行車橫洞貫通后進(jìn)行階段調(diào)整，風(fēng)管送風(fēng)最長(zhǎng)距離控制在1500m以內(nèi).

第二階段，1#行車橫洞貫通并具備階段調(diào)整條件后，將洞口兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)設(shè)置在左線距1#行車橫洞50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個(gè)開挖面送風(fēng)，在距洞口300m處增設(shè)1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，形成射流巷道式通風(fēng)，布置圖見圖2.在2#行車橫洞貫通后再準(zhǔn)備進(jìn)行階段調(diào)整.

圖1　進(jìn)口工區(qū)第一階段通風(fēng)布置圖

圖2　進(jìn)口工區(qū)第二階段通風(fēng)布置圖

第三階段，2#行車橫洞貫通并具備階段調(diào)整條件后，利用風(fēng)墻封閉1#行車橫洞，將左線1#行車橫洞處的兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)前移至距2#行車橫洞50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個(gè)開挖面送風(fēng)，同時(shí)在距1#行車橫洞300m左右的大里程位置再增設(shè)1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，布置圖見圖3.左右線之間主要通過2#行車橫洞聯(lián)通，在3#行車橫洞貫通后再準(zhǔn)備階段調(diào)整.

圖3　進(jìn)口工區(qū)第三階段通風(fēng)布置圖

第四階段，3#行車橫洞貫通并具備階段調(diào)整條件后，利用風(fēng)墻封閉2#行車橫洞，將左線2#行車橫洞處的兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)前移至距3#行車橫洞50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個(gè)開挖面送風(fēng)，同時(shí)在距2#行車橫洞300m大里程位置再增設(shè)1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，布置圖見圖4.左右線之間主要通過3#行車橫洞聯(lián)通，保持此方式直到與斜井工區(qū)貫通.

圖4　進(jìn)口工區(qū)第四階段通風(fēng)布置圖

4.2管線布置

洞內(nèi)三管二線嚴(yán)格按要求懸掛在邊墻上，做到既符合安全要求，又符合文明施工要求，體現(xiàn)企業(yè)管理形象.圖5為隧道主洞施工通風(fēng)、排水及管線布置示意圖.

圖5　隧道主洞施工通風(fēng)、排水及管線布置示意圖

5　施工通風(fēng)管理

牛巖山隧道施工通風(fēng)按照“合理布局、優(yōu)化匹配、防漏降阻，嚴(yán)格管理，確保效果”二十字方針，作為通風(fēng)管理的指導(dǎo)原則，強(qiáng)化通風(fēng)管理，并在施工過程中采取以下措施，確保施工通風(fēng)滿足要求.

(1)成立施工通風(fēng)管理小組，建立健全通風(fēng)管理制度，通風(fēng)機(jī)安排專人管理值守，按規(guī)程要求操作通風(fēng)機(jī)，定期檢查、維修、保養(yǎng)通風(fēng)機(jī).

(2)狠抓“防漏降阻”工作，只有管道漏風(fēng)和摩阻系數(shù)小，才能確保單機(jī)送風(fēng)距離長(zhǎng)，效果好.因此，要求施工時(shí)每班設(shè)專職風(fēng)管維修工，對(duì)全部風(fēng)管進(jìn)行檢查，不平、不順之處及時(shí)調(diào)直調(diào)平，發(fā)現(xiàn)風(fēng)管破損漏風(fēng)，及時(shí)處理.輕微破損的管節(jié)，采用膠水粘補(bǔ)，粘補(bǔ)后30分鐘不得通風(fēng)；嚴(yán)重破損的管節(jié)，必須及時(shí)更換，從而降低漏風(fēng)系數(shù)，保證管道密封性.

(3)加強(qiáng)運(yùn)輸設(shè)備的維修保養(yǎng)，按照設(shè)備管理制度要求定期維修，特別是進(jìn)氣道和燃油系統(tǒng)需進(jìn)行強(qiáng)化保養(yǎng)，并堅(jiān)持燃油沉淀過濾制度，減少廢氣的排放.

(4)降塵措施

作業(yè)環(huán)境粉塵濃度標(biāo)準(zhǔn)：作業(yè)環(huán)境每立方米空氣中的粉塵允許含量為：含10%以上游離二氧化硅(SiO2)的粉塵不超過2mg/m3；含10%以下游離二氧化硅(SiO2)的粉塵不超過4mg/m3.

① 隧道掘進(jìn)和出渣期間，用粉塵測(cè)定儀在隧道開挖面附近測(cè)定粉塵含量;② 鉆眼作業(yè)采用濕式鑿巖，鑿巖機(jī)在鉆眼時(shí)先送水后送風(fēng).禁止采用干式鑿巖;③ 出渣前用水淋濕全部石渣和附近巖壁;④ 洞內(nèi)施工人員佩帶防塵面罩.

6　結(jié)　語

牛巖山隧道施工通風(fēng)方式主要采用巷道式通風(fēng)，此通風(fēng)方案具有工作面通風(fēng)效果良好、污風(fēng)排出速度快、節(jié)約用電等優(yōu)點(diǎn).目前，隧道進(jìn)口工區(qū)已全部貫通，洞內(nèi)施工通風(fēng)順暢，工程進(jìn)展順利，說明該隧道進(jìn)口工區(qū)的施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)是合理的，完全能滿足隧道施工現(xiàn)場(chǎng)需要.

[1]韓直.公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的理念與方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005(3)：464-466.

[2]李永生.隧道施工通風(fēng)方式的選擇[J].西部探礦工程，2004(6)：86-89.

[3]賴滌泉．隧道施工通風(fēng)與防塵[M]．北京: 中國鐵道出版社，1994．

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF60-2009)[S].

[5]鐵道部第二工程局．鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)——隧道[M]．北京:中國鐵道出版社，1995．

TheDesignofConstructionVentilationTechniqueProjectforSuper-longHighwayTunnel

WUZhi-hua1，LINGuo-hui2，CHENYan-qiong1

(1.FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China；2.FuzhouJing-taiFreewayCo.,Ltd,Fuzhou350002,China)

Fortheapplicationanddevelopmentoflateralventilationandcompressiveventilationstylesinthesuper-longhighwaytunnelconstruction,thisthesisgivesanexampleofthedesignofconstructionventilationtechniqueprojectforNiuyanshansuper-longtunnelofBeijing-TaibeifreewayinFuzhou,introducestheselectionofventilationstyle,theamountofventilationcalculationandfacilitiesselection,ventilationlayoutproject,ventilationmanagementofthesuper-longtunnel.Thesuper-longtunnelselectslateralventilationandcompressiveventilationstylestosolvetheproblemofsuper-longtunnelconstructionventilationsuccessfully,andtofulfilthetaskofconstrucingthemainholeofthetunnelsafely.Thisthesisalsohopestoprovideareferenceforconstructingthesimilartunnels.

super-longhighwaytunnel;lateralventilation;compressiveventilation;techniqueproject;design

2015-09-04

吳志華(1971-)，男，碩士，副教授，研究方向：道路橋隧工程.

U453.5

A

1671-119X(2016)01-0081-05