基于洞內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的長大隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)

肖粵秀，楊新安，江星宏，何知思

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

基于洞內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的長大隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)

肖粵秀，楊新安，江星宏，何知思

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

通風(fēng)是長大隧道多工作面施工的重要輔助作業(yè)系統(tǒng)，是保證施工人員身體健康與機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。通過對(duì)滬昆客專壁板坡隧道施工通風(fēng)第五階段的通風(fēng)質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)存在工作面供風(fēng)量不足、工作面風(fēng)速偏低、粉塵、CO含量偏高等問題，采取增設(shè)射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)、加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的管理與維護(hù)等措施改善通風(fēng)系統(tǒng)。實(shí)測結(jié)果表明，以上措施改善了施工通風(fēng)效果，提高了隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，但還需要根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)一步改善通風(fēng)系統(tǒng)。

長大隧道；多工作面施工；通風(fēng)；空氣質(zhì)量監(jiān)測

鐵路新線建設(shè)中，長大隧道的施工進(jìn)度往往決定了全線的工期。為縮短工期，長大隧道工程通常設(shè)計(jì)輔助坑道如平行導(dǎo)坑、斜井、豎井等以增加工作面、輔助隧道施工、加快施工進(jìn)度，輔助坑道也是實(shí)施施工通風(fēng)的重要通道。通風(fēng)是長大隧道多工作面施工中重要的輔助作業(yè)系統(tǒng)[1]，是及時(shí)為工作面提供新鮮空氣、排出粉塵及有毒有害氣體、創(chuàng)造良好施工環(huán)境，保證隧道內(nèi)工作人員健康與安全、維持機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。

苑郁林等[2]對(duì)烏鞘嶺特長隧道施工通風(fēng)階段劃分及其特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，分析了施工通風(fēng)對(duì)施工組織的制約，說明施工通風(fēng)在特長隧道施工中的重要性。辛國平[3]介紹了渝利鐵路長洪嶺隧道施工中采用分隔斜井、設(shè)置風(fēng)倉，聯(lián)合壓入式風(fēng)管實(shí)現(xiàn)污風(fēng)與新鮮風(fēng)的分離的通風(fēng)方法，適用于長大隧道斜井工區(qū)的長距離獨(dú)頭通風(fēng)。胡根友[4]指出影響長大隧道通風(fēng)效果的因素很多，應(yīng)從加強(qiáng)施工現(xiàn)場的通風(fēng)管理入手整體提高長大隧道施工通風(fēng)質(zhì)量。譚信榮[5]分析了油竹山隧道各施工階段的空氣質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，指出隧道掘進(jìn)長度超過3 500 m后，粉塵濃度超標(biāo)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出了干式除塵機(jī)與壓入式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)相結(jié)合的優(yōu)化措施，有效地降低粉塵含量，保證隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。明建龍[6]介紹了云頂隧道采用的自動(dòng)監(jiān)測與人工監(jiān)測所結(jié)合的嚴(yán)密有效的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)及其通風(fēng)方案，以提高瓦斯隧道的預(yù)測能力和通風(fēng)效果。

許多學(xué)者[7-10]結(jié)合長大隧道施工特征對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)管進(jìn)行了選型與配置，強(qiáng)調(diào)了長大隧道施工過程中通過現(xiàn)場通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等方法來實(shí)時(shí)調(diào)整并改進(jìn)通風(fēng)方案的重要性。但少有長大隧道工程在實(shí)際施工中通過通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果反饋并改進(jìn)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施。

本文通過現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果分析得知，滬昆客運(yùn)專線壁板坡隧道第五階段通風(fēng)過程中存在工作面供風(fēng)量不足、工作面風(fēng)速偏低、粉塵和CO在工區(qū)內(nèi)堆積無法快速排出等問題。針對(duì)此情況，對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)提出了改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了空氣質(zhì)量監(jiān)測，證明了改進(jìn)措施對(duì)于改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量起到較好作用。

1 工程概況

壁板坡隧道全長14.576 km，是滬昆線最長的隧道，屬I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，是全線的重大控制工程。壁板坡隧道進(jìn)口處受地形限制，采用合分修結(jié)構(gòu)形式；隧道洞身被多條斷層帶切割，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，為控制施工風(fēng)險(xiǎn)、保障運(yùn)營安全，設(shè)計(jì)為上、下行分離的雙線隧道。貫通平導(dǎo)位于隧道左側(cè)，全長14.717 km，作為施工通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)妮o助坑道，并為正洞施工進(jìn)行超前地質(zhì)探測和預(yù)報(bào)。壁板坡隧道采用“平導(dǎo)超前、左線緊跟、右線正常推進(jìn)”的施工方式，平導(dǎo)與正洞、左線與右線間以橫通道連接，實(shí)現(xiàn)多工作面快速施工。

根據(jù)壁板坡隧道施工階段特征和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，主要分為六個(gè)施工通風(fēng)階段，如表1所示。

表1 隧道施工通風(fēng)階段劃分Tab.1 Stages of ventilation during the tunnel construction

壁板坡隧道進(jìn)、出口端同時(shí)掘進(jìn)，平導(dǎo)超前掘進(jìn)迅速貫通，隧道施工通風(fēng)主要處于第五階段，如圖1所示。此時(shí)平導(dǎo)已貫通，左線尚未貫通，通風(fēng)距離長，左、右線工作面多，工作面污風(fēng)須經(jīng)平導(dǎo)引流至已貫通左線內(nèi)，造成平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)流紊亂，污風(fēng)排出不順，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量下降。

圖1 第五階段施工通風(fēng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fifth stage of ventilation

2 隧道施工空氣質(zhì)量監(jiān)測

通過對(duì)壁板坡隧道內(nèi)粉塵及有害氣體含量進(jìn)行監(jiān)測，找出通風(fēng)系統(tǒng)存在的不足之處，改善通風(fēng)措施，確保隧道內(nèi)空氣質(zhì)量滿足規(guī)范要求，保證施工人員健康、施工設(shè)備正常運(yùn)行。

2.1 隧道施工通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2001）、《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 042-94）、《鐵路隧道工程施工安全設(shè)計(jì)規(guī)程》（TB 10304-2009）等技術(shù)規(guī)范，壁板坡隧道施工環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.2 監(jiān)測儀器與測點(diǎn)布置

結(jié)合工程實(shí)際，本隧道重點(diǎn)針對(duì)CO、粉塵、風(fēng)速、溫度等通風(fēng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測儀器如表3所示。

表2 隧道施工通風(fēng)控制指標(biāo)Tab.2 Controlling indicators of ventilation during tunnel construction

表3 監(jiān)測儀器型號(hào)表Tab.3 Models of monitoring instruments

隧道施工通風(fēng)第五階段，平導(dǎo)已經(jīng)全線貫通，左線1#～8#也已經(jīng)貫通，8#橫通道成為隧道交通以及通風(fēng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，9#～12#橫通道處左、右線有多個(gè)工作面，因此在8#～12#橫通道處布置監(jiān)測點(diǎn)以掌握隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。監(jiān)測點(diǎn)如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points in different sites

2.3 空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果

1）粉塵含量。隧道施工中粉塵主要來源于開挖面鉆孔、爆破噴射混凝土棄渣裝車運(yùn)輸?shù)仁┕きh(huán)節(jié)，長時(shí)間懸浮于空氣中將嚴(yán)重降低隧道內(nèi)的可見度、危害作業(yè)人員健康。

8#～12#工區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)粉塵含量如圖3所示。根據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10304-2009）中的要求，容許的粉塵濃度為每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2 mg。該階段內(nèi)9#～12#工作面的粉塵含量均嚴(yán)重偏高，遠(yuǎn)大于規(guī)定值，其中，9#工區(qū)13號(hào)測點(diǎn)為右線大里程處工作面，12#工區(qū)9號(hào)測點(diǎn)為左線大里程工作面，粉塵含量嚴(yán)重超標(biāo)。

2）CO含量。CO是壁板坡隧道內(nèi)主要的有害氣體，CO含量主要來源于CO沿開挖面裂隙滲透進(jìn)入隧道開挖面，爆破完成后，通風(fēng)風(fēng)壓、通風(fēng)風(fēng)量、通風(fēng)時(shí)間不足等造成CO滯留工作面附近。運(yùn)輸車輛尾氣的排放也是CO的來源之一。

8#～12#工區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)CO含量如圖4所示。8#～10#工區(qū)內(nèi)CO濃度滿足規(guī)范要求，而11#與12#工區(qū)內(nèi)CO濃度遠(yuǎn)超規(guī)范允許值30 mg·m－3（24 ppm），不滿足規(guī)范中隧道安全生產(chǎn)的要求。CO的滯留不僅容易起火，存在安全隱患，且作業(yè)人員吸入CO過多而易中毒，威脅作業(yè)人員安全。

圖3 8#～12#工區(qū)監(jiān)測點(diǎn)粉塵含量分布Fig.3 Dust content in 8#～12#sites

圖4 8#～12#工區(qū)監(jiān)測點(diǎn)CO含量分布Fig.4 CO content in 8#～12#sites

3）工作面風(fēng)速。8#～12#各工作面風(fēng)速如表4所示，多數(shù)隧道工作面風(fēng)速小于0.25 m·s－1，其中9#右線大里程以及12#左線大里程兩個(gè)工作面風(fēng)速低于0.1 m·s－1，不滿足規(guī)范要求，粉塵、CO易在工作面滯留，含量超標(biāo)，降低了工作人員工作效率且危害作業(yè)人員健康。

4）溫度。8#～12#工區(qū)測點(diǎn)的平均溫度如表5所示，由圖可知各工區(qū)的平均溫度隨里程的增大而增大，各工區(qū)溫度基本滿足隧道洞內(nèi)施工溫度規(guī)定要求。但11#工區(qū)處平均溫度28.3℃，最高溫度達(dá)到30.2℃，局部高溫將降低工作人員工作效率。

表4 8#～12#各工作面風(fēng)速監(jiān)測值Tab.4 Wind speed in working faces in 8#～12#sites

表5 8#～12#工區(qū)溫度平均值Tab.5 Average temperature in 8#～12#sites

3 監(jiān)測結(jié)果分析與通風(fēng)改進(jìn)措施

由通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表可知，該階段隧道施工通風(fēng)存在的主要問題是：①粉塵含量、CO含量超標(biāo)，危害施工作業(yè)人員健康；②工作面風(fēng)速偏低，污風(fēng)無法迅速排出，尤其是8#橫通道與平導(dǎo)交叉處，前方工作面污風(fēng)在此匯集后引流到左線，風(fēng)速偏低，嚴(yán)重阻礙了污風(fēng)的排出；③大里程工作面溫度偏高，影響施工人員作業(yè)效率。造成通風(fēng)不暢的主要原因是：①由于風(fēng)管通風(fēng)距離長，經(jīng)二襯臺(tái)車時(shí)風(fēng)管未擺放平直、沿程阻力大導(dǎo)致風(fēng)壓不足，風(fēng)管在拐角處易出現(xiàn)破損造成漏風(fēng)，未及時(shí)修補(bǔ)等導(dǎo)致隧道工作面供風(fēng)量不足；②風(fēng)管出口未隨工作面的推進(jìn)而及時(shí)延長、影響了工作面污風(fēng)排出；③平導(dǎo)內(nèi)射流風(fēng)機(jī)數(shù)量不足，污風(fēng)排出不暢。

針對(duì)以上通風(fēng)問題及其原因分析，對(duì)隧道該階段施工通風(fēng)方案進(jìn)行了調(diào)整：①在8#橫通道與平導(dǎo)交叉口處增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，在通風(fēng)距離較長的10#～11#橫通道之間的平導(dǎo)內(nèi)增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)；②在9#左線大里程和12#左線小里程增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)；③在平導(dǎo)空氣質(zhì)量較差的12#作業(yè)區(qū)增加一臺(tái)跨橫通道引流用軸流式風(fēng)機(jī)；④加強(qiáng)通風(fēng)設(shè)備管理，按時(shí)檢查并及時(shí)修復(fù)破損風(fēng)管，工作面推進(jìn)后，及時(shí)延長風(fēng)管。

4 改進(jìn)后通風(fēng)監(jiān)測結(jié)果

通風(fēng)方案調(diào)整后，再次對(duì)通風(fēng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測，改進(jìn)后粉塵含量、CO含量、工作面風(fēng)速如圖5～圖7所示。

改進(jìn)后，各工區(qū)測點(diǎn)粉塵含量均大幅減少，基本滿足規(guī)范要求。8#、9#工區(qū)內(nèi) CO含量略有減少，10#工區(qū)內(nèi) CO含量反而有所上升，11#、12#工區(qū)內(nèi)仍大于規(guī)定值，其中 10#區(qū)因風(fēng)機(jī)損壞停止工作、11#工區(qū)因監(jiān)測時(shí)段有爆破施工導(dǎo)致CO的濃度值較高。改進(jìn)措施并未達(dá)到有效減少各工區(qū)內(nèi) CO含量的目的，需進(jìn)一步調(diào)整通風(fēng)方案。除11#左線大里程處工作面風(fēng)速低于0.25 m·s－1外，其余工作面風(fēng)速均滿足要求。

改進(jìn)前、后8#～12#工區(qū)測點(diǎn)的平均溫度如圖8所示，由圖可知各工區(qū)的平均溫度隨里程的增大而增大。改進(jìn)后，8#、9#、11#工區(qū)的溫度均明顯降低，12#工區(qū)處略高于28℃，基本滿足隧道洞內(nèi)施工溫度規(guī)定要求。

圖5 改進(jìn)后8#～12#工區(qū)監(jiān)測點(diǎn)粉塵含量Fig.5 Dust content in 8#～12#sites after improvement

圖6 改進(jìn)后8#～12#工區(qū)監(jiān)測點(diǎn)CO含量Fig.6 CO content in 8#～12#sites after improvement

圖7 改進(jìn)前、后8#～12#各工作面風(fēng)速Fig.7 Wind speed in working faces of 8#～12#sites before and after improvement

圖8 改進(jìn)前、后8#～12#工區(qū)平均溫度Fig.8 Average temperature in 8#～12#sites before and after improvement

5 結(jié)論

針對(duì)滬昆客專壁板坡隧道在平導(dǎo)已貫通，左線尚未貫通，左、右線工作面較多時(shí)的通風(fēng)階段進(jìn)行了監(jiān)測分析，指出了該階段內(nèi)由于風(fēng)管通風(fēng)距離長、沿程阻力大、風(fēng)管未及時(shí)隨工作面推進(jìn)而延長等原因造成工作面供風(fēng)量不足，平導(dǎo)與橫通道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)不足導(dǎo)致風(fēng)速偏低，污風(fēng)不能及時(shí)排出，而使隧道內(nèi)CO、粉塵含量偏高，影響了施工人員工作效率與身體健康。

通過在工作面、平導(dǎo)內(nèi)增設(shè)射流風(fēng)機(jī)、在橫通道內(nèi)增設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)并加速污風(fēng)的排出，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的管理與維護(hù)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整。監(jiān)測結(jié)果表明，這些措施有效地降低了工作面及平導(dǎo)內(nèi)CO、粉塵含量以及工作面溫度，促進(jìn)了污風(fēng)迅速經(jīng)平導(dǎo)進(jìn)入左線，排至洞外，極大地改善了洞內(nèi)施工人員的工作環(huán)境，為隧道掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行及機(jī)械設(shè)備的保護(hù)創(chuàng)造了較好的施工環(huán)境。

長大隧道多工作面施工過程中，工作面增減頻繁，工序轉(zhuǎn)換次數(shù)多，通風(fēng)條件復(fù)雜，不僅要求施工通風(fēng)組織能配合施工工況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，也需進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測，對(duì)當(dāng)前的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)并進(jìn)一步優(yōu)化通風(fēng)方案，保證隧道內(nèi)空氣質(zhì)量滿足要求，同時(shí)保障隧道快速施工滿足工期要求。

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Improvement of Ventilation System during Large-Tunnel Construction Based on Air Quality Testing

Xiao Yuexiu，Yang Xin’an，Jiang Xinghong，He Zhisi
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Ventilation is an important aided system of the multiple working faces in the long and large tunnel construction,which is the necessary condition to ensure the health of the working staff and the running of electromechanical equipment.By testing air quality of the fifth ventilation stage during Bibanpo tunnel construction in site,this study showed that the short supply of air volume,low speed of wind,and high content of dust and CO were the main problems.Extra jet fan and axial fan were installed and the management and maintenance to the ventilation equipment were reinforced to improve the ventilation system.Measured results showed that those measures improved the effects of ventilation and the air quality during tunnel construction.But further improvements are needed according to the results.

long tunnel；multiple working faces；ventilation；testing of air quality

U25

A

1005-0523（2016）06-0043-07

（責(zé)任編輯 王建華）

2016－05－09

肖粵秀（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ獭?/p>

楊新安（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗淼拦こ?，城市地下工程?/p>