通風(fēng)節(jié)能技術(shù)之分離式公路隧道巷道式通風(fēng)技術(shù)研究

陳進(jìn)明

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

長大隧洞施工中，通風(fēng)問題一直是制約施工進(jìn)展的重大難題［1］。但目前施工單位普遍對通風(fēng)問題重視不足，通風(fēng)技術(shù)長期停滯不前，多采用經(jīng)驗(yàn)類比法，通風(fēng)方案選擇沒有進(jìn)行理性分析。

在“平導(dǎo)＋正洞”的鐵路隧道施工中，常規(guī)通風(fēng)方案一般為巷道式［2］。但在公路隧道施工現(xiàn)場，仍較多采用壓入式通風(fēng)。而采用巷道式通風(fēng)，既可以提高隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，改善洞內(nèi)運(yùn)輸條件，還能大幅降低通風(fēng)成本。

2 通風(fēng)技術(shù)與節(jié)能的思考

2.1 通風(fēng)成本因素

通風(fēng)成本主要分為4個(gè)方面：風(fēng)機(jī)購置成本、風(fēng)管購置成本、電費(fèi)投入及通風(fēng)管理。對長隧道而言，因施工期較長，各類通風(fēng)成本中，電費(fèi)投入為最大部分，一般占比在80%以上，其余3項(xiàng)支出約在20%以內(nèi)［3］。因此，降低風(fēng)機(jī)的總裝機(jī)功率，對施工企業(yè)將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 降低風(fēng)機(jī)功率的思路

根據(jù)風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式［4］W＝QHK/（60η），風(fēng)機(jī)工作效率η及功率儲備系數(shù)K均為常數(shù)，變數(shù)為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Q和工作風(fēng)壓H。無論是降低風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量Q還是工作風(fēng)壓H，均能達(dá)到降低風(fēng)機(jī)功率的目的。

風(fēng)管沿程阻力［5］hf＝a·L·U·Q2/S3，局部阻力 hx＝0.612εQ2/S2，總阻力 H＝hx＋hf。根據(jù)以上公式，除摩擦阻力系數(shù)a＝0.002 N·s2/m4為常數(shù)外，無論縮短供風(fēng)段落長度L，還是降低風(fēng)道流量Q或增加風(fēng)管直徑使風(fēng)管面積S增加，均可達(dá)到降低摩擦阻力hf并最終降低工作風(fēng)壓H的目的。

風(fēng)管百米漏風(fēng)率［6］則其漏風(fēng)系數(shù)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Qm＝PL·Q。根據(jù)以上公式，在工作面需求風(fēng)量Q一定時(shí)，降低管道漏風(fēng)系數(shù)PL是降低風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Qm的唯一辦法，但通過降低百米漏風(fēng)率P100或縮短供風(fēng)段落長度L，也可達(dá)到降低管道漏風(fēng)系數(shù)PL的目的。

2.3 降低風(fēng)機(jī)功率的方法

（1）在隧道凈空尺寸允許的情況下，盡可能選擇大直徑風(fēng)管。

（2）采用巷道式通風(fēng)或洞內(nèi)接力等措施，將長距離通風(fēng)變?yōu)橹鸺壒╋L(fēng)，縮短單級供風(fēng)段落長度。

（3）選用優(yōu)質(zhì)供風(fēng)風(fēng)管，降低漏風(fēng)率。

（4）加強(qiáng)通風(fēng)管理，破損的風(fēng)管及時(shí)更換。

3 背景案例簡介

平天高速公路關(guān)山隧道（K79＋826～K84＋396.944）為分離式雙車道斷面，出口段作業(yè)長度4 570 m，合同工期3年。洞內(nèi)每700 m左右設(shè)有車行、人行通道可供利用。

鄭西高速公路伏牛山隧道（K82＋363～K91＋546）為分離式雙車道斷面，全長9183m，合同工期3年。隧道共設(shè)置車行橫洞11處，人行車行橫洞23處；在K84＋918.3處設(shè)置1#通風(fēng)斜井，在K88＋425.5處設(shè)置2#送風(fēng)斜井，在K88＋462.7處設(shè)置3#排風(fēng)斜井，施工時(shí)作為施工輔助通道使用。

以上案例隧道均采用鉆爆開挖，無軌運(yùn)輸。

4 通風(fēng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

正洞最大開挖面積A＝82 m2，爆破深度4 m；巖石炸藥用量0.9 kg/m3；排煙通風(fēng)時(shí)間t＝20min；風(fēng)管百米漏風(fēng)率P100＝1.5%；自卸車洞內(nèi)車速12 km/h，柴油機(jī)用風(fēng)指標(biāo)［7］4.5 m3/min·kW。

4.2 工作面風(fēng)量計(jì)算

（1）按洞內(nèi)作業(yè)人數(shù)計(jì)算

人均新鮮空氣需求［7］q＝3 m3/min，同時(shí)工作人數(shù)m＝90人。則Q1＝m·q＝90×3＝270 m3/min。

（2）按最低允許風(fēng)速計(jì)算

υ≥0.15 m/s［7］，則 Q2＝60·υ·A＝60×0.15×82＝738 m3/min。

（3）按最多炸藥用量計(jì)算

一次爆破炸藥用量G＝0.9×（82×4）＝295 kg，則炮煙拋擲長度L0＝15＋G/5＝15＋295/5＝74 m。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到通風(fēng)區(qū)段要滿足掌子面到二襯區(qū)間的通風(fēng)需求，取L0＝100 m。工作面新鮮風(fēng)量［8］需求為：

工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量取值Q＝1 100 m3/min。

4.3 工作面風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

擬對壓入式、巷道式方案比選后擇優(yōu)選用。不同通風(fēng)方式中，各部位通風(fēng)設(shè)計(jì)距離見表1、表2。

表1 關(guān)山隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)距離

采用24 t紅巖自卸車（功率225 kW）出渣、ZL50型裝載機(jī)（功率150 kW）裝渣。重車負(fù)荷率為0.8，空車負(fù)荷率0.3，裝載機(jī)負(fù)荷率0.7，設(shè)備利用率0.8［1］。裝渣循環(huán)時(shí)間 Δt＝6 min/車，按及 Q＝4.5計(jì)算各施工部位機(jī)械布置及供風(fēng)量，見表3。

表2 伏牛山隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)距離

表3 各部位機(jī)械布置及供風(fēng)量計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，各段漏風(fēng)系數(shù)見表4，風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇見表5。

表4 漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算值

表5 不同工況下的風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)規(guī)范［9］，風(fēng)管設(shè)計(jì)風(fēng)速宜為 6～14 m/s，掌子面需求風(fēng)量Q＝1 100 m3/min，推算風(fēng)管直徑d≈＝1.3～2 m，實(shí)際選用值見表6。

采用 hf＝a·L·U·Q2/S3、hx＝0.612εQ2/S2及h＝hf＋hx，計(jì)算各通風(fēng)段沿程阻力及局部損失，見表6。

式中，h為總阻力，Pa；a為摩擦阻力系數(shù)，取值0.002 N·s2/m4；L為供風(fēng)長度，m；U為風(fēng)管周長，m；Q為風(fēng)道流量，m3/s；S為風(fēng)管面積，m2；hx為局部阻力，Pa；hf為摩擦阻力，Pa。

表6 不同工況下的風(fēng)壓損失計(jì)算結(jié)果

根據(jù) W＝QHK/（60η）［5］，可得各方案風(fēng)機(jī)需求功率及各作業(yè)面風(fēng)機(jī)型號，見表7、表8。

表7 關(guān)山隧道不同工況下的風(fēng)機(jī)配置（含左右幅）

5 通風(fēng)布置

常規(guī)方案一般在洞口布置1臺風(fēng)機(jī)，直接向掌子面壓入式通風(fēng)［10］。考慮2個(gè)案例隧道施工周期較長，以及伏牛山隧道作業(yè)面多的特點(diǎn)，電能消耗是通風(fēng)中首要考慮的問題，故關(guān)山隧道及伏牛山隧道1#斜井設(shè)計(jì)了單獨(dú)壓入式（伏牛山隧道1#斜井增加接力式）和巷道式方案予以比較，擇優(yōu)選用，伏牛山隧道2#、3#斜井直接選用巷道式通風(fēng)方案。

表8 伏牛山隧道各施工作業(yè)面風(fēng)機(jī)配置（含左右幅）

5.1 關(guān)山隧道

5.1.1 方案Ⅰ：全隧道壓入式通風(fēng)

左、右洞洞口外30 m處各安裝1臺4×110 kW軸流風(fēng)機(jī)，直接向掌子面壓入通風(fēng)，通風(fēng)距離4 600 m，通風(fēng)布置見圖1。該方案中，風(fēng)管直徑均為1.8 m，主風(fēng)機(jī)1、2功率均為440 kW，設(shè)計(jì)風(fēng)量4 000 m3/min，全壓5 000 Pa。

圖1 全隧道壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置

5.1.2 方案Ⅱ：壓入式通風(fēng)結(jié)合巷道式通風(fēng)

該方案分兩階段實(shí)施。第一階段，在前期2 100～2 400 m掘進(jìn)時(shí)，通風(fēng)布置與圖1同，左、右洞各安裝1臺軸流風(fēng)機(jī)，直接向掌子面壓入通風(fēng)。

第二階段，在完成2 100～2 500 m掘進(jìn)后，改用巷道式通風(fēng)，如圖2所示。左洞作為新鮮空氣通道，洞外風(fēng)機(jī)移至K82＋420車行橫洞處，1臺55 kW軸流風(fēng)機(jī)直接向左洞掌子面供風(fēng)，另1臺55 kW軸流風(fēng)機(jī)通過車行橫洞向右洞供風(fēng)。同時(shí)，利用K82＋420處車行通道將左洞出渣通道改至右洞，并封閉其余人行橫洞及車行橫洞，在K82＋430處設(shè)置1臺20 kW射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)左洞污濁空氣流向右洞方向。該方案中，最大通風(fēng)距離2 600m，風(fēng)管直徑均為1.8m，主風(fēng)機(jī)1、2功率均為90 kW，風(fēng)量2 400 m3/min，全壓2 000 Pa。

圖2 第二階段洞內(nèi)巷道式通風(fēng)系統(tǒng)布置

5.1.3 方案Ⅲ：分階段洞內(nèi)巷道式通風(fēng)

洞內(nèi)車行橫洞間距約為700 m，考慮到每次完成前方車行橫洞施工后，將風(fēng)機(jī)前移至該車行橫洞靠洞口方向。1臺2×55 kW軸流風(fēng)機(jī)直接向左洞掌子面供風(fēng)，另1臺2×55 kW軸流風(fēng)機(jī)通過車行橫洞向右洞供風(fēng)，該車行通道同時(shí)作為左洞出渣通道，最大通風(fēng)距離按1 000 m考慮。右洞設(shè)1臺20 kW射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)污風(fēng)方向，已施工段橫洞予以封閉，防止形成小循環(huán)。通風(fēng)方案布置方式與圖2相同。該方案中，風(fēng)管直徑均為1.8 m，主風(fēng)機(jī)1、2功率均為55 kW，風(fēng)量2 400m3/min，全壓1 200 Pa。

5.2 伏牛山隧道

伏牛山隧道進(jìn)、出口通風(fēng)方案與關(guān)山隧道相同，主要闡述其1#斜井、2#斜井、3#斜井通風(fēng)方案。

5.2.1 1#斜井通風(fēng)方案

（1）方案Ⅰ：壓入式通風(fēng)

1#斜井小里程方向僅掘進(jìn)100 m，可利用斜井段通風(fēng)解決，壓入式通風(fēng)只考慮大里程段。在斜井洞口30 m外設(shè)2臺軸流風(fēng)機(jī)，直接向2個(gè)掌子面壓入通風(fēng)，風(fēng)管直徑1.8 m。主風(fēng)機(jī)1為2×110 kW三級對旋式軸流風(fēng)機(jī)，最大通風(fēng)距離3 600 m，前1 800 m施工段（含斜井1 226m，正洞約5 00m），低檔（55 kW）供風(fēng)，風(fēng)量2 400 m3/min，全壓1 200 Pa；1 800～2 400 m段，中檔（2×55 kW）供風(fēng)，風(fēng)量2 400 m3/min，全壓2 000 Pa；掘進(jìn)超過2 400 m后，高檔（2×110 kW）供風(fēng)，風(fēng)量 3 000 m3/min，全壓3 200 Pa。通風(fēng)布置見圖3。

圖3 1#斜井壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置

（2）方案Ⅱ：接力式通風(fēng)

交匯段頂部利用彩鋼瓦封閉作為蓄風(fēng)房；斜井洞口30 m外設(shè)2臺軸流風(fēng)機(jī)，通過2條直徑2 m風(fēng)管向蓄風(fēng)房供風(fēng)；再通過蓄風(fēng)房內(nèi)的2臺軸流風(fēng)機(jī)和直徑1.8 m風(fēng)管分別向大里程2個(gè)掌子面接力續(xù)風(fēng)。主風(fēng)機(jī)1為單級軸流風(fēng)機(jī)，最大通風(fēng)距離1 300 m，功率75 kW，風(fēng)量3 000m3/min，全壓1 200 Pa；主風(fēng)機(jī)2為單級軸流風(fēng)機(jī)，最大通風(fēng)距離2 400 m，功率47 kW，風(fēng)量2 000m3/min，全壓1 300 Pa。斜井設(shè)1～3臺20 kW射流風(fēng)機(jī)組引導(dǎo)污風(fēng)方向，根據(jù)需要開啟，防止因掘進(jìn)深度不同引起的風(fēng)壓不均衡。通風(fēng)布置見圖4。

圖4 1#斜井接力式通風(fēng)系統(tǒng)布置

（3）方案Ⅲ：巷道式通風(fēng)

左、右洞間橫通道予以封閉，將右洞作為蓄風(fēng)房；斜井洞口30m外設(shè)2臺軸流風(fēng)機(jī)，通過2條直徑2m風(fēng)管向蓄風(fēng)房供風(fēng)；每個(gè)車行橫洞施工后，將風(fēng)機(jī)安裝在車行橫洞靠交匯段側(cè)，1臺風(fēng)機(jī)直接向右洞掌子面供風(fēng)，另1臺風(fēng)機(jī)通過車行橫洞向左洞供風(fēng)，風(fēng)管通過的車行通道作為右洞出渣通道，最大通風(fēng)距離考慮1 000 m，風(fēng)管直徑1.8 m。左洞及斜井共設(shè)2臺20 kW射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)污風(fēng)方向，已施工段車行橫洞均予以封閉。通風(fēng)布置見圖5。該方案中，主風(fēng)機(jī)1功率75 kW，風(fēng)量3 000m3/min，全壓1 200 Pa；主風(fēng)2功率37 kW，風(fēng)量2 000 m3/min，全壓800 Pa。

圖5 1#斜井巷道式通風(fēng)系統(tǒng)布置

5.2.2 2#、3#斜井通風(fēng)方案

3#斜井及左洞作為進(jìn)風(fēng)通道，2#斜井及右洞作為污風(fēng)及出渣通道。在左洞2#斜井與3#斜井間，安裝1臺單級軸流風(fēng)機(jī)，直接向左洞掌子面供風(fēng)（右洞較短不考慮），最大供風(fēng)距離500 m。大里程施工時(shí)，隨著大里程橫通道的打開，在左洞每個(gè)橫通道靠交匯段方向，設(shè)2臺單級軸流風(fēng)機(jī)，1臺直接向左洞掌子面供風(fēng)，另1臺通過橫通道向右洞掌子面供風(fēng)，最大供風(fēng)距離按1 000 m考慮。通過設(shè)置在右洞及2#、3#斜井的4臺20 kW射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)新鮮空氣自3#斜井進(jìn)入，污風(fēng)自2#斜井流出，見圖6。該方案中，風(fēng)管直徑均為1.8 m，主風(fēng)機(jī)1、2功率55 kW，風(fēng)量 2 400 m3/min，全壓 1 000 Pa。

圖6 2#、3#斜井巷道式通風(fēng)系統(tǒng)布置

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表9所示。

表9 各比選方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表9可知，選用巷道式通風(fēng)，經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于壓入式和接力式。

7 結(jié)束語

通過研究，得出通風(fēng)節(jié)能技術(shù)的具體措施，并在關(guān)山隧道、伏牛山隧道選用了3種不同類型的巷道式通風(fēng)技術(shù)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的獨(dú)頭壓入式通風(fēng)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn)：一是洞內(nèi)小功率風(fēng)機(jī)替代了洞口大功率風(fēng)機(jī)，大幅降低了風(fēng)機(jī)功率，節(jié)約了長距離通風(fēng)的電能消耗；二是降低了通風(fēng)距離，使得風(fēng)管漏風(fēng)量大幅降低，顯著改善了作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而可縮短通風(fēng)時(shí)間，利于提高工效，加快進(jìn)度；三是在降低風(fēng)機(jī)功率的同時(shí)縮短了風(fēng)管長度，降低了通風(fēng)系統(tǒng)采購成本。