淺析巷道式施工通風(fēng)在牛巖山特長(zhǎng)隧道的應(yīng)用

唐增健

（福州長(zhǎng)福高速公路有限責(zé)任公司，福州 350001）

1 工程概況

1.1 工程特點(diǎn)

京臺(tái)線建甌至閩侯高速公路（福州段）牛巖山隧道為雙洞分離式特長(zhǎng)隧道，隧道左線起終點(diǎn)里程ZK115+167-ZK124+419，長(zhǎng)度9225m，右線起終點(diǎn)里程YK115+186-YK124+387，長(zhǎng)度9201m，為福建省內(nèi)最長(zhǎng)的公路隧道。隧道設(shè)置車行通道12 個(gè)， 人行通道24 個(gè)， 隧道最大縱坡±3.0%，由A4、A5 兩個(gè)施工合同標(biāo)段共同施工，分界里程樁號(hào)為K120+500, 施工方式為單頭掘進(jìn)，距離長(zhǎng)，施工難度大，通風(fēng)要求高，為本工程重難點(diǎn)；為建成運(yùn)營(yíng)期間排煙通風(fēng)考慮，設(shè)計(jì)在A4 標(biāo)段內(nèi)設(shè)置2 座凈寬為5m、 凈高為5.2m 的斜井，A5 標(biāo)段內(nèi)在樁號(hào)ZK121+930 位置左側(cè)35m 處設(shè)置1 座高328m 的類似 “煙囪”的豎井通風(fēng)。 本文主要針對(duì)A5 合同段單頭掘進(jìn)隧道的通風(fēng)方案應(yīng)用進(jìn)行分析，A5 合同段右線洞口里程YK124+387，長(zhǎng)度為3887m；左線洞口里程ZK124+419，長(zhǎng)度為3919m。

1.2 隧道施工過程中主要的粉塵污染源

隧道施工過程中主要的粉塵污染源有新奧法鉆爆作業(yè)產(chǎn)生的污染尤其是爆破產(chǎn)生的毒害氣體和粉塵 （煙量）；裝載機(jī)、運(yùn)渣車等機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的有害氣體及機(jī)械行走產(chǎn)生的粉塵；噴射混凝土作業(yè)產(chǎn)生的粉塵；電焊、混凝土硬化水化熱等。

2 通風(fēng)方式的選擇

根據(jù)風(fēng)機(jī)布設(shè)的位置及通風(fēng)通道的類型， 隧道施工過程中的通風(fēng)方式可分風(fēng)管式和巷道式兩種， 第一種通風(fēng)方式是通過風(fēng)帶（管道）輸送，又可分為壓入式（送風(fēng)式）、抽出式（排風(fēng)式）、混合式。而第二種通風(fēng)方式又分為射流巷道式和主扇巷道式。A5 合同段的豎井施工要等左洞從出口端開挖至ZK121+930 處時(shí)采用反井法施工，工期與主隧道貫通時(shí)間相差無幾， 在施工中通風(fēng)中未起到任何作用。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，當(dāng)開挖施工掘進(jìn)較深，尤其是1.5km 之后，由于管路的阻力增大，風(fēng)壓不夠，還有可能由于接頭處漏風(fēng)等因素造成隧道通風(fēng)不暢， 常規(guī)的壓入式送排通風(fēng)效果差。

牛巖山隧道為雙洞分離式平行隧道， 左右線之間設(shè)有一定數(shù)量（如上工程特點(diǎn)中所述）的車行、人行通道（橫洞），具備采用射流巷道式通風(fēng)的條件。 射流巷道式通風(fēng)主要利用隧道已成洞段及車行或人行橫通道 （或平行導(dǎo)坑、斜井等）連接組成的通風(fēng)管道系統(tǒng)，運(yùn)用通風(fēng)設(shè)備（例射流風(fēng)機(jī)）的增壓作業(yè)，在組合的通道通風(fēng)系統(tǒng)中形成主風(fēng)流，使新鮮空氣從一個(gè)洞進(jìn)入形成固定送風(fēng)流，流進(jìn)橫通道時(shí)，通過送風(fēng)管道至開挖掌子面；污濁空氣從開挖掌子面面流回橫通道形成固定的回風(fēng)流， 再?gòu)牧硪粋€(gè)洞排出，其特點(diǎn)是不需要主扇、風(fēng)機(jī)房、風(fēng)門及很長(zhǎng)且功效不高的送風(fēng)管路。

3 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)的原則

隧道通風(fēng)是隧道施工過程中的重要環(huán)節(jié)， 尤其在特長(zhǎng)隧道施工更為重要，是保證安全施工的前提也是關(guān)鍵。能夠應(yīng)用良好的通風(fēng)方案， 具備較好的通風(fēng)效果既能夠改善作業(yè)人員施工環(huán)境、 又能夠保質(zhì)保量的快速推進(jìn)施工進(jìn)度。 結(jié)合本項(xiàng)目牛巖山隧道實(shí)際情況以及其他特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)， 綜合考慮開挖施工較深時(shí)的通風(fēng)情況，調(diào)整修編制定牛巖山隧道通風(fēng)方案。

3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)依據(jù)

通風(fēng)設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下幾個(gè)規(guī)范要求：《京臺(tái)線建甌至閩侯高速公路福州市境A5 合同段兩階段施工圖設(shè)計(jì)施工圖第四冊(cè)隧道》；《公路隧道工程施工技術(shù)規(guī)范》；《福建省高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化管理指南第五分冊(cè)隧道工程 （第二版）》；《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》。

3.2 編制原則

(1) 嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)單位福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院出版的施工圖設(shè)計(jì)文件，隧道工程施工技術(shù)規(guī)范以及分部分項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)、評(píng)定（驗(yàn)收）標(biāo)準(zhǔn)；（2）本著安全可靠、實(shí)事求是、科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)適用為出發(fā)點(diǎn)，堅(jiān)持各施工過程全面嚴(yán)格監(jiān)控監(jiān)測(cè)、施工作業(yè)人性化管理的原則。

3.3 通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1)按體積計(jì)空氣中氧氣含量不得小于20%；（2）粉塵容許濃度值分別為含有10%以上的游離粉塵狀二氧化硅不得大于2mg/m3，含有10%以下的游離粉塵狀二氧化硅不得大于4mg/m3；（3） 有害氣體容許濃度值分別為一氧化碳不得大于30mg/m3； 按二氧化碳體積換算不得大于其體積的0.5%；換算成二氧化氮為代表的氮氧化物不得大于5mg/m3；（4） 隧道洞內(nèi)各項(xiàng)施工作業(yè)人員每人應(yīng)滿足供應(yīng)每分鐘3m3的新鮮空氣， 即每人所需的最小風(fēng)量。

4 通風(fēng)風(fēng)量及設(shè)備系統(tǒng)理論計(jì)算

4.1 需風(fēng)量計(jì)算

洞內(nèi)施工過程所需通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算分為四種類型情況計(jì)算，即各項(xiàng)同時(shí)施工作業(yè)人員最多情況、單次放炮排煙量、洞內(nèi)可行的最低風(fēng)速、機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作情況， 取四種中計(jì)算得出的最大值作為理論所需風(fēng)量，得出按機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作情況下計(jì)算的值最大作為理論所需風(fēng)量，四類計(jì)算方法及過程具體如下。

(1)按各項(xiàng)同時(shí)施工作業(yè)人員最多情況計(jì)算

式中： q 為每人施工作業(yè)人員在滿足供應(yīng)新鮮空氣最低值基礎(chǔ)上增加20%，即取值3.6m3/min；

n 為同時(shí)施工作業(yè)人員人數(shù)最多時(shí)的數(shù)量，即暫按80人。計(jì)算得出類型一情況下的理論所需風(fēng)量為288m3/min。

(2)按單次放炮排煙量計(jì)算

式中：G 為單次放炮所使用的炸藥量按Ⅱ、 Ⅲ級(jí)圍巖全斷面爆破計(jì)算，取值252kg；

t 為通風(fēng)計(jì)算所需時(shí)間取值30min；

L0為通風(fēng)的計(jì)算長(zhǎng)度取值250m；

A 為隧道掌子面按Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖等級(jí)下的平均斷面面積取值81.43m2。

計(jì)算得出類型二情況下的理論所需風(fēng)量為1224m3/min。

（3）按洞內(nèi)可行的最低風(fēng)速計(jì)算

式中: S 為隧道掌子面按Ⅱ、 Ⅲ級(jí)圍巖等級(jí)下的平均斷面面積取值81.43m2；

V 為洞內(nèi)施工過程中允許可行的最低風(fēng)速取值每秒0.25m。 計(jì)算得出類型三情況下的理論所需風(fēng)量為1221m3/min。

（4）按機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作計(jì)算

式中：H 為機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作計(jì)算，即取Z50 型裝載機(jī)一臺(tái)162kW 加上運(yùn)渣車一臺(tái)273kW 計(jì)算；q 為機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作下單位時(shí)間需要供風(fēng)量取值7m3/(min·kW)；α 為機(jī)械設(shè)備全功率運(yùn)作下工作效率系數(shù)取值0.5。

計(jì)算得出類型四情況下的理論所需風(fēng)量為1523m3/min。

4.2 通風(fēng)設(shè)備選型

軸流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算：

通風(fēng)風(fēng)管直徑的大小、輸送新鮮空氣的風(fēng)管距離、通風(fēng)風(fēng)機(jī)類型及功率均能影響風(fēng)管沿程通風(fēng)阻力， 其曲線計(jì)算公式如下。

式中：p 為風(fēng)管沿程通風(fēng)阻力,Pa；λ 為風(fēng)管材料摩阻系數(shù)取值0.02；ρ 為洞內(nèi)施工環(huán)境空氣密度取值1.29kg/m3；d為通風(fēng)風(fēng)管直徑的數(shù)值取1.6m；β 為每百米風(fēng)管平均的漏風(fēng)率取值1.6%；L 為輸送新鮮空氣的風(fēng)管距離, 單位：m；Q0為風(fēng)機(jī)作業(yè)點(diǎn)輸出風(fēng)量,單位：m3/s。

采用壓入式射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)計(jì)算， 當(dāng)送風(fēng)管路最長(zhǎng)不超過1500m， 輸送至開挖掌子面需風(fēng)量為1523m3/min，該值亦是風(fēng)管出口風(fēng)量， 按照每百米風(fēng)管平均漏風(fēng)率取值1.6%計(jì)算， 得出需要風(fēng)機(jī)提供理論輸出風(fēng)量為1889m3/min，風(fēng)管沿程通風(fēng)阻力為2353Pa，選用2×110kW 軸流風(fēng)機(jī)（高速轉(zhuǎn)速風(fēng)壓860～5355Pa，風(fēng)量1550～2912m3/min）與直徑1.6 米風(fēng)管（平均百米漏風(fēng)率1.6%，摩阻系數(shù)0.02，每節(jié)長(zhǎng)度20m）組合可以滿足通風(fēng)需求，且是最不利狀態(tài)下的簡(jiǎn)單布設(shè)， 在后續(xù)調(diào)整階段中結(jié)合射流風(fēng)機(jī) （風(fēng)量3727m3/min，功率55kW）與軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)量、位置等應(yīng)用，通風(fēng)條件亦能滿足需求。

5 通風(fēng)布置

5.1 橫斷面管線布設(shè)

隧道洞內(nèi)施工通風(fēng)三管兩線布置應(yīng)嚴(yán)格按圖1 要求執(zhí)行，做到既符合安全要求，又符合文明施工要求。

圖1 隧道施工通風(fēng)三管兩線布置示意圖

5.2 縱斷面風(fēng)機(jī)風(fēng)管等布設(shè)

JTA5 標(biāo)段牛巖山隧道大樁號(hào)至小里程樁號(hào)施工通風(fēng)方案風(fēng)機(jī)及風(fēng)管布置可分為三種階段類型執(zhí)行。

(1)第一階段

在完成洞口有序開挖進(jìn)洞后，即主洞正常施工伊始，隧道開挖均采用單洞單頭掘進(jìn)， 左右洞每單洞可2 臺(tái)110kW 功率的軸流風(fēng)機(jī)搭配1.6m 直徑的風(fēng)管布置通風(fēng)方案，如圖2 所示，該方案設(shè)置條件應(yīng)是輸送新鮮空氣的風(fēng)管距離在1.5 公里內(nèi)， 待行車或人行橫通道貫通后進(jìn)行階段調(diào)整。

圖2 第一階段通風(fēng)布置圖

(2)第二階段

當(dāng)2# 橫通道開挖貫通后， 把1# 橫通道圍堵封閉起來可以做一個(gè)阻風(fēng)風(fēng)墻， 設(shè)置兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)在左線左右兩側(cè)（距2# 橫通道50m 處），通過風(fēng)管分別向每單洞掌子面送風(fēng)，增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)（平齊1# 橫通道處）、一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)在右線一側(cè)（距2# 橫通道50m 處）形成射流巷道式通風(fēng)，左引新風(fēng)，右排污風(fēng)，如圖3 所示。施工過程運(yùn)渣車以及其他車輛行駛必須從右洞主洞進(jìn)出隧道， 若去左洞主洞則經(jīng)過2# 橫通道穿過往返。

(3)第三階段

當(dāng)緊挨隧道合同段內(nèi)終點(diǎn)位置最近的橫通道開挖貫通，假設(shè)是5# 橫通道貫通后，往大里程樁號(hào)的所有橫通道（1#、2#、3#、4#）圍堵封閉起來可以分別做一個(gè)阻風(fēng)風(fēng)墻，兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)繼續(xù)前移至同等比例位置，通過風(fēng)管分別向每單洞掌子面送風(fēng)，再增設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)（平齊5#橫通道處）、一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)在右線一側(cè)（距5# 橫通道50m處）形成射流巷道式通風(fēng)，如圖4 所示。風(fēng)流方向和交通管制方式與二階段相同，保持此方式直到本標(biāo)段隧道終點(diǎn)。

圖3 第二階段通風(fēng)布置圖

6 通風(fēng)方案日常施工管理中需注意的事項(xiàng)

風(fēng)管安裝應(yīng)盡可能做到平直順暢， 在通過橫通道等位置管路需要急轉(zhuǎn)彎，為了減小沿程送風(fēng)阻力、彎度更加平緩，盡可能布設(shè)鈍角彎且可設(shè)置一定剛性的彎頭；爆破后不間斷指定專人對(duì)掌子面、 主洞通道進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測(cè)， 加強(qiáng)日常施工自檢巡查風(fēng)管的破損情況， 并及時(shí)修補(bǔ)，加強(qiáng)通風(fēng)風(fēng)管保護(hù)，避免破壞而增大漏風(fēng)率；風(fēng)機(jī)配專人負(fù)責(zé)操作，并作好運(yùn)轉(zhuǎn)記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

7 配合隧道通風(fēng)施工過程的其他要求

為風(fēng)機(jī)提供較好的適合的供電設(shè)施以保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行；要求通風(fēng)管每節(jié)長(zhǎng)度大部分為20m，接近掌子面位置可以配置少量一節(jié)十米的風(fēng)管搭配使用； 洞口風(fēng)機(jī)需要安設(shè)在距離洞口20m 以外的上風(fēng)向，避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)； 風(fēng)管出風(fēng)口距開挖工作面的距離按施工技術(shù)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)化指南要求設(shè)置，因?yàn)樗x擇的風(fēng)管直徑較大，過往車輛和機(jī)械設(shè)備應(yīng)避免刮破風(fēng)管， 隧道洞內(nèi)需保證有足夠的凈空；由于采用非軌道運(yùn)渣，后八輪運(yùn)渣車尾氣排放口應(yīng)安設(shè)凈化裝置，以降低對(duì)洞內(nèi)污染程度；行人和運(yùn)輸車輛按照上述制定的方案行走； 圍堵封閉起來做阻風(fēng)風(fēng)墻的橫通道，其阻風(fēng)效果要保證，避免粉塵大的污風(fēng)在左右洞之間惡性循環(huán)。

8 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)對(duì)比， 在特定條件下采用射流巷道式通風(fēng)比采用別的通風(fēng)方式更具有送風(fēng)斷面大、耗電量少、風(fēng)管需要量小、 費(fèi)用低等特點(diǎn)， 當(dāng)隧采用單頭掘進(jìn)開挖較深時(shí)候（大于1.5km）采用射流巷道式施工通風(fēng)最合理。 目前牛巖山特長(zhǎng)隧道已建成通車， 本項(xiàng)目施工過程所采用的前期壓入式通風(fēng)，后期巷道式通風(fēng)的方案，其經(jīng)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大隧道施工作業(yè)人員身心健康及隧道正?？焖傺h(huán)作業(yè)的重要保證。隨著山地丘陵地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)力度加大，穿山隧道長(zhǎng)度不斷增加，施工通風(fēng)難題可能更加突出，本文希望能給其他新建項(xiàng)目有所借鑒。