哈巴雪山隧道通風設計及優(yōu)化技術研究

馬建華，胡雯杰，田偉權，林克

(1.中國鐵路昆明局集團有限公司滇西鐵路建設指揮部，云南 大理 671000；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

隨著我國經濟建設的大力發(fā)展和西部大開發(fā)力度的進一步加大，基礎設施建設也得到了迅猛發(fā)展[1-4]。在各項基礎設施建設中，公路建設和鐵路建設中長大隧道的通風問題一直是隧道行業(yè)的難題，通風效果的好壞直接影響到整個隧道施工的空氣質量，進而影響到各個作業(yè)面施工人員的身體健康，通風方案的選擇是影響通風效果好壞的直接決定因素[5-7]。因此，解決長大隧道通風問題至關重要。

國內學者針對長大隧道通風問題進行了一定的研究。方磊[8]研究了通風模型試驗方法，進行了通風模型各系統(tǒng)的基本性能試驗，確定了合理的通風模型試驗參數(shù)；賈寶林等[9]人結合干陽溝隧道斜井通風實際問題，對通風參數(shù)進行了研究，提出了水幕降塵與通風機相配合的通風降塵方案；羅衍儉[10]調研了國外隧道通風實例，并進行了總結分析，提出了解決通風問題的建議；夏永旭[11]研究了我國長大公路隧道施工過程中通風存在的技術問題，并提出了解決通風問題的主要思路。

長大隧道通風較為困難，隧道的通風問題又各具特色，哈巴雪山2#橫洞工區(qū)平導是哈巴雪山隧道關鍵線路，最長通風距離超過4100m。目前該工點主要采用多組風機接力通風，但由于通風距離長、折點多以及風筒直徑難以統(tǒng)一，導致掌子面處含氧含量偏低、有害氣體含量偏高，直接影響作業(yè)人員及機械施工效率。因此，本文依托哈巴雪山隧道2#橫洞與正洞交叉處通風問題，研究隧道掌子面所需空氣量、風機選型，對比分析不同通風方案效果，提出合理的通風方案。同時，為了保護隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境，設計了洞口活性炭裝置，降低了隧道內廢氣對環(huán)境的影響。

1 項目概況

1.1 工程概況

麗江至香格里拉線鐵路位于云南省西北部，南起大麗鐵路麗江車站，向北跨越金沙江至香格里拉，全長139.666km。線路起點連接大理至麗江鐵路，并通過該鐵路和廣大鐵路與成昆鐵路相連。由中鐵十六局承建的哈巴雪山隧道位于香格里拉市虎跳峽鎮(zhèn)境內，全長9523m，分1#、2#橫洞及斜井工區(qū)組織施工，是全線控制性工程之一，隧道除進口段367m為平坡外，其余段分別為13.25‰（430m）、28.1‰（8540m）、28.5‰（186m）單面上坡施工。哈巴雪山隧道平面示意圖如圖1。

1.2 2#橫洞工區(qū)通風概述

哈巴雪山隧道屬于高海拔，8度烈度區(qū)單線長隧，2#橫洞工區(qū)平導通風長度超過4100m，目前主要采用接力法通風（洞口處2臺110kW風機+1800m處2臺110kW風機+2500m處2臺75kW風機），距離長且過程中需經過橫洞轉支洞、支洞轉平導、平導轉橫通道、橫通道轉正洞等多次轉折。2#橫洞工區(qū)平導雖設置了多處接力風機，但由于隧道受大變形影響導致凈空變小，無法統(tǒng)一風筒直徑，且通風筒經過多次轉折后風損極大，導致施工現(xiàn)場通風效果差，氧氣含量偏低、有害氣體含量偏高，且該工點圍巖主要為炭質板巖，存在局部瓦斯富集的情況。為有效解決隧道長距離、多轉折的通風理論研究及現(xiàn)場問題處理措施，以哈巴雪山（長坪）隧道2#橫洞工區(qū)平導開展現(xiàn)場試驗研究，該工點是哈巴雪山（長坪）隧道關鍵線路，通風問題解決效果將直接影響現(xiàn)場施工效率，進而影響麗香鐵路全線能否如期貫通。

2 隧道通風量計算及風機選型

2.1 隧道通風量計算

根據相關規(guī)范[12]，隧道通風量主要從四個方面進行考慮，分別是洞內工作人員所需風量、規(guī)定時間內稀釋一次性爆破所產生有害氣體的允許濃度所需風量、洞內允許最小風速所需風量、洞內施工設備總功率所需風量等，按照以上風量需求的最大值確定隧道通風量。

①洞內工作人員所需風量Q1

根據相關規(guī)范[12]，隧道內每人每分鐘所需新鮮空氣標準為3m3/min，隧道內工作人員最多為50人，風量備用系數(shù)取1.25，因此

②規(guī)定時間內稀釋一次性爆破所產生有害氣體到允許濃度所需風量Q2

哈巴雪山隧道正洞橫斷面積約75m2，一次爆破的炸藥消耗量按144kg計算，炮煙拋擲長度為15+144/5=43.8m，通風時間按30min計算，因此

③洞內允許最小風速所需風量Q3

按照相關規(guī)范[12]，洞內允許最小風速取0.15m/s，因此

④洞內施工設備總功率所需風量Q4

按照相關規(guī)范[12]，1kW機械設備所需風量不小于3m3/min，隧道內作業(yè)時按照1臺ZL50D型裝載機（功率158kW/臺）、3輛自卸車（功率196kW/臺）計算，取機械設備平均利用率為70%，因此

綜合以上計算哈巴雪山2#橫洞-平導最長通風距離按4100m計算，考慮到通風過程中的漏風損失，平均100m漏風率取1.3%，漏風系數(shù)為1/((1-1.3%)4100/100)=1.71，則實際通風需求量為1566.6m3/min×1.71=2678.89m3/min。

2.2 隧道通風阻力計算

隧道通風過程中伴隨著一定量的風阻，只有明確通風過程中的風阻，才能為風機選型提供更好的依據。

①摩擦風阻Rf

風筒的摩擦系數(shù)按1.6×10-3，風筒的直徑按1.5m計算，因此

②風筒通風阻力hL

摩擦風阻Rf為5.62Ns2/m3，最大需風量為稀釋設備內燃尾氣為1566.6m3/min，所需通風機供風量為2678.89m3/min，因此

③風筒出口局部阻力hx0

風筒出口的局部阻力系數(shù)為1.0，最大需風量為稀釋設備內燃尾氣為1566.6m3/min，風筒的直徑按1.5m計算，因此

④所需風機風壓hmT

2.3 風機選型

風機的選型要滿足風量和風壓的要求，由于最長通風距離超過4100m，因此，選用接力通風方式，橫洞洞口風機型號選用馭創(chuàng)風機2×ZVN1-14-160/4（高效風量3120m3/min，最大全壓7000Pa，功率160kW），交叉口風機型號選用馭創(chuàng)風機2×ZVN1-14-110/4（高效風量2880m3/min，最大全壓5200Pa，功率110kW）。通風方案布設如圖2所示。

圖2 2#橫洞工區(qū)通風平面示意圖

哈巴雪山隧道2#橫洞進入正洞及平導后，隨著通風距離的加長，洞內施工環(huán)境變差，溫度升高，隧道出渣時，機械設備增加，導致污濁空氣排出較慢。另外，在交叉口處風阻增加也是造成通風不暢的主要原因之一。經實際測量，隧道內10#橫通道小里程工作面氧氣含量20%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量24PPM、硫化氫含量0PPM，隧道內氣溫為35.3℃，總體通風效果一般。

3 隧道通風方案優(yōu)化

隨著2#橫洞大里程與斜井小里程區(qū)間正洞貫通，在“煙囪效應”的作用下，2#橫洞洞身通風情況得到了極大的改善，為隧道通風優(yōu)化提供了條件。因此，提出了隧道通風優(yōu)化方案，即取消洞口處2臺串聯(lián)110kW風機，距橫洞口1800m處（距離平導口300m）2臺110kW風機改為1臺110kW風機，距橫洞口3100m處（距離11#橫通道口200m）設1臺75kW風機，距橫洞口3700m處（距離10#橫通道口100m）設1臺75kW風機，10#橫通道內設1臺55kW風機，通過計算滿足現(xiàn)場通風要求。方案優(yōu)化后總體通風距離縮短1800m，風機總功率由6臺690kW減少為4臺315kW，總風機數(shù)量減少33.3%，風機總功率降低54.3%。優(yōu)化后通風布置圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后通風布置圖

采用該方案后，隧道洞內污濁空氣排出速度加快，洞內環(huán)境滿足施工要求。經實際測量，隧道內10#橫通道小里程工作面氧氣含量20.96%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量20PPM、硫化氫含量0PPM，隧道內氣溫為27.6℃，通風效果得到較好的改善。

4 隧道通風廢氣減污技術

隧道內產生廢氣的來源諸如爆破出渣、機械廢氣等，這些廢氣排出隧道后會對生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境造成一定的污染。由于隧道內空氣溫度較高，廢氣一般是在隧道內空上部排出，因此，提出了基于活性炭裝置的隧道廢氣減污措施，如圖4所示，活性炭裝置布設在距洞口20m處，位于風機下游。在隧道洞口布設吊籃，吊籃內裝滿活性炭，當隧道內廢氣排出時，會經過活性炭裝置，使部分廢氣被活性炭裝置吸附，減少隧道內廢氣對環(huán)境的污染。

圖4 隧道廢氣減污技術示意圖

5 結語

隧道通風一直是隧道施工過程中面臨的主要難題之一，尤其通風距離長、風筒折點多的情況下，通風效果會受到影響。

①通風距離長、折點多的隧道可采用風機接力方式進行通風，基本可滿足現(xiàn)場施工要求，但通風效果一般；

②隧道通風應根據施工組織的調整動態(tài)調整通風方案，尤其應充分利用隧道的“煙囪效應”；

③在環(huán)境敏感區(qū)域，可采用活性炭對油煙進行吸附，減少對空氣的污染。