高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)研究

邱飛

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東青島 266061）

0 引言

近年來，我國高速公路建設(shè)里程日益增加，高速公路建設(shè)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，特長隧道施工也逐步出現(xiàn)。在高速公路特長隧道施工中，通風(fēng)困難問題較為突出，這不僅會(huì)影響隧道施工作業(yè)的順利進(jìn)行，也會(huì)威脅施工人員的人身安全。因此，有必要深入研究高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)。

1 高速公路特長隧道施工項(xiàng)目概述

十巫高速公路紅巖1#特長隧道施工項(xiàng)目為分離式獨(dú)立雙洞結(jié)構(gòu)，長度大于3000m，右線隧道（YK42+685—YK46+645）全長3960m，左線隧道（ZK42+690—ZK46+625）全長3935m。左線隧道、右線隧道之間的凈距離為27.5m，單洞寬、高分別為12.75m、8m，每端進(jìn)洞長度2000m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面面積為106.12m2。

2 高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

2.1 優(yōu)選大直徑風(fēng)管

管內(nèi)風(fēng)速是選擇風(fēng)管直徑的依據(jù)。開展高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在斷面許可的前提下優(yōu)選大直徑風(fēng)管，并增加每一節(jié)風(fēng)管的長度，壓縮風(fēng)管接頭數(shù)量[1]。

2.2 嚴(yán)控通風(fēng)機(jī)位置

通風(fēng)機(jī)距洞口的距離是控制污風(fēng)循環(huán)的關(guān)鍵。在高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)保證洞口壓入式通風(fēng)機(jī)與洞口之間的距離大于等于30m，從源頭杜絕污風(fēng)循環(huán)。

2.3 降低風(fēng)量損失

風(fēng)量損失是影響通風(fēng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的主要因素。在高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)平整、緊密、豎直、穩(wěn)固、平順吊掛風(fēng)管，保證風(fēng)管末端與工作面的距離小于15m，以有效降低風(fēng)量損失。

3 高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 通風(fēng)量計(jì)算

通風(fēng)量計(jì)算是高速公路特長隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的前提，技術(shù)人員需要綜合考量隧道內(nèi)同時(shí)工作最多人數(shù)、隧道內(nèi)規(guī)定最小風(fēng)速、隧道內(nèi)所用內(nèi)燃機(jī)械數(shù)量、一次爆破最多炸藥量等因素。比如，按照紅巖1#隧道正洞內(nèi)同一時(shí)刻作業(yè)最多人數(shù)計(jì)算，每人新鮮空氣供給量為3m3/min；同時(shí)依據(jù)爆破40min 內(nèi)工作面有害氣體沖淡（或排除）至設(shè)計(jì)濃度，單位炸藥爆破折合一氧化碳?xì)怏w40L/kg；洞內(nèi)柴油機(jī)械運(yùn)行時(shí)風(fēng)量為4.5m3/kW·min，風(fēng)管漏風(fēng)率均值小于1%/100m，工作面周邊最小風(fēng)速大于0.25m/min，最大風(fēng)速小于6m/min，供風(fēng)量大于等于需風(fēng)量的1.5 倍。

因十巫高速公路紅巖1#特長隧道工程路線較長，可以選擇機(jī)械通風(fēng)方式。壓入式機(jī)械通風(fēng)具有風(fēng)筒出口風(fēng)速大、有效射程遠(yuǎn)、排煙能力強(qiáng)、工作面通風(fēng)時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于特長隧道通風(fēng)。通風(fēng)方式確定為壓入式后，左線隧道正洞、右線隧道正洞獨(dú)立配置一套通風(fēng)設(shè)備。此時(shí)，僅考慮作業(yè)人員，理論風(fēng)量為作業(yè)面每一作業(yè)人員供風(fēng)量（3m3/min）、同一時(shí)刻作業(yè)面最多人數(shù)（60 人）、風(fēng)量備用系數(shù)（1.25）的乘積。

單純考慮開挖面爆破排煙（規(guī)定時(shí)間內(nèi)將每千克炸藥所產(chǎn)生的有害氣體稀釋至允許濃度以下所需的最小風(fēng)量），需風(fēng)量與同時(shí)爆破炸藥量（130kg）、通風(fēng)時(shí)間（40min）、風(fēng)量備用系數(shù)（1.25）有較大關(guān)系，將已有數(shù)據(jù)代入公式（1），即可得出開挖面爆破排煙需風(fēng)量（Q）[2]。

式（1）中：Q 為開挖面爆破排煙需風(fēng)量，m3/min；Y 為相鄰孔眼間隔，5m/孔；W 為爆破長度，6m；U 為一工作日內(nèi)硫化氫濃度，10mg/m3；I 為同時(shí)爆破炸藥量，130kg；J 為風(fēng)量備用系數(shù)，1.25；n 為單位炸藥爆破折合一氧化碳?xì)怏w，40L/kg；m 為同一時(shí)刻作業(yè)面最多人數(shù)，60 人。

單純考慮內(nèi)燃設(shè)備總功率，對(duì)“開挖+運(yùn)渣”“開挖+澆筑混凝土”兩種工況進(jìn)行分析。在“開挖+運(yùn)渣”工況下，需統(tǒng)計(jì)裝載機(jī)ZL50（1 臺(tái)）、挖掘機(jī)（1臺(tái)）、自卸車（2 輛）的總功率，其中裝載機(jī)的總功率為121.5kW，挖掘機(jī)的總功率為93.75kW，自卸車的總功率為319.5kW，合計(jì)534.75kW；在“開挖+澆筑混凝土”工況下，需統(tǒng)計(jì)裝載機(jī)ZL50（1 臺(tái)）、挖掘機(jī)（1臺(tái)）、混凝土運(yùn)輸車（2 輛）的總功率，其中混凝土運(yùn)輸車總功率322.5kW，合計(jì)537.75kW，在內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量不變時(shí)，總供風(fēng)量約2419.88m3/min。

單純考慮排風(fēng)最低風(fēng)速，最大風(fēng)量為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速（0.25m/min）與隧道最大開挖斷面面積（145.71m2）的乘積，即36.4275m3/min。

總的來說，理論最大通風(fēng)量為上述結(jié)果的最大值，約2419.88m3/min。因?qū)嶋H通風(fēng)時(shí)漏風(fēng)問題無法避免，實(shí)際供風(fēng)量為理論需風(fēng)量（約2419.88m3/min）、漏風(fēng)系數(shù)（1.286）的乘積，即3111.96568m3/min。

3.2 風(fēng)壓設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道圓形等截面直管的特點(diǎn)，在不考慮局部阻力的情況下，結(jié)合《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02—2014）關(guān)于管道內(nèi)風(fēng)壓損失的計(jì)算公式，進(jìn)行風(fēng)壓計(jì)算，風(fēng)壓損失△P 為：

式（2）中：λ為摩擦阻力系數(shù)，0.0138NS2/m4；L 為風(fēng)管長度，2500m；ρ為計(jì)算點(diǎn)夏季空氣密度，1.2kg/m3；v為管內(nèi)風(fēng)速（實(shí)際供風(fēng)量除以隧道最大開挖斷面面積），14.49m/min；D 為風(fēng)管直徑，1.8m。代入上述數(shù)值可計(jì)算出風(fēng)壓損失約為5420Pa，而通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓應(yīng)大于風(fēng)壓損失與測試斷面平均風(fēng)壓修正系數(shù)（1.1）的乘積（5962Pa）。

3.3 通風(fēng)設(shè)備布置

3.3.1 型號(hào)選擇

根據(jù)隧道風(fēng)壓與風(fēng)量要求，采用長管路獨(dú)立端頭壓入式通風(fēng)方案，從洞外出發(fā)，經(jīng)長風(fēng)管將新鮮風(fēng)輸送到工作面，被污染風(fēng)則經(jīng)隧道排出[3]。根據(jù)工程現(xiàn)有洞口應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的施工作業(yè)內(nèi)容，在通風(fēng)量一定的情況下，根據(jù)壓入式通風(fēng)情況，配備φ1800mm 鋼絲軟風(fēng)帶、φ1800mm 普通軟風(fēng)帶。同時(shí)配置2 臺(tái)SDF（B）-2-NO.14 軸流風(fēng)機(jī)（160kW），兩者串聯(lián)，由出口排出污濁空氣，最大風(fēng)量達(dá)4116m3/min，最大風(fēng)壓達(dá)6860Pa，可以滿足施工區(qū)間供風(fēng)要求。

此外，為了在短時(shí)間內(nèi)排除特長隧道炮眼，在布置機(jī)械壓入式通風(fēng)機(jī)械的基礎(chǔ)上，還可以輔助設(shè)置通風(fēng)裝置，即利用壓縮風(fēng)經(jīng)噴嘴以一個(gè)較高的速度噴射流體（或由高壓水管做成的簡易水引射器噴射的高壓水），不斷將周邊靜止空氣卷吸入射流，使射流的斷面不斷擴(kuò)大，流速不斷降低，流量則沿程增加。與此同時(shí)，由于靜止空氣摻入，發(fā)生動(dòng)量交換，會(huì)產(chǎn)生阻滯作用，抑制射流邊界流線，經(jīng)一定距離后整個(gè)射流會(huì)變?yōu)槲蓜?dòng)射流，加快特長隧道風(fēng)流速度，強(qiáng)化通風(fēng)效果。

3.3.2 設(shè)備布置

在隧道施工期間，由于進(jìn)口、出口工區(qū)的施工作業(yè)均為獨(dú)頭掘進(jìn)方式，所以需要合理劃分通風(fēng)階段，合理布置機(jī)械通風(fēng)方案。在隧道作業(yè)獨(dú)立端頭掘進(jìn)長度小于300m 時(shí)，φ1800mm 鋼絲軟風(fēng)帶、φ1800mm普通軟風(fēng)帶分別位于風(fēng)機(jī)接口200m 內(nèi)、風(fēng)機(jī)接口200m 外，同時(shí)在左線隧道正洞每端管道起點(diǎn)、距離管道起點(diǎn)1000m 位置分別安裝1 臺(tái)SDF（B）-2-NO.14軸流風(fēng)機(jī)（160kW），串聯(lián)軸流風(fēng)機(jī)，完成壓入式機(jī)械通風(fēng)布置，由長管路獨(dú)立端頭壓入式通風(fēng)，經(jīng)洞口回風(fēng)[4]。在這個(gè)基礎(chǔ)上，根據(jù)新鮮空氣供應(yīng)需求，在洞外安裝風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)與隧道正洞口相距10m 左右。確定風(fēng)機(jī)位置后，提前通過混凝土澆筑的方式，設(shè)置通風(fēng)機(jī)底座，底座高度為0.5m，利用螺桿牢固連接通風(fēng)機(jī)與底座，并在通風(fēng)機(jī)、配電柜上方搭設(shè)護(hù)欄、雨棚，避免雨淋受潮引發(fā)意外事故。

在隧道作業(yè)獨(dú)立端頭掘進(jìn)長度達(dá)到或超過300m時(shí)，應(yīng)將壓入式通風(fēng)機(jī)移動(dòng)到隧道正洞內(nèi)，距離隧道正洞口方向一側(cè)橫通道20m 及以上，經(jīng)通風(fēng)管向工作面壓入通風(fēng)，污濁風(fēng)流經(jīng)橫通道向隧道正洞排放，最終經(jīng)隧道正洞向洞外排放。同時(shí)在通道內(nèi)設(shè)置局扇，加快隧道正洞內(nèi)污濁風(fēng)流流動(dòng)速度，直到通道與隧道正洞完全貫穿。貫穿后，將SDF（B）-2-NO.14 軸流風(fēng)機(jī)（160kW）設(shè)置到隧道正洞，其他通道兩端封閉或設(shè) 置 風(fēng) 門[5]。另 外，將2 臺(tái)SDF（B）-2-NO.14 軸 流 風(fēng)機(jī)（160kW）分別設(shè)置在距離隧道正洞口300m、1000m的位置，加速污濁風(fēng)流排放。

在施工隧道正洞大小里程超過300m 小于1500m時(shí)，布 置2 臺(tái) 串 聯(lián) 的SDF（B）-2-NO.14 軸 流 風(fēng) 機(jī)（160kW），同時(shí)將防爆型射流風(fēng)機(jī)布置在斜井與正洞交匯位置（防爆型射流風(fēng)機(jī)功率為60kW，可以消除渦流現(xiàn)象，滿足隧道正洞對(duì)風(fēng)速的要求）。在通道與隧道正洞貫穿后，將隧道正洞通風(fēng)機(jī)移動(dòng)到橫向通道內(nèi)，經(jīng)風(fēng)筒向隧道正洞工作面壓入式通風(fēng)，污濁風(fēng)流向通過隧道正洞排出洞外。同時(shí)，在橫向通道、正洞之間設(shè)置風(fēng)門，風(fēng)門位于SDF（B）-2-NO.14 軸流風(fēng)機(jī)（160kW）前，以避免橫向通道內(nèi)的污濁風(fēng)流形成渦流。

在施工隧道正洞大小里程超過1500m 時(shí)，風(fēng)機(jī)安裝完畢后，選擇距離地面1.5m 高的位置懸掛風(fēng)筒，風(fēng)筒懸掛前需打設(shè)孔眼，相鄰孔眼間隔5m，打孔完畢后，在孔眼位置安裝錨桿并布置φ6mm 鋼筋，借助緊線器完成鋼筋張拉，拉線要穩(wěn)定、牢固，以平順懸掛風(fēng)管，并利用鐵絲將風(fēng)筒與風(fēng)機(jī)牢固綁扎。風(fēng)筒與SDF（B）-2-NO.14 軸流風(fēng)機(jī)（160kW）串聯(lián)相接通風(fēng)，在隧道正洞與斜井交匯位置安裝若干臺(tái)防爆型射流風(fēng)機(jī)，相鄰風(fēng)機(jī)之間間隔1000m。

3.4 設(shè)備檢測驗(yàn)收

通風(fēng)設(shè)備安裝完畢后，需要將隧道斷面劃分為若干個(gè)風(fēng)速檢測單元，利用風(fēng)速表進(jìn)行風(fēng)速檢測[6]。在測風(fēng)地點(diǎn)溫度與二氧化碳濃度一定的情況下，將風(fēng)速表的指針、秒表歸零，將風(fēng)速表正對(duì)風(fēng)流（專業(yè)檢測人員需手持風(fēng)速表，手臂向正前方伸直，確保風(fēng)速表與風(fēng)流方向垂直）。風(fēng)速表空轉(zhuǎn)30s 后，開啟風(fēng)速表和秒表開關(guān)，在60s 內(nèi)根據(jù)測量線路均勻移動(dòng)風(fēng)速表，結(jié)束后關(guān)閉風(fēng)速表、秒表開關(guān)并讀出表速。同一斷面位置測風(fēng)頻次應(yīng)大于等于3 次，每次結(jié)果的誤差應(yīng)小于等于5%。最終平均風(fēng)速為測試斷面平均風(fēng)速、修正系數(shù)（1.14）的乘積，通過風(fēng)量為隧道斷面面積與平均風(fēng)速的乘積。之后則可根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保通風(fēng)設(shè)備的通風(fēng)量與設(shè)計(jì)要求相符。

除測量風(fēng)速、通風(fēng)量外，還需要檢測隧道正洞內(nèi)的有毒有害物質(zhì)，包括一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮、硫化氫、碳氧化合物、粉塵等[7]。其中一氧化氮、二氧化硫、二氧化氮短時(shí)間（15min）接觸容許濃度分別為30mg/m3、10mg/m3、10mg/m3；8h 內(nèi)平均接觸容許濃度分別為5mg/m3、5mg/m3、15mg/m3。粉塵濃度應(yīng)小于1.5mg/m3，一工作日內(nèi)硫化氫濃度應(yīng)小于等于10mg/m3。在有毒有害物質(zhì)檢測方面，可根據(jù)《工作場所空氣有毒物質(zhì)測定 第37 部分：一氧化碳和二氧化碳》（GBZ/T 300.37—2017）、《工作場所空氣中粉塵測定 第4 部分：游離二氧化硅含量》（GBZ/T 192.4—2007）及其他規(guī)范展開相關(guān)工作，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整通風(fēng)設(shè)備參數(shù)，如利用多反邊接頭法代替柔性風(fēng)筒接頭法，解決風(fēng)筒漏風(fēng)問題，確保通風(fēng)效果。

4 結(jié)語

綜上所述，特長隧道內(nèi)不可避免地會(huì)含有一定量的粉塵、機(jī)械尾氣，加之混凝土水化反應(yīng)會(huì)大量放熱，且通風(fēng)性較差，施工過程中容易對(duì)作業(yè)人員的身體產(chǎn)生一定的危害。因此，施工團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)結(jié)合高速公路特長隧道作業(yè)環(huán)境，采用合理的通風(fēng)技術(shù)，打造安全且衛(wèi)生的施工環(huán)境，為作業(yè)人員的職業(yè)健康提供保障。