特長公路隧道施工通風設計

陳 志

1 工程概況

某高速公路隧道為雙向四車道分離式隧道，左右凈距17 m～55 m，左線全長4 918 m，右線全長4 970 m，屬特長公路隧道。隧道單口掘進長，工期緊，洞內爆破、機械作業頻繁，通風排煙壓力大，本文以進口端為例，作專門的施工通風設計和組織，選擇經濟的通風設備和合理的通風方案，以取得滿意的通風效果，保證施工進度，降低工程成本。

2 通風方式的選取

結合類似隧道的施工經驗，根據本隧道的特點和實際情況，確定隨著施工進展，分兩階段采用不同的通風方式:第一階段為第一道車行橫洞貫通前，采用左右洞獨立的管道壓入式通風，即在洞口安裝軸流風機，通過風筒向工作面壓入新鮮風流，污濁風流沿洞身排出;第二階段為車行橫洞貫通后，軸流風機移入洞內，將左洞作為進風巷，右洞作為回風巷，并輔以射流風機，變管道通風為管道加巷道通風。

3 通風設計

3.1 通風設計參數

確定兩階段主要通風參數如表1所示。

表1 兩階段主要通風參數

3.2 管道壓入式通風計算

3.2.1 按同一時間爆破的最大炸藥量計算風量

爆破產生的煙塵主要集中在掌子面附近的一定范圍內，在煙塵排出過程和風量計算方法的研究方面，有多種不同的觀點，提出的計算方法各不相同。較具代表性且貼近實際情況的為吳中立公式，認為煙塵的排出既有主風流的運移作用，又有風流紊流擴散的作用，是兩者綜合過程。獨頭巷道的壓入式通風包括兩個區段，一個為工作面區，即炮煙拋出帶;一個為通風區段，即洞內炮煙拋出帶以外的區段。工作面的煙塵排出過程為風流紊流擴散過程，通風區的煙塵排出過程為紊流變形過程，并假定炮煙拋出帶長度大于風筒末端距工作面的長度，吳中立公式如下:

其中，t為爆破后通風排煙時間，min;S為隧道斷面面積，m2;L為通風區段長度，m;A為同時爆破最大用藥量，kg;lt為風筒末端距工作面的長度，m;lg為炮煙拋出帶長度，m。

取 t=40，S=102，L=800，A=230，lt=40，lg=70，得出Q=2 204 m3/min。

3.2.2 按洞內柴油機排放的廢氣污染計算風量

由于我國目前尚缺乏隧道內使用柴油機的成熟經驗和數據，基本上均采用按柴油機功率計算風量，其計算公式為:

其中，q為柴油機所要求的供風量，m3/(min?kW);Wi為計算的柴油機功率，kW;Ki為柴油機利用系數。

《隧規》規定 q=3，是針對有凈化裝置的柴油機來講的，對于廢氣排放量超標的柴油機需增大q值，一般取4.0。

計算得出 Q=1 697 m3/min。

3.2.3 按洞內同時工作的最多人數需要的新鮮空氣計算風量

3.2.4 按洞內最小風速計算

其中，V為洞內最小風速，取0.25 m/s;S為隧道斷面面積，取102 m2。

3.2.5 風機設計風量

取按洞內同一時間爆破使用的最大炸藥量計算所需風量和按洞內柴油機排放的廢氣污染計算所需風量的較大值，所需的總風量 Qz=2 204 m3/min=36.7 m3/s。考慮風管百米漏風率為1%，漏風系數為1/(1-8/100)=1.09，風機設計風量 Qf=1.09×2 204=2 402 m3/min=40 m3/s。

3.2.6 風機設計風壓

取管道達西系數λ=0.01，空氣密度 ρ=1.2 kg/m3，摩阻系數 α=λ ρ/8=0.01 ×1.2/8=0.001 5 kg/m3。

按配用軟管直徑d=1.6 m，總長L=800 m計算，風阻系數Rf=6.5α L/d5=6.5×0.001 5×800/1.65=0.74 N?s2/m8。

管道壓力損失:Hs=RfQfQz=0.74×36.7×40=1 086 Pa，風機設計全壓 Hf=1 100 Pa。

3.3 管道加巷道通風計算

3.3.1 工作面所需風量

根據前面管道壓入式通風計算結果可得知，可直接以按洞內同一時間爆破使用的最大炸藥量計算風量。

取 t=40，S=90，L=1 000，A=210，lt=40，lg=70，代入吳中立公式，得出 Qz=2 430 m3/min=40.5 m3/s。

3.3.2 風機設計風量

考慮風管百米漏風率為1%，漏風系數為1/(1-10/100)=1.11，風機設計風量 Qf=1.11×2 430=2 697 m3/min=45 m3/s。

3.3.3 風機設計風壓

按配用軟管直徑d=1.6 m，總長 L=1 000 m計算，風阻系數 Rf=6.5α L/d5=6.5×0.001 5×1 000/1.65=0.93 N?s2/m8。

管道壓力損失:Hs=RfQfQz=0.93×40.5×45=1 695 Pa，風機設計全壓 Hf=1 700 Pa。

3.4 通風設備選擇

根據兩階段兩種通風方式極限狀態下計算所需風機的主要通風參數選擇風機。

根據以往經驗和各種型號風機參數對比，選用SDF(C)-N013型多級調速對旋軸流風機，以滿足最大通風距離時的通風要求，同時又可避免在較短距離通風時的浪費。

4 施工通風布置

第一階段:左右洞之間車行橫洞未貫通前，將兩臺軸流風機分別置于左右洞洞口，采用壓入式通風。

第二階段:車行橫洞貫通后，兩個洞口的軸流風機移至左洞洞內橫洞后20 m左右處，一臺往左洞掌子面通風，一臺通過橫洞，往右洞掌子面通風，并增設兩臺射流風機，一臺置于左洞橫洞口，將左洞污濁空氣通過橫洞排往右洞，一臺置于右洞橫洞后10 m左右處，將橫洞排來的污濁空氣和右洞本身的污濁空氣排往右洞洞口。當洞身掘進向前延伸，下一道橫洞貫通后，將風機繼續前移，將后面的橫洞封堵，并在右洞每間隔400 m左右設置一臺射流風機助推，保證污濁空氣順利排出。由于往右洞通風的風管經過兩次大角度的拐彎，且拐彎接近風機口，該段需采用薄鋼板加工的硬風管，且將拐彎作圓滑處理。第二階段不同掘進長度通風布置見圖1，圖2。

5 結語

隧道施工通風設計、設備的選擇很重要，但具體的實施效果如何，通風的管理非常關鍵。必須成立管線專業工班，專門負責通風設備的日常使用、管理、檢查、維護、養護等工作，將通風管理標準化、制度化、規范化，保持設備的良好工作狀態，減小風阻和漏風;當車行橫洞貫通采用管道加巷道通風方式后，左右洞通風成為一個整體的系統，要把通風納入統一管理，確保通風效果;在不同通風距離、不同工況下，必須嘗試多種組合方式控制各臺風機運行狀態并檢測通風的風量、風速、風壓和通風效果，并不斷調整，以達到節能、高效的目的。

[1] 蔣中庸.試論鐵路雙線長隧道無軌運輸施工通風計算[J].隧道建設，1993(3):30-32.

[2] 陸懋成.鷓鴣山隧道(東口)施工通風設計與實施[A].國際隧道研討會暨公路建設技術交流大會論文集[C].2002.

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