特長公路隧道施工通風技術

王平孝

（中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032）

1 工程概況

福建南廈高速公路石鼓山隧道全長6005米，雙洞六車道。襯砌內輪廓凈寬15.05m，凈高7.68m，最大開挖斷面積120.42 m2。在隧道施工中，由于鉆孔、炸藥爆破、裝渣、噴射混凝土、內燃機械和運輸汽車的排氣等因素，使洞內氧氣大大減少，且混雜各種有害氣體與巖塵，造成洞內空氣混濁。隨著隧道不斷開挖，不斷向山體深處延伸，洞內的溫度和濕度相應提高，對洞內作業人員的健康造成嚴重影響。石鼓山隧道出口段為獨頭掘進，人工鉆爆法開挖，無軌運輸，施工通風難度大。為了更換和凈化隧道內的空氣，供給洞內足夠的新鮮空氣，稀釋、沖淡和排除有害氣體和降低粉塵濃度，以改善勞動條件，保障施工作業人員身體健康、保證正常的安全生產，并提高勞動生產率，必須進行施工通風系統的技術研究。

2 隧道施工中的主要污染源和通風防塵標準

2.1 隧道施工中的主要污染源

爆破產生的炮煙；柴油機產生的廢氣；車輛行駛產生的粉塵。

2.2 通風防塵控制標準

2.2.1 氧氣含量

洞內的氧氣含量按體積比不低于20%。

2.2.2 粉塵濃度

每立方米空氣中含10%以上的游離二氧化硅的粉塵不大于2mg；含有10%以下的游離二氧化硅的水泥粉塵不大于6mg，二氧化硅含量在10%以下。

2.2.3 有害氣體

一氧化碳：不大于30mg/m3；當施工人員進入開挖工作面檢查時，濃度可為100mg/m3，但必須在30min～35min內降至30mg/m3

二氧化碳：按體積不超過0.5%；

氮氧化物換算成二氧化氮控制在5mg/m3以下。

2.2.4 氣溫

隧道內氣溫不得超28℃。

2.2.5 空氣量

隧道施工時，供給每人的新鮮空氣量不低于3m3/min，采用內燃機械作業時，1kw的供風量不小于3m3/min。

2.2.6 風速

隧道開挖時全斷面風速不小于0.15m/s,洞內不小于0.25m/s。

3 施工通風計算和風機選型

3.1 計算依據

洞內通風采用風管式通風，每循環進尺按3.0m，炸藥用量按290kg。第一階段壓入式通風時間按30min考慮，第二階段混合式通風按40min考慮。掌子面所需風量按洞內要求的最小風速、洞內人員需風量、一次爆破后及時排除掌子面炮煙、內燃機械設備的使用所需的風量計算，取其中的最大值為依據計算。

3.2 第一階段施工通風計算和風機選型及布置

從出洞口向正洞方向掘進1400m以內壓入式通風。

3.2.1 風量計算

1）根據同一時間，洞內工作人員數計算：見《路橋施工手冊》第649頁（21-16）公式：

作業人數按60人、風量備用常數取1.2。

2）按照爆破作業確定風量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t—通風時間，取t=30min；G—次爆破的炸藥量，G=290Kg；A—隧道斷面積，A= 120.42m2；Ψ—與隧道的潮濕程度有關ψ=0.3；b—炸藥爆破時的有害氣體產生量b=40L/ Kg；p—風管的漏風系數，取1.18（見后計算）；L—臨界長度，按照將CO稀釋到100mg/m3計算：

式中K為系統擴散系數，與風管口距工作面的距離及風管直徑有關，K=0.67

3）內燃機械作業廢氣稀釋的需要計算風量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞內同時使用內燃機作業的總kW數；N：洞內同時使用內燃每kW所需的風量，一般取3.0m3/min；

在隧道工作面開挖至1400m距離內，出碴時重車數取4輛，空車4輛，柴油機功率180kW，重車負荷率80%，空車負荷率30%，利用率0.9，裝載機兩臺，每臺150kW，負荷率70%，利用率0.9，實際使用功率。

ni=180*4*0.8*0.9+l50*2*0.7*0.9+180*4* 0.3*0.9=901.8kW。

Q3 =3*901.8 = 2705.4m3/min

4）按洞內最小風速計算風量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-22）公式：Q=60VS

V：洞內允許最小風速，m/s；全斷面開挖時為0.15m/s，其它為0.25m/s，這里取0.15m/s；

S：開挖斷面積120.42m2；

圖1 第一階段風機布置圖

取由以上四種計算結果中內燃機械作業廢氣稀釋的通風的最大值2705.4m3/min作為設計控制風量。

5）風管漏風損失修正風量

通風機設在洞口，為工作面供風，通風計算取最大通風長度L=3152/2=1576米(隧道通風考慮風機串聯，故長度按隧道開挖總長的一半考慮)，風管百米漏風系數β為1%，風機所需風量Q機為：

式中：P-風管漏風系數。

6）風壓計算

S風管=ΠD2/4=1.77m2

式中：ρ-空氣密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3計；V-風管內平均風速；D-風筒直徑，取 1.5m；λ-達西系數，取0.0078；L-通風長度，取1576m；S-風筒截面積，單位m2。

系統風壓H=h摩+h局+h正+h其他，為了方便計算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*2658.2Pa=3189.84Pa。

3.2.2 風機選型

根據上述Q機、H的計算結果，參靠風機性能曲線選擇風機、要求風量、風壓處于被選擇風機的高效區內，即η=0.8為佳。

DSF-ⅡNo12.5A型號通風機功率2x38①

115KW， 壓 力 為 2524～6000Pa＞H (3189.84),流量77840～270000m3/h=75m3/s＞Q需（53.21m3/s）。因此選用DSF-ⅡNo12.5A風機，配以Φ1500mm軟質分管，可以滿足洞內通風要求。

3.2.3 通風機布置

通風機安裝在洞外20～30m的位置，向掌子面壓入通風。(通風布置見圖1)

3.3 第二階段施工通風計算和風機選型機布置

圖2 1400m～2500m段通風機布置示意圖

圖3 2500m～3152m段通風機布置示意圖

第二組風機連接處

從出洞口向正洞方向掘進1400m～3152m (貫通點)壓入式通風。

3.3.1 風量計算

第二階段風量主要考慮洞內爆破、內燃機械作業廢氣稀釋需要的風量：

1）根據同一時間，洞內工作人員數計算：

Q1=1.2×60×3=216m3/min（同第一階段）

2）按照爆破作業確定風量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t-通風時間，取t=40min；G-次爆破的炸藥量，G=290Kg；A-隧道斷面積，A= 120.42m2；Ψ-與隧道的潮濕程度有關Ψ=0.3；b-炸藥爆破時的有害氣體產生量b=40L/Kg；p-風管的漏風系數，取1.18（見后計算）；L-臨界長度，按照將CO稀釋到100mg/m3計算：

式中K為系統擴散系數，與風管口距工作面的距離及風管直徑有關，K=0.67

3）內燃機械作業廢氣稀釋的需要計算風量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞內同時使用內燃機作業的總kW數；N：洞內同時使用內燃每kW所需的風量，一般取 3.0m3/min；在隧道工作面開挖至1400m～3152m距離內，出碴時重車數取6輛，空車6輛，柴油機功率180kW，重車負荷率80%，空車負荷率30%，利用率0.9，裝載機兩臺，每臺150kW，負荷率70%，利用率0.9，實際使用功率。

4）按洞內最小風速計算風量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-22）公式：Q4=60VS

Q4=60*0.15*120.42=1083.78m3/min(同第一階段)

取由以上四種計算結果中內燃機械作業廢氣稀釋的通風的最大值3774.6m3/min作為設計控制風量。

5）風管漏風損失修正風量

通風機設在洞口，為工作面供風，通風計算取最大通風長度L=3152/2=1576米(隧道通風考慮風機串聯，故長度按隧道開挖總長的一半考慮)，風管百米漏風系數β為1%，風機所需風量Q機為：

式中：P-風管漏風系數。

6）風壓計算

S風管=ΠD2/4=1.77m2;

V=Q需/S風管=3774.6/1.77=2132.54m3/ min=35.54m3/s

H摩=λ*L/D*ρV2/2=0.0078*1576/1.5*1*3 5.542/2=5175.64Pa

式中：ρ-空氣密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3計；V-風管內平均風速；D-風筒直徑，取 1.5m；λ-達西系數，取0.0078；L-通風長度，取1576m；S-風筒截面積，單位m2。

系統風壓H=h摩+h局+h正+h其他，為了方便計算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*5175.64Pa=6210.77Pa

風帶與風機連接處

3.3.2 風機選型

根據上述Q機、H的計算結果，參靠風機性能曲線選擇風機、要求風量、風壓處于被選擇風機的高效區內，即η=0.8為佳。

采用2組DSF-ⅡNo12.5A型號通風機功率2*55 110KW進行串聯，串聯后通風機工作壓力為5048～12000Pa＞H(6210.77),流量155680～540000m3/h=150m3/s＞Q需（74.23m3/ s）。因此選用2組DSF-ⅡNo12.5A風機串聯，配以Φ1500mm軟質分管，可以滿足洞內通風的要求。

3.3.3 通風布置

1)當隧道開挖到1400～2500m范圍時，將第二組通風機安設在局洞口 1300m處（ZK12+330/YK12+352）串聯通風，保證正常通風。見圖2

2)當隧道開挖到2500～3152m范圍時，將第二組通風機安設在局洞口2250m/2300m處（ZK11+380/YK11+352）串聯通風，保證正常通風。見圖3

4 經驗和體會

通過南廈項目石鼓山隧道施工區段通風階段實踐，總如下：

1）在設備選型上，應該盡可能選擇通風量較大的變速節能風機，DSF-ⅡNo12.5A風機共 6級變速，風量從 1294m3/min至45001294m3/min,風壓從2524～6000Pa，功率從160kw至220kw,既可適應不同施工階段的需要，同時也可以避免電能虛耗和大風機啟動時風壓較高而設置長距離的硬管。采用直徑1.5mde通風軟管，百米漏風降低，風阻減少，更換較少，節約了動力費用。實現了大風機、大風管的合理匹配。

2）加強洞內監測和個人防護，改善作業環境，提高功效，從而縮短作業循環時間，加快施工進度。

3）實行施工通風專業化管理，從方案設計、通風設置選擇，新產品應用及日常施工管理等各個環節都要做細、做好。

長達隧道施工通風方案是否合理是直接影響經濟效益的一個重要條件，是施工技術人員必須長期研究的一個重要課題。

[1]公路隧道通風防災技術.長安大學. 2009.01.01.

[2]公路隧道監控系統設計合理性研究.廣東省高速公路有限公司.2006.01.01.