長隧道施工通風計算及應用選擇

摘要：獅子爐隧道獨頭掘進長度較長，為保證施工人員具備良好施工環境，保障工程順利施工，在施工過程中隧道內需采取適當通風方式。通過對通風方式、通風風量計算及設備性能考量，獅子爐隧道采用送風式通風，通風設備采用對旋軸流式通風機，配套風管為維尼龍膠布風管，為洞內工作面及時供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵。

關鍵詞：獅子爐隧道；通風量計算；送風式通風；軸流式通風機

根據《公路隧道施工技術規范（JTG F60—2009）》（后簡稱“規范”）中相關要求，隧道施工獨頭掘進長度超過150米時，必須采用機械通風。通風方式應根據隧道長度、斷面大小、施工方法、設備條件等綜合確定。獅子爐隧道單洞獨頭掘進長度最長2317.12米，屬長隧道。施工過程中需采取機械通風，及時為隧道內工作面供給新鮮空氣，并排出隧道內有害氣體。

1 工程概況

莆永高速公路永春至永定段A9合同段位于福建省泉州市安溪縣與龍巖市交界的云中山省級自然保護區，起訖里程為K55+050～K62+881.680，全線長為7.832公里。合同段內獅子爐隧道左洞全長2317.125米，右洞全長2303.68米，隧道單洞合計總長8097.59米。圍巖級別Ⅱ～Ⅴ級。開挖方法采用暗洞三臺階法、臺階法和全斷面法。采用光面爆破，無軌出渣。根據野外地址調查、鉆探及物探資料，隧址區地層巖性較簡單，為全-中風化粉砂巖及強-微風化凝灰巖；洞身圍巖級別為Ⅱ～Ⅴ級。獅子爐隧道開挖后，洞內不會有甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有害氣體溢出。隧址區基巖為粉砂巖及凝灰巖，放射性影響微弱。洞內有害氣體的來源主要有鉆眼粉塵、爆破煙塵、運輸汽車尾氣及汽車揚塵、噴射混凝土粉塵、水霧等有害氣體。

2 目的及要求

隧道施工通風預期達到的目的：

⑴為隧道內施工作業人員提供所需新鮮空氣。

⑵稀釋并排出各種有害氣體和粉塵。

⑶適當調節隧道內工作面溫度及濕度。

⑷創造良好的作業環境，為隧道施工進度、質量、安全等方面做好鋪墊。

規范要求，隧道施工作業環境應符合下列衛生及安全標準：

⑴空氣中氧氣含量在作業過程中始終保持在19.5%以上。嚴禁用純氧進行通風換氣。

⑵二氧化碳（CO2）最高容許濃度9000mg/m3，短時間（15min）接觸容許濃度18000mg/ m3；二氧化氮（NO2）最高容許濃度5mg/m3，短時間（15min）接觸容許濃度10mg/m3。

⑶含10%以下游離SiO2的礦物性粉塵，總粉塵不得大于4mg/m3。

⑷噪聲不應大于90dB。

⑸隧道內氣溫不宜高于28℃。

此外規范還規定：隧道施工通風應能提供洞內各項作業所需的最小風量。每人應供應新鮮空氣3m3/min，采用內燃機械作業時，供風量不宜小于4.5m3/（min·Kw）。全斷面開挖時風速不應小于0.15m/s，但不應大于6m/s。

3 機械通風方式

目前我國一般隧道施工通風方式主要有機械通風和自然通風等方式，其中機械通風分為排風式、送風式、巷道式、送排混合通風方式等。巷道式通風多用于煤礦系統中。在公路隧道施工中，由于經濟等各方面的原因，較少采用巷道式通風，多采用排風式、送風式通風等方式。

圖1 隧道施工通風主要方式

機械通風方式優缺點對比詳見表1 機械通風方式對比。

表1 機械通風方式對比

類型方法優點缺點

排風式將吸風口置于工作面附近，通過風機將灰塵氣體等有害物質吸出，排到洞外，新鮮空氣順坑道進入洞內。及時排出廢棄物工作面需較長時間才能得到新鮮空氣，不利于下一工作循環的開展。

送風式將風機置于洞外，通過管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。及時供給新鮮空氣污染物從洞內往外排出，對洞內已完成的襯砌造成污染，對后續的支護施工有一定影響。

送排混合式一路為送風式通風，送入新鮮空氣；一路為排風式通風，吸出廢棄物。兼有排風式和送風式優點需同時在洞內鋪設兩路風管，洞內空間狹小，會對洞內運輸等工作造成一定干擾；大大增加風管管路的續接、維護等工作量；增加施工成本。

經綜合對比，考慮施工進度、施工成本等方面因素，在獨頭掘進長度2公里多，采用送風式通風較為合適。

4 施工通風計算

4.1 設計參數

管道百米漏風率和摩擦阻力系數等與管道的材質、直徑、連接形式、表面狀況、制造及安裝維護的質量密切相關，只有通過大量工程試驗，才能獲得較為準確的數值。我國所有的通風系統設計文獻只能提供直徑800㎜以下通風管道的技術性能數據，對長隧道使用的新型大直徑管道，目前尚無確切的實測數據，僅可根據國內隧道工程建設過程中現場測試分析對照取值。

開挖斷面積主洞（Ⅱ級圍巖）：S=76.3m2；

一次爆破用藥量：根據獅子爐隧道Ⅱ級圍巖光面爆破設計參數，結合實際施工情況，取G=291.2kg，按Ⅱ級圍巖循環進尺3m考慮；

洞內最多作業人數：按每工作面最大45人；

爆破后通風排煙時間：t=30min；

通風管：采用φ1.3m軟管；

管道百米漏風率：一般取β=（1.1～1.5）%，根據獅子爐風管情況取值1.2%；

風管沿程摩阻系數：由流體力學的沿程阻力公式推導α=λρ/8=3×10-4kg·s2/m4，式中（達西系數λ=0.01，空氣密度ρ=1.2）；

炮煙拋擲長度：經驗公式Ls=15+G/5，Ls=15+291.2/5=73.24m；

單位炸藥爆破放出放入的有害氣體換算成CO的體積，取a=30×10-3m3/Kg；

最大壓入通風長度：按主洞單口最大掘進長度2317.12m，通風按L=2300m管道長度計算。

4.2 通風設計原則

充分利用現有設備，在滿足通風效果的前提下，進行合理調配減少新購風機的數量。在凈空允許的情況下，采用大直徑風管，減少能耗損失。通過適當增加一次性投入，減少通風系統的長期運行成本。

⑴適當提高工作面的供風標準。在風量計算中各參數選取時宜堅持增加風量的取值傾向。

⑵為了實現較好的節能降耗的效果，盡量采用雙級調速軸流式通風機。當要求風量大時，風機以高轉速運行；當要求風量較低時，風機可以較低轉速運行。

⑶堅持“以人為本、改善環境、確保安全、節約能源、節約投資”的設計原則。

4.3 通風計算

關于隧道施工通風量計算，目前世界各國尚無公認統一公式，我國亦無相關標準計算公式，本方案所列公式均參照目前國內主流施工通風量計算公式。

4.3.1 洞內施工所需通風量考慮因素：

①滿足洞內允許最小風速要求等條件進行計算確定；

②洞內同時工作的最多人數所需要的空氣量；

③使同一時間爆破的最多炸藥用量產生的有害氣體降低到允許濃度所需要的空氣量；

④使同時在洞內作業的柴油機產生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的空氣量。

以其中最大者選擇通風設備。

4.3.2 通風量計算

⑴按洞內最小風速計算

Q1=60·V·S

式中：Q1—計算風量，m3/min；

v—允許最小風速，m/s，全斷面開挖時應不小于0.15m/s，但均不應大于6m/s，取0.2m/s；

S—開挖斷面面積，㎡，取Ⅱ級圍巖斷面76.3㎡。

由此得Q1=60×0.2×76.3=915.6m3/min。

⑵按洞內可能的同時作業的最多人數計算

Q2=q·N·K

式中：Q2—計算風量，m3/min；

q—洞內每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3/min，按每人每分鐘3m3計算；

N—洞內同時工作的最多人數，取N=45；

K—風量備用系數，取1.10～1.15。

由此得Q2=3×45×1.15=155.3m3/min。

⑶按稀釋爆破煙塵計算

Q3=V1·〔1-（K·V1/V2）1/t〕

式中：Q3—計算風量，m3/min；

V1—一次爆破產生的炮煙體積，V1= S·Ls=76.3×73.24=5588.3m3；

V2—一次爆破產生的有害氣體，V2=a·G=30×10-3×291.2=8.74m3；

t—通風時間，min，一般在20min—40min，取t=30；

K—允許濃度，ppm，一般取100ppm。

由此得Q3=5588.3×[1-（100×10-6×5588.3/8.74）1/30]=489.4m3/min。

⑷按沖淡機械作業排出的廢氣計算

Q4=P·Σm·N

式中：Q4—計算風量，m3/min；

P—每Kw每min需提供空氣量P=3m3/min；

N—內燃機械的功率，Kw；

m—內燃機械的數量。洞內掘進作業區1臺卡特320挖掘機，功率103Kw；1臺龍工反斗式50裝載機，功率162Kw；2輛斯太爾8m3自卸車，單輛功率191Kw。

由此得Q4=3×（1×103+1×162+2×191）=1941m3/min。

獅子爐隧道作業面施工通風需求量Q需= Max（Q1，Q2，Q3，Q4）= 1941m3/min。

考慮風管漏風，則風機提供的風量為：

Q機=Q需/（1-β）L/100=1941/（1-0.012）2300/100=2562.3m3/min。

4.3.3 風壓計算

為將所需風量送入指定位置并達到設定的風量，必須克服沿途阻力，并在出口維持一定的風速和風壓，則通風機應有足夠的風壓以克服管道系統阻力，即h機>h阻。

h阻=∑h動+∑h局+∑h沿。

式中：∑h動—動壓，取50Pa；

∑h局—局部壓力損失，一般按沿程壓力損失的10%估算。

沿程壓力損失計算：

∑h沿= =

式中：α—風道摩擦阻力系數，取α=3×10-4kg·s2/m4；

L—風管長度，m，取2300m；

D—風管直徑，m，取1.3m；

U—風管周長，m；

S—風管截面積，m；

Q—風機風量，m3/s，取2562.3/60=42.705m3/s。

∑h沿=2203Pa。

h阻=∑h動+∑h局+∑h沿=2473.3Pa。

根據以上計算結果，洞口選擇風量不小于2562.3m3/min、風壓不小于2473.3Pa的風機才能滿足主洞施工通風需求。

5 機械通風設備

通風系統設計的合理性、風機與通風管的能力匹配性等是隧道施工通風設計的關鍵。無論是單方面追求高效率、大風量的風機，忽視風管的直徑小、阻風系數高等問題；還是選擇風管直徑較大，而風機風量偏小、風壓偏低，都難以保證施工通風取得良好效果。

5.1 通風機

目前市場上通風機的類型主要分為離心式和軸流式，其中軸流式有子午加速式軸流通風機、對旋式軸流通風機、變特性隧道軸流風機等幾種。通過近幾年高速公路隧道施工的實踐，對旋式軸流通風機使用效果較好。

5.2 風管

隧道通風風管一般要求：風阻系數低、漏風率低、合適的直徑。

通常風管可分為維尼龍膠布風管、鍍鋅薄鋼板風管、玻璃鋼風管等。考慮經濟、實用性等因素，除特別要求，一般較少采用玻璃鋼風管、鋁合金板風管等。送風式通風一般采用維尼龍膠布風管，它具有存放方便、接長簡單、方便挪移等優點。

5.3 獅子爐隧道的施工通風

根據施工組織設計，經過通風量計算，結果顯示洞內最小風速和內燃機械作業排出的廢氣是計算風量的控制因素。考慮施工進度、施工成本等方面因素，采用送風式通風；根據風量、風壓的計算結果和現場設備狀況，采用軸流式通風機。獅子爐隧道主洞通風：施工作業區段長2317.125m，施工供風采用SDDY-Ⅲ型軸流式2×110Kw通風機，在洞口配一臺風機，通風管為直徑1.3m的軟管，管道布置在隧道左側，在距離作業面100m架設在起拱線以上1.2m處，風管在噴護面段采用錨桿支搭，在錨桿用φ8盤條做吊掛線，并經帶接。考慮獅子爐隧道實際施工過程中，管道布置、維護不理想，掌子面風壓偏小，在主洞掘進至第二處緊急停車帶（K61+738），串聯一個SDDY-Ⅲ型串聯式4×55Kw通風機，以提高風壓，管道布置同壓入式通風機。

圖2 獅子爐隧道施工通風風機布置圖

6 結語

隧道良好的施工通風是保障工程施工安全、質量、進度不可或缺的一部分。選擇合適的通風方式，能及時地為洞內工作面供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵，為洞內工作人員提供較好的工作環境，便于下一循環工序的開展。獅子爐隧道在選擇施工通風方式過程中，綜合考慮經濟成本、施工進度、現場實際環境等各方面因素，不片面追求大風率、大風管設備，務實高效，最終選擇軸流式通風機，將風機置于洞外，通過管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。在做好施工通風的同時，做好其他防塵防污措施，如鉆眼作業采用濕式鑿巖，放炮后及時進行噴霧、灑水等。

參考文獻

[1] 中華人民共和國行業標準. JTG F60--2009 公路隧道施工技術規范[s].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 中華人民共和國行業標準. JTG F60--2009 公路隧道施工技術細則[s].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 李縱.隧道掘進施工通風風量計算與設備選擇（J）.公路隧道，2009，（03）.

作者簡介

潘嘉泉，男，1987年05月，本科，助理工程師.