隧道施工通風管理問題探討

李永生

(中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著我國隧道與地下工程修建技術的發展，隧道施工通風技術水平取得了長足進步和提高，不但取得了多項科技創新成果，而且還開發出了很多新型通風技術和工法。例如:科技創新方面，在長距離多開挖面施工通風、節能通風自動控制系統、高原隧道施工通風、瓦斯隧道施工通風、高原隧道風機研制、高溫熱害隧道施工通風、高寒隧道施工通風和復雜隧道網絡通風技術等方面取得了一系列成果;在新型通風技術和工法方面，開發了射流巷道式通風、斜井隔板風道式通風、單斜井雙正洞隧道施工通風、隧道施工通風設計計算軟件和隧道施工通風監測軟件等新型技術與工法，還研制了很多施工通風配套設施，并獲得了多項國家專利。楊立新等［1］和趙軍喜［2］對巷道式通風技術進行了具體介紹，后者還結合不同通風方式與管控方法進行了能耗對比分析，提出了節能通風措施;趙軍喜［3］和茍紅松等［4］對高原隧道施工通風技術結合實例進行了介紹，后者還對高原隧道施工通風設計計算進行了詳細說明;劉石磊［5］對瓦斯隧道施工通風方案比選和相關注意事項進行了具體介紹;羅占夫［6］和趙東波等［7］對斜井隔板風道式通風從理論計算和現場實施等方面進行了具體介紹;肖元平等［8］對單斜井雙正洞隧道施工通風技術結合實例進行了詳細說明;楊立新［9］和李永生［10］分別從施工通風管控角度對隧道施工作業環境衛生標準提出了建議，后者主要針對高原隧道進行了分析;趙以蕙［11］和張國樞［12］對通風原理、設計以及實施等進行了詳細介紹。

綜上，說明現代隧道施工通風技術已經比較成熟，相關文獻主要從技術角度進行介紹，對具體實施也提了一些要求，但對施工通風管理介紹不夠。目前，在隧道施工通風中暴露出的問題，多數是因為對施工通風管理不到位，導致通風效果不理想，所以有必要對施工通風管理進行深入探討，以便提高認識。

1 隧道施工通風管理流程

1.1 施工通風管理流程

圖1 隧道施工通風管理流程圖Fig.1 Tunneling ventilation management flowchart

1.2 對施工通風管理的理解

隧道施工通風管理主要分為技術管理和施工管理，兩者是相輔相成的，不能完全分離開單獨進行管理。

技術管理包括施工通風技術與組織方案設計、專項方案交底、效果檢測與評價及方案優化等。其中，施工通風技術與組織方案設計環節包含了方案評審與審批;專項方案交底是將設計方案通俗化和具體化，是分階段進行的，主要是依據審批后的方案對現場施工人員進行交底，詳細說明資源配置和指導具體操作;效果檢測與評價是方案實施過程中進行的自檢與自我評價，可據此明確階段調整與方案優化的方向;方案優化是在原審批方案的基礎上進行局部調整，不能違背或者推翻原審批方案。技術管理貫穿于施工通風管理的始終，是整個通風方案成敗的關鍵。

施工管理主要包括施工準備、現場實施和階段調整。施工準備是依據專項方案交底準備人、料、機等資源;現場實施和階段調整是依據專項方案交底進行的具體操作，其操作必須滿足相關標準、規范和設計方案的要求，其中包含了對人、料、機的管理，而階段調整環節可能糅合了方案優化。施工管理主要體現在方案實施階段，其管理水平直接決定通風效果。

2 隧道施工通風管理易發問題分析

2.1 技術管理問題

技術管理中的易發問題主要是隨意更改方案。

2.1.1 風機配置與應用問題

根據以上分析，中國在巴基斯坦投資的區域主要集中于三個大省，俾路支省、旁遮普和信德省，以及伊斯蘭堡首都為中心的地區。重點城市為瓜德爾市、卡拉奇市、拉合爾、白沙瓦、木爾坦、費薩拉巴德等。

1)改變配置風機。例如，某隧道最大送風距離3 500 m，設計開挖面需風量為2 000 m3/min、采用2× 185 kW風機(葉片角度+3°)匹配φ2.0 m風管送風，風管平均百m漏風率為1.5%、摩阻因數0.02。設計送風3 500 m時工況曲線見圖2中的A線與+3°線，風機風量3 572 m3/min、風管出口風量2 070 m3/min (即送到開挖面風量)。

圖2 2×185 kW風機匹配不同風管工況圖Fig.2 Working condition of 2×185 kW ventilation fan matching different ventilation ducts

現場剛好有1臺閑置的2×110 kW風機(葉片角度+3°)，于是直接更改方案改成2×110 kW風機匹配φ2.0 m風管送風(工況見圖3)。D線為送風3 500 m時的阻力曲線:風機風量2 714 m3/min、風管出口風量1 599 m3/min。E線為送風2 000 m時的阻力曲線:風機風量2 834 m3/min、風管出口風量2 095 m3/ min。

問題分析:

①采用2×185 kW風機(葉片角度+3°)匹配φ2.0 m風管送風，在最大送風距離3 500 m時仍然滿足開挖面需風量2 000 m3/min的要求。目前施工生產中采用的大功率風機多數為多級變速或者變頻風機，在隧道施工的前期和中期，送風距離較短時，可以采用低速或者低頻運轉，在滿足施工生產的前提下來實現節能，為后期施工也提供了能力儲備。

②采用2×110 kW風機(葉片角度+3°)匹配φ2.0 m風管送風，在送風距離3 500 m時不能滿足風量要求，只有送風距離在2 000 m以內時方可滿足風量要求，所以在隧道施工的前期和中期能夠滿足要求，不會暴露出問題。而進入中后期，送風距離超過2 000 m以后通風效果會急劇變差，必須更換為設計方案中的大功率風機方可從根本上解決問題，但此時施工接近尾聲，不愿再增加投入購置新設備，只想利用現有資源完成施工，那么通風問題就不能根治。

圖3 2×110 kW風機匹配φ2.0 m風管送風工況圖Fig.3 Working condition of 2×110 kW ventilation fan matching φ2.0 m ventilation duct

2)隨意增設風機。在隧道施工進入中后期，送風距離較長，通風效果下降時，經常出現隨意更改方案增設風機的現象。通常的做法如圖4所示，經常采取中途接力風機和增設排污射流風機的措施，結果多數是事倍功半。

圖4 隨意設置風機示意圖Fig.4 Ventilation fans installed improperly

問題分析:

①中途接力風機就是風機串聯工作，現場多數采用的是風機斷開串聯［13］。該方法通常情況下不提倡采用，一般是在施組方案發生較大變化，風管獨頭送風距離增加過長的情況下被迫采用，并且必須通過專業的方案優化設計，合理選擇接力風機型號和接力位置。而隨意選用現有風機，憑感覺和施工布設方便來選擇接力位置，其結果往往是投入設備增多了、能耗增加了、通風效果仍然不理想。

②射流風機在隧道施工通風中的主要用途是誘導和調節風流，其前提是應用在形成通風回路的巷道內，也有部分情況是為了局部降溫而采用小功率射流風機的。而圖4中的排污射流風機是施工單位經常犯的一個明顯錯誤，因為洞內風量全部是由洞口風機提供的，要想增大排污風速就必須增大洞口風機的送風量，增設射流風機不會改變洞內的總風量和整體排污風速，只是增大了局部風速和在局部區域形成渦流，不能改善整個通風系統，所以射流風機設置在獨頭巷道內不能發揮應有作用，是一種錯誤應用。

2.1.2 風管配置與采用問題

1)改變配置風管。仍然以上述某隧道為例，設計采用2×185 kW風機(葉片角度+3°)匹配φ2.0 m風管送風。現場剛好有φ1.8 m舊風管，于是為了節約成本直接采用，并且隨后為了與舊風管銜接匹配，新購風管也是φ1.8 m。送風3 500 m時:風機風量3 080 m3/min、風管出口風量1 815 m3/min。送風3 000 m時:風機風量3 160 m3/min、風管出口風量2 008 m3/ min。

問題分析:

①2×185 kW風機(葉片角度+3°)匹配不同風管的工況見圖2，其中A線為φ2.0m風管送風3 500 m時阻力曲線、B線為φ1.8 m風管送風3 500 m時阻力曲線、C線為φ1.8 m風管送風3 000 m時阻力曲線，由圖中工況點可知B線風阻最大風量最小、A線風阻最小風量最大。

②采用2×185 kW風機匹配φ1.8 m風管送風，在送風距離3 500 m時不能滿足風量要求，只有送風距離在3 000 m以內時方可滿足風量要求，施工前期和中期不會暴露出問題，后期送風距離超過3 000 m以后通風效果會急劇變差，必須更換為大直徑風管或者再增設一套通風系統補充風量方可從根本上解決問題。但隧道只剩幾百m就貫通，施工單位不愿再增加投入，多數利用現有通風系統維持到施工結束或者中途隨意接力風機等將錯就錯的措施。

2)降低風管質量要求。目前市場上銷售和施工實際采用的風管大多為PVC拉鏈式軟風管，并且近些年隧道施工通風采用φ1.5 m以上大直徑風管的情況較多。由于對大直徑風管性能沒有約束標準和相應的質檢機構監督，其質量和加工工藝良莠不齊，價格也參差不齊，為了降低成本經常會購置和采用劣質風管，在現場應用中暴露出的主要問題是:漏風率高、通風阻力大、抗壓強度不夠、膨脹率和伸長率過大、易老化等。

問題分析:

①風管漏風率高除加工材質漏風外，主要還是加工工藝問題。首先是風管接頭拉鏈裸露(見圖5)，無降低漏風率的內外保護圍布，一般要求風管拉鏈內外設5～10 cm防漏風保護圍布(見圖6)，圍布必須是焊接上去的，禁止采用縫合方式;其次是風管縱向焊接帶漏風，有些為了給焊接補強還增設了縱向縫合線(見圖7)，導致縫合針孔加大漏風，質量合格風管一般要求風管縱向只有寬5 cm以上的平整焊接帶(見圖8)，小直徑風管只允許有1條縱向焊接帶，大直徑風管不允許超過2條。

圖5 接頭拉鏈裸露漏風風管Fig.5 Ventilation duct with air leakage from the joint zipper

圖6 接頭拉鏈設有內外保護圍布的風管Fig.6 Ventilation duct with seal strip along joint zipper

圖7 縱向焊接帶漏風的風管Fig.7 Ventilation duct with air leakage from longitudinal welding joint

圖8 縱向焊接帶合格的風管Fig.8 Ventilation duct with qualified longitudinal welding joint

②風管通風阻力大首先是材質問題，有些風管材質本身的光滑度和平整度較差，焊接加工時易褶皺變形，導致風阻增大;其次是加工工藝問題，有采用螺旋形縱向焊接帶的風管，還有采用鋼圈補強與縫合加固的風管(見圖9)，也有內壁粗糙外壁光滑的風管，均會因風管內壁凹凸不平而增大阻力。

圖9 采用鋼圈補強的風管Fig.9 Ventilation duct reinforced by steel rings

③抗壓強度不夠主要是因為風管材質問題，其次是由焊接質量不合格和拉鏈縫合強度不夠等原因引起的;膨脹率和伸長率過大以及易老化也主要是材質問題。這些問題經常在施工中后期暴露出來，尤其是施工后期需要風機大功率高風壓送風時，質量不合格風管經常出現爆管、直徑膨脹變大、長度伸長量過大、老化變硬脫皮等，不但導致通風管路不順暢、風阻增大、漏風率增高，而且會影響風機性能發揮，致使整個通風系統不能達到設計要求，通風效果無法保證。

2.2 施工管理問題

施工管理問題主要是風機設置問題和通風管路掛設與維護問題。

2.2.1 風機設置問題

1)洞口風機設置問題。TZ 204—2008《鐵路隧道工程施工技術指南》［14］(以下簡稱《指南》)中要求風機應架設在距洞口大于30 m、一定高度的支架上，在現場實施中有很多不滿足距離要求的情況，多數是因為受場地限制或者憑經驗隨意設置，其后果是容易造成污風循環。

2)洞內風機設置問題。洞內為開挖面送風的風機應設置在新鮮風流中，風機前后5 m范圍內不許堆放雜物;射流風機應設置在形成了通風回路的巷道內，靠卷吸升壓作用來提高巷道內風速。現場實施時有發生將風機設置在污濁風流中的情況，因污風循環將污濁空氣送到了開挖面，將射流風機設置在獨頭巷道內的情況更多些，其錯誤原因前文已經說明。另外，洞內風機集中布設時，不宜間距過小，應盡量拉大間距，以避免風機聯合工作對風機工況的影響;射流風機與其它風機也應盡量拉大間距，以保證充分發揮射流風機的卷吸升壓作用。

3)其他問題。風機安裝必須牢固，避免因抖動而影響風機正常工作;保證風機有充足的電力供應，避免后期風機大功率開機時無法正常運轉。

2.2.2 風管掛設與維護問題

1)風管掛設問題《指南》中要求風管掛設應平、直，無扭曲和褶皺(見圖10);不應左右搖擺和高低起伏，尤其是在短距離內不應急劇起伏(見圖11);通風管路應選擇合適位置平緩通過襯砌臺車和臺架(見圖12);掛設風管轉彎時，要圓滑緩慢通過(見圖13)，不應轉銳角彎折線通過(見圖14)，也可采用剛性鐵皮彎頭緩慢通過;風管分叉時建議采用剛性鐵皮三通(見圖15)，也可采用定制的柔性三通風管，不應在主管路上隨意開口分風(見圖16)。

圖10 掛設平順的風管Fig.10 Ventilation duct installed smoothly and straightly

圖11 掛設不平順的風管Fig.11 Ventilation duct installed improperly

圖12 平穩穿越臺車的風管Fig.12 Ventilation duct passing through formwork trolley properly

圖13 圓滑轉彎的風管Fig.13 Ventilation duct that turns direction smoothly

圖14 轉折線彎的風管Fig.14 Ventilation duct that turns direction sharply

圖15 鐵皮三通分風Fig.15 Steel three-way connector used to branch ventilation duct

圖16 主管路隨意開口分風Fig.16 Ventilation duct that braches improperly

2)風管維護問題。風管維護要及時，緊急情況下可以利用軋絲修補風管，隨后選擇合適時間更換下來利用焊槍修補，不應將軋絲修補過的風管長期掛設在通風管路內(見圖17);風管穿越襯砌臺車區段比較容易刮破，移動臺車時必須停風并設專人保護風管，襯砌完成區段及時更換新風管，換下的舊風管修補后用于開挖面和仰拱施工段;仰拱和開挖面爆破經常會炸爛風管，爆破時必須停風并采取風管保護措施，炸爛的風管可以利用軋絲及時修補，或者利用襯砌段更換下來的舊風管進行更換。

3 防治措施

3.1 技術管理問題防治措施

1)技術管理人員必須掌握設計方案，并依據設計方案作出正確的交底。

圖17 軋絲修補過的風管Fig.17 Ventilation duct repaired by steel wires

2)堅決制止和糾正隨意改變方案的現象。

3)技術管理人員必須定期檢查方案實施情況，并定期進行檢測和通風效果評價，發現問題及時糾正，依據施工進度及時進行階段調整和方案優化。

4)在技術方案上遇到無法決策的問題時，及時咨詢專業技術人員，不許憑經驗和感覺做出決策。

5)施工通風設備物資專項招標采購時，必須由專業技術人員對質量和性能指標進行把關。

3.2 施工管理問題防治措施

1)施工管理人員必須掌握專項方案交底，并在技術管理人員的指導下按要求布設風機和風管。

2)施工管理人員應經常與技術管理人員溝通，堅決杜絕憑經驗和感覺隨意變通執行方案。

3)執行方案要有時效性，不許拖沓執行，或者圖方便打折扣執行。

4 結論與討論

目前，隧道施工通風的技術管理問題還是時有出現，主要是因為項目責任成本管控壓力大，導致對作為輔助項目的施工通風費用投入不夠，不能按設計方案及時購置風機和優質合格的風管。技術管理問題存在一定的潛伏期，一般在施工的中后期才能暴露出來，所以前期容易因管理人員麻痹大意而被忽視，但是問題一旦暴露出來就基本病入膏肓了，必須短時間內投入一定數量的新購設備物資才能使整改措施成行，甚至可能會付出停工集中整改的代價，整改的成本和代價較高，并且整改效果不明顯。技術管理問題出現后，要想徹底整改，使通風效果得到明顯改觀，所花費的通風總成本比開始就執行設計方案要高很多。

隨著項目管理標準化和精細化水平的不斷提高，隧道施工通風的施工管理問題出現的越來越少了，因為施工管理問題是比較直觀的，短期內就能發現或者暴露出來，能夠及時采取整改措施，并且整改措施所耗費的成本和代價不高，比較容易實現，整改效果也比較明顯。

在隧道施工通風管理中，技術管理是根本，通過施工管理來體現，體現的不好可以優化體現方式，而根本出了問題就需要動大手術進行矯正，所以有必要對隧道施工通風管理引起足夠的重視，避免上述問題的出現。同時，建議隨著精細化管理工作的推進，將隧道施工通風作為專項工程由專業隊伍進行專業分包管理，更有利于避免上述問題的出現。

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