壁板坡特長隧道施工通風的影響因素分析

何知思，曾　鵬，鐘勇奇，楊新安

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海　201804;2.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣州韶關　512031)

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壁板坡特長隧道施工通風的影響因素分析

何知思1，曾鵬2，鐘勇奇2，楊新安1

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804;2.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣州韶關512031)

摘要：特長隧道通風是目前隧道工程建設中的難點，為分析影響帶平導特長隧道施工通風的主要因素及其規律，以滬昆客運專線壁板坡特長隧道為工程背景，分析隧道施工時的通風系統和洞內外空氣質量的監測數據，并結合目前對隧道施工通風影響因素的研究成果，總結影響特長隧道施工通風洞內空氣質量的主要因素及其特征，包括洞內外的溫度差、通風方案、施工組織和掘進方法，以達到合理組織隧道施工與優化通風的目的，為類似特長隧道的施工通風及其優化提供參考依據。

關鍵詞：鐵路隧道；特長隧道；施工通風；洞內環境；監測

1概述

特長隧道通風是目前隧道工程建設中的難點[1]，國內對特長隧道的通風問題進行了一些探討與研究。嚴濤[2]針對巴朗山隧道復雜的平導壓入式通風系統，通過通風網絡建立目標函數，得出最優通風狀態下開啟的橫通道數量和位置；高孟理[3]通過分析隧道射流通風原理和模擬實驗結果，提出優化射流通風系統通風參數和合理布局通風系統的原則和方法；夏永旭[4]通過數值模擬和物理模型相結合的方法對秦嶺終南山隧道不同通風方案進行研究，為選擇科學合理的通風方案提供依據。可見，對具體的特長隧道，需結合其掘進方式進行通風設計，施工中以通風監測為基礎進行通風優化和調整。

滬昆客運專線壁板坡隧道全長14.756 km，隧道正洞設計為“進口合修、出口分修”，合修段長1 363 m。該隧道修建一條貫通平導作為施工通風和運輸的輔助坑道，并為正洞施工進行超前地質探測和預報。在貫通后的平導中設置一定數量的射流風機，以平導進口作為新鮮風的入口，正洞各工作面通過與平導相連的橫通道采用壓入式進行送風，工作面污風則通過平導由出口端排出。

隧道通風質量的好壞直接影響工人工作熱情、機械運行效率、機械使用壽命，良好的通風組織是保障工程安全快速掘進的基礎。為掌握隧道開挖區域工程地質、水文地質情況，隧道采取“平導超前，正洞跟進”的開挖方式，平導長距離獨頭掘進過程通風距離長，風壓、風量損失大；平導與左線、左線與右線以橫通道、聯絡通道連接，多工作面同時施工時，左、右線風管布設波折多、平順性差，工程車輛進出多，尾氣排放高，擾亂污風排出風流；線路縱向設計為人字坡，橫向設計為右線高于左線、左線高于平導的形式，加大了溫度較高的污風的排除難度。

以滬昆客運專線壁板坡特長隧道為工程背景，分析隧道施工時的通風系統和洞內外空氣質量的監測數據，并結合目前對隧道施工通風影響因素的研究成果，得到影響壁板坡特長隧道施工通風質量的主要因素有：隧道洞內外溫度差、通風設備的配套與管理、運輸方式及隧道爆破方法等。通過對這幾個主要影響因素的分析，以達到合理組織隧道施工與通風的目的，為類似特長隧道的施工通風及其優化提供參考依據。

2洞內外溫度差

隧道內的空氣之所以能形成風流，是由于風流的起終點之間存在能量差。這種能量差若是由通風機提供則稱為機械通風；若是在隧道所處的自然條件下產生，則稱為自然通風。若將地表視為無限大、風阻為零的假想風路，則通風系統可視為一個閉合的回路。只要兩側有高差，并且隧道所處環境中的空氣密度不等時，則該回路就會產生自然風壓，能量差的計算如公式如下

(1)

式中，p為能量差；ρ1為位置1空氣密度；ρ2為位置2空氣密度；g為重力加速度。

而空氣密度受多種因素的影響，其與高度H形成復雜的函數關系。根據氣體狀態方程分壓定律，空氣的密度計算公式為

(2)

式中，ρ為空氣密度;p為大氣壓力；psat為飽和水蒸氣壓力；T為空氣溫度;Φ為空氣相對濕度。

由式(2)可知，隧道內外氣體的密度與大氣壓力p、溫度T和相對濕度Φ均存在相關關系[5]。

壁板坡隧道地處亞熱帶季風氣候區，據氣象資料統計，隧道進出口盤縣和富源的月平均最高和最低氣溫如圖1所示，同時根據現場實測的施工期間隧道內各測點的溫度約為19.4～30.9 ℃。總體上說洞內空氣的密度比洞外空氣密度小，洞外空氣又有從低洞口流入洞內并將洞內空氣推向高處的趨勢，由于壁板坡隧道縱斷面總體設計為“人字坡”，這必然導致通風機械難于將隧道內的污風及時排出。所以說，在隧道施工期間，隧道高程較高的作業區域內空氣質量較差是有其客觀原因的。此外，壁板坡隧道橫向高程設計為右線高于左線、左線高于平導的形式，這也加大了溫度較高的污風的排除難度。

圖1　盤縣和富源的月平均最高和最低氣溫統計

3通風方式與設備配套及管理

隧道通風質量的好壞直接影響工人工作效率、機械運行效率、機械使用壽命，良好的通風組織是保障工程安全快速掘進的基礎。為掌握隧道開挖區域工程地質、水文地質情況，壁板坡隧道采取“平導超前，正洞跟進”的開挖方式，隨平行導坑的掘進通過開挖橫通道進入正洞開辟多個工作面。根據壁板坡隧道的施工組織特點，其通風大致分為3個階段：平導未貫通階段、平導貫通左線未貫通和左線貫通階段，根據不同施工階段的隧道結構特點應采取相應的通風方案與通風組織方式，這也是影響隧道施工通風質量的主要因素。

3.1通風方式的選擇

隧道施工通風需要根據不同的通風長度選擇不同的通風方式。常規的獨頭壓入式通風，隨著通風距離的延長，通風阻力不斷增加，風機所要提供的風量及要克服的阻力越大，消耗的能量也越多；采用射流巷道通風時能實現更長距離的通風，射流巷道式通風不需要主扇、風機房、風道和風門，隨著輔助坑道的掘進，增加射流風機的臺數[6]。

在壁板坡特長隧道施工通風中，由于獨頭壓入式通風很難達到長距離的通風，而射流巷道式通風解決了長距離隧道通風效果差的難題，壁板坡隧道選擇射流巷道式通風中，隨著平導的掘進，相應地增加射流風機臺數，并增加新開辟工作面壓入式送風的軸流風機數，并延長到掘進工作面風管的長度。壁板坡隧道施工通風在不同施工階段所采用的通風設計如圖2所示。

圖2　不同施工階段通風設計

3.2通風設備配套及管理

隧道施工通風中，風機與風管的性能參數以及通風設備管理是影響長距離隧道通風方案設計與效果的重要因素。隧道施工通風方案設計時，工作面的需風量往往按照洞內同時工作的最多人數、洞內允許的最小風速、一次性爆破產生的炮煙量、內燃機械設備總功率等計算，取各因素的最大值作為控制風量進行設備配置，結合管道風阻的計算確定風機的最小工作風壓。施工過程中通過合理設置通風系統、加強通風管理，提高通風質量，保證施工作業人員身心健康[6]。壁板坡隧道施工分不同施工階段，在不同階段的工作面數量、最多作業人數等變化大。從通風設備配套、施工通風組織與管理等方面進行論述。

(1)通風設備的配套

風機性能的主要參數是風量Q、風壓H、風機軸功率N和效率等。選擇軸流式風機時根據所需通風量、風管的漏風率和摩擦系數，以及最大送風距離，來計算風機出口風量、總阻力和風機的有效功率；再根據風機的全壓效率、電動機的效率、傳動效率，算出電動機的輸入功率；最后根據所需要的風機供風量、風壓和功率確定備選的軸流式風機。

風管的性能指標主要有風管的直徑、百米漏風率、沿程阻力系數、局部阻力系數。根據風管的直徑、通風距離、百米漏風率、沿程阻力系數和局部阻力系數計算沿程阻力和局部阻力，其中沿程阻力hf的計算公式為

(3)

式中λ——摩擦系數；

ρ——空氣密度，kg/m3；

d——過風斷面當量直徑，m；

β——風管百米漏風率平均值；

L——風管長度，m；

Q0——風機工作點風量，m3/s。

由式(3)可見，沿程阻力與管路直徑5 次方成反比，沿程阻力、局部阻力分別與摩擦系數、局部阻力系數成正比，所以風管的直徑、摩擦系數及局部阻力系數對長距離通風系統影響較大，因此軸流式風機和風管的性能參數直接影響了阻力計算、風機供風量的確定。

(2)施工通風組織及管理

設置平行導坑的特長隧道在平導超前正洞后，按設計位置以橫通道的方式進入正洞開辟新的工作面。平行導坑采用自然通風加接力式射流風機巷道式通風，此時需考慮入洞風量、軸流風機供風量、風管出口風量以及射流風機的布置。

平行導坑射流風機的布置主要包括射流風機的擺放位置及射流風機布置間距。射流風機擺放位置會明顯影響有害氣體的排放速度，當射流風機擺放在隧道側壁時，射流風機附近形成了一個渦流區，致使有害氣體出現集中現象而難以排出。而當射流風機擺放在隧道中央位置，能夠明顯加快有害氣體的排放速度，因此在施工通風中將射流風機擺放在隧道中央位置是最合理的選擇[7-11]。

對于與壁板坡隧道相似的特長隧道，射流風機的擺放間距需要分析確定，射流風機的影響距離受到很多因素的制約，如風機的流量、流速、隧道內風速、風機的安裝高度等。根據隧道現場的施工條件及隧道內通風質量及時調整射流風機的安裝距離，可在發揮射流風機最大功效的前提下，節約資金投入。

施工期間風管的管理主要包括風管出口距離掌子面的距離、風管通風距離、風管沿程的布置以及風管破損的修復等。隨著工作面的推進，風管也應及時地加長與工作面保持合適的通風距離，但實際施工中風管延長不及時的現象較為普遍，這會嚴重影響工作面的正常通風，導致工作面供風量不足，隧道爆破后產生的粉塵和有害氣體不能及時地排出工作面；隨著通風距離的延長，風機所要提供的風量及要克服的阻力也越大，若風管中間沒有設置風機增壓，將導致工作面供風量不足；隧道中由于工作面后方二襯及仰拱作業的影響，往往出現風管沒有及時地重新平直固定，這就提高了風機負荷，降低風機和風管的通風效率。破損風管修復不及時，會導致漏風量的增加，降低風管出口供風量。

4運輸方式的選擇

現階段隧道施工運輸方式主要為有軌運輸和無軌運輸兩種，有軌運輸一般采用電力牽引，而無軌運輸采用自卸汽車運輸。由于施工期間很難控制隧道鋪軌平整度、電力機車長距離牽引難度大，以及仰拱施作需要設置仰拱棧橋，故壁板坡隧道采用更為靈活的無軌運輸方式。

由于隧道工作面是一個相對閉塞的空間，無軌運輸采用汽車運輸，往往因為多工作面施工組織和出砟機械調度上存在的問題，導致過多的自卸式出砟車同時進入洞內，由于工作面爆破后溫度較高，等待出砟作業的自卸車大多因要開啟空調而處于啟動狀態，這不僅降低洞內空氣含氧量，同時造成洞內溫度的升高和有害氣體排放的增加。

通過監測隧道某工作面出砟時間段不同數量出砟車時的CO含量可知，隨著處于啟動狀態等待出砟車輛數量的增加，洞內CO含量顯著增加，當處于啟動狀態等待作業的車輛達到4臺時，工作面CO含量達到83～90 ppm，約為規范要求洞內安全生產標準的3～4倍，顯然，內燃機械有害氣體的排放是影響洞內通風的重要因素。

5爆破方式的選擇

在隧道鉆爆法施工中，水壓爆破是減少爆破粉塵的有效方法，相對于常規爆破僅改變炮眼裝藥結構和減少了炮眼裝藥量，裝藥時將事先加工好的炮泥及水袋按照設計的裝藥結構分次序裝入，然后用炮泥堵塞[12]。通過對隧道水壓爆破掘進和常規爆破掘進分別進行爆破后粉塵濃度的監測，監測數據如表1所示。

表1　不同爆破方式產生粉塵含量

從表1可見，與常規爆破相比，水壓爆破產生的粉塵得到大幅度降低，減少了對洞內施工環境的污染，提高通風設備的工作效率，為隧道施工的掘進和作業人員的身心健康提供保障，所以爆破方式的選擇很大程度的影響工作面粉塵含量。

6結論

帶貫通平導的雙洞單線特長隧道是常見的設計與施工方案，依據滬昆客運專線壁板坡隧道施工通風的實踐，分析幾個主要影響因素及其特征，得到下面幾點結論。

(1)認為壁板坡隧道施工通風不良的客觀原因是洞內溫度明顯高于洞外，以及隧道縱斷面的設計為“人”字坡，導致洞內中部高程較大的區域污風難以排出。

(2)壁板坡隧道采用射流巷道式通風解決了長距離隧道通風的難題，實現多作業面平行作業；平行導坑射流風機的布置對有害氣體的排放速度影響很大，加強通風設備的組織與管理能明顯改善特長隧道的通風質量。

(3)運輸組織管理是影響隧道通風質量的重要因素，內燃車輛在洞內停留時間過長，不僅降低洞內含氧量，同時造成洞內溫度升高和有害氣體排放的增加，因此在隧道正洞工作面風量計算時要考慮不同運輸方式的影響。

(4)水壓爆破與常規爆破相比，爆破產生的粉塵大幅度降低，減少了對洞內施工環境的污染，因此爆破方式也會影響正洞工作面風量的計算。

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Analysis of Construction Ventilation Influencing Factors of Bibanpo Extra-long Tunnel

HE Zhi-si1， ZENG Peng2， ZHONG Yong-qi1， YANG Xin-an1

(1.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804，China; 2.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group， Shaoguan 512031， China)

Abstract：Ventilation of extra-long tunnel is now the challenge in tunnel construction. In order to understand the main influence factors of long tunnel construction ventilation， this paper， based on the engineering of the Bibanpo tunnel of Shanghai to Kunming high speed railway， analyzes the monitoring data related to the ventilation system and air quality in and outside the tunnel， and summarizes the main factors influencing construction ventilation air quality， such as the temperature difference in and outside the tunnel， ventilation design， construction organization and excavation method， which may serve as references for the construction ventilation and optimization of similar extra-long tunnels．

Key words：Railway tunnel; Extra-long tunnel; Construction ventilation; Internal environment; Monitoring

文章編號：1004-2954(2016)05-0091-04

收稿日期：2015-07-28； 修回日期：2015-08-28

基金項目：中鐵五局集團科技研究開發計劃課題(2012005)

作者簡介：何知思(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為交通隧道與地下工程，E-mail:hezhisi900906@163.com。

中圖分類號：U453.5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.019