關角隧道6號斜井施工通風方案優化

張旭珍

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043）

關角隧道6號斜井施工通風方案優化

張旭珍

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043）

關角隧道是我國目前最長的鐵路隧道，采用鉆爆法施工，共設置了10座無軌運輸斜井，施工中出現了1座斜井承擔多個工作面通風的難題。為此，將原設計的壓入式通風優化成了中隔板式通風。本文以6號斜井為例，詳細介紹了中隔板通風方法、風機的選擇、結構的設計以及通風效果。經對比性測試，中隔板式通風效果良好，經濟適用，且有利于施工安全。

關角隧道；斜井；鉆爆法；施工通風；中隔板通風

壓入式通風因具有可將新鮮風直接送到掌子面，能較快沖淡和排出洞內的污濁空氣，風管安裝方便，維修費用低等優點在很多隧道中得到廣泛應用。采用長斜井輔助施工的2條單線隧道，由于獨頭通風距離長，若僅開辟2個工作面，斜井內尚可布置2路大直徑風管。而實際施工中，為了加快進度，施工單位往往增加工作面，一個斜井需要承擔3～4個工作面的施工任務，導致斜井通風管路布置困難。關角隧道施工中也出現了1座斜井承擔4個工作面通風的難題。結合科研成果采用了斜井中隔板式通風方案［1］，成功解決了單斜井多工作面施工通風的難題。本文以6號斜井為例，詳細介紹施工通風方案的優化。

1　工程概況

關角隧道位于青海省天峻縣境內，是青藏鐵路西寧—格爾木增建二線的控制性工程，隧道長32.69 km（進口高程為3 380 m，出口高程為3 324 m），為2條平行的單線隧道，線間距為40 m。隧道區域內年平均氣溫為-0.5℃，極端最低氣溫為-35.8℃，最冷月平均氣溫為-13.4℃，大氣壓僅為標準大氣壓的60%～70%，空氣的含氧量降低了約40%。隧道采用鉆爆法施工，采用10座無軌運輸斜井輔助正洞施工，即在Ⅰ線隧道設置3座斜井，Ⅱ線隧道設置7座斜井。位于隧道嶺脊地段的6號斜井長2 824 m，與Ⅱ線隧道交于DyK296+110處，平面交角58.65°，采用無軌運輸，綜合坡度為10.3%，井口高程3 774.3 m，井底高程3 485.72 m，相對高差288.58 m［2］。

2　原設計施工通風方案

按照施工組織要求，通過6號斜井施工Ⅱ線隧道時只開辟了2個工作面，采用長管路壓入式通風（圖1（a））就能滿足施工需要。施工Ⅰ線隧道時，由于開辟了施工橫通道，同時有3個工作面，受斜井凈空的限制，井內無法同時布置3路大直徑風管，故采用了壓入式與巷道式相結合的通風方案（圖1（b））。

圖1　原設計通風方案示意

3　優化后施工通風方案

通過6號斜井進入正洞后，施工單位將原設計的最多同時施工3個工作面的方案調整為同時施工Ⅰ，Ⅱ線共4個工作面。受斜井空間的限制，長管路壓入式通風已無法滿足多掌子面施工的需要，故需將斜井施工通風方案進行優化。

3.1掌子面供風量計算

掌子面供風量分別從洞內同時作業人數、同時爆破使用的最多炸藥用量、洞內允許最小風速、內燃機作業廢氣稀釋4個方面進行了計算［3-6］，然后取四者中的最大值。經計算，每個掌子面的需風量為1 119 m3/min，在考慮了漏風系數1.15和空氣海拔高度修正系數0.697后，每個掌子面的供風量為1 846 m3/min，4個掌子面總供風量為7 384 m3/min。

3.2斜井中隔板通風方案

該方案將斜井橫斷面分隔為上、下兩部分，上部作為進風通道，下部作為排煙通道。6號斜井原設計斷面凈空為5.2 m（寬）×6.6 m（高），考慮到下部通道需要滿足運輸車輛通行的需要，故將中隔板的位置設置在距斜井底板4 m的地方，如此分割后，斜井進風通道面積為13.54 m2，排煙通道面積為20.8 m2。按照計算的風量，則進風通道的風速達到了9.09 m/s，排煙通道的風速達到了5.92 m/s。由于進風通道的風速較大，導致阻力損失過大，能源消耗增加，為了降低能源消耗，故將斜井斷面尺寸進行了優化，優化后的斷面凈空為6.6 m（寬）×7.3 m（高）。隔板分割后（見圖2），進風通道為半徑3.3 m的半圓形，風速7.2 m/s；排煙通道為6.6 m（寬）×4 m（高）的矩形，風速為4.66 m/s。在斜井底部與正洞交匯處設置一風倉，在風倉的不同位置共安裝4臺軸流風機與風管形成壓入式通風系統，分別向4個工作面供風，見圖3。

圖2　斜井中隔板示意（單位：cm）

圖3　斜井中隔板通風平面示意

3.3斜井進風通道和排煙通道的風阻

1）斜井進風通道的風阻

斜井的進風通道為一半徑3.3 m的半圓，斷面積S進=17.1 m2，周長U進=16.97 m，當量直徑D進= 4S進/U進=4.03 m。

斜井進風通道沿程風阻系數計算公式為

式中：α進為風道的摩阻系數，90×10-4N·s2/m4；L進為斜井長度，2 808 m。

將以上數據代入公式（1）中可求得上部進風通道沿程風阻系數Rf進=0.086 N·s2/m8。

斜井進風通道的局部阻力系數包括進風口阻力系數ξ進1=0.6；中部10處錯車道阻力系數ξ進2=10× 0.5=5.0；井底與正洞交匯處阻力系數ξ進3=1.5，總局部阻力系數Σ ξ進=7.1 N·s2/m8。

風流在斜井進風通道的阻力損失計算公式為

式中：Q進為進風通道風量，123.07 m3/s；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ν進為進風通道風速，7.2 m/s。

將以上數據代入公式（2）中可求得風流在斜井上部進風通道的阻力損失hf進=1 523 Pa。

2）斜井排煙通道的風阻

斜井排煙通道為一矩形，斷面積S出=26.4 m2，周長U出=21.2 m，當量直徑D出=4S出/U出=4.98 m。計算可得，下部排風通道沿程風阻系數Rf出=0.029 N·s2/m8。

斜井排煙通道的局部阻力系數包括斜井底部阻力系數ξ出1=0.5；中部10處錯車道阻力系數ξ出2=10× 0.5=5.0；井口阻力系數ξ出3=1.0，總局部阻力系數∑ξ出=6.5 N·s2/m8。

風流在斜井排煙通道的阻力損失

式中：Q出為排煙通道風量，123.07 m3/s；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ν進為排煙通道風速，4.66 m/s。

將以上數據代入公式（3）中可求得風流在斜井排煙通道的阻力損失hf出=524 Pa。

3）斜井通道中的總阻力

風流在斜井進風通道和排煙通道中的總阻力損失

3.4正洞內的風阻

西寧端施工長度為1 260 m，配用風管直徑d為1.5 m，斷面積S管=1.77 m2，周長U管=4.71 m，當量直徑D管=4S管/U管=1.5 m。則風管的沿程風阻系數

式中：α管為風管的摩阻系數，21×10-4N·s2/m4；L管為風管的長度，1 260 m。

將以上數據代入公式（5）中可求得風管的沿程風阻系數Rf管=2.25 N·s2/m8。

通風管道的沿程阻力損失

式中：Q管為風管內風量，30.77 m3/s；PL管為漏風系數，1.5。

將以上數據代入公式（6）中可求得風管的沿程阻力損失hf管=1 420 Pa。

同理可得，格爾木端施工長度為1 590 m，配用風管直徑d為1.6 m，風管沿程風阻系數為2.07 N·s2/m8，通風管道沿程阻力損失（漏風系數取1.6）為1 225 Pa。

3.5風機選擇

考慮了風流在斜井進風通道、排煙通道總阻力損失及正洞通風管道阻力損失，西寧端風機壓力損失3 467 Pa，格爾木端風機壓力損失3 272 Pa。因此，正洞4個掌子面均可選用SDF（c）-NO12.5型軸流風機，設計風量為2 912 m3/min，全壓為5 355 Pa，電動機功率為2×110 kW，雙級調速。

由于6號斜井較長，為了提高掌子面供風質量，可考慮在斜井進風通道內安裝2組接力射流風機，保證井底風倉有足夠的新鮮空氣滿足4個掌子面的施工需要。同時為了保證斜井排煙通道內的污風能順利排出井外，可考慮在斜井排煙通道內安裝射流風機進行助力排煙。

3.6斜井中隔板結構設計

1）斜井中隔板的橫梁可采用方鋼，縱向間距2 m，橫梁與安裝在斜井壁上的鋼腳板焊接在一起，見圖4。

2）斜井中隔板可采用彩鋼板，也可采用PVC板材。中隔板與橫梁之間采用鉚釘錨固，中隔板橫向和縱向的搭接寬度均為10～15 cm。隔板在洞口段需要做延伸處理，以防止洞內排出的污風被上部進風口吸入而發生污風循環。

3）中隔板搭接面涂密封膠粘合，然后橫向和縱向接縫再采用密封膠條進行密封；中隔板被鉚接的部位全部涂膠密封；隔板與斜井壁間采用橡膠條壓實釘牢，然后將其下部結合部位利用噴射混凝土密封，上部結合部位灌注瀝青密封。

圖4　橫梁與鋼腳板連接

表1　6號斜井工區環境質量檢測

4　效果測試

4.1壓入式通風效果測試

2008年8月初，對6號斜井距井口500 m處的掌子面進行了測試。掌子面裝載機鏟砟裝砟時，環境中CO濃度在62～90 mg/m3之間變化，穩定時CO濃度為82 mg/m3。自卸汽車駕駛室密閉后，從掌子面行駛至井口，室內CO濃度從36 mg/m3降至34 mg/m3。駕駛室窗戶打開（洞內環境CO濃度），從掌子面行至斜井中間，CO濃度從63 mg/m3降至22 mg/m3。斜井外地表附近大氣溫度約為20℃，斜井內溫度約為15℃，氧氣含量為19%～20%，其中出砟時氧氣含量最低。采用壓入式通風，各種有害氣體的濃度均超出了規范中規定值［7］，通風效果較差。

4.2中隔板式通風效果測試

采用中隔板式通風方案后，對通過6號斜井進入正洞施工的4個作業面環境進行了監測。不同工況下各測點實測效果見表1。可以看出由于受海拔的影響，除各測點的氧氣含量低于規范規定的要求外，其余各項指標均未出現超標現象，通風效果良好。

5　結語

1）中隔板式通風的總通風斷面較大，對應的當量直徑較大，通風阻力會相應降低很多，有利于遠距離大風量送風，能夠同時滿足多開挖面施工需要。

2）中隔板式通風可以適當縮短風管送風距離，使送到開挖面的有效風量大幅度增加，同時降低了風管維護工作量，尤其是斜井內避免了通風管維修更換工作，對施工安全也十分有利。

3）按照現場一次性攤銷統計，隔板材料每米造價為風管的4～5倍（風管未考慮修補和更換），如果考慮到重復利用和通風管理，那么中隔板式通風的造價與壓入式通風基本相當。

4）分隔斜井時如果防漏風措施不到位，會使中隔板的漏風較大，出現污風循環問題。因此，在分隔斜井時應特別注意這點，以取得好的施工通風效果。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.關角隧道修建關鍵技術［R］.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2015.

［2］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建第二線關角隧道預設計文件［Z］.西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2007.

［3］劉進，方源.龍潭特長隧道施工通風技術研究［J］.鐵道建筑，2005（12）：43-44.

［4］韓文起.特長復雜隧洞掘進施工通風技術研究［J］.鐵道建筑，2010（12）：55-57.

［5］陳琳.公路隧道無軌運輸條件下長距離施工通風技術［J］.鐵道建筑，2011（8）：33-35.

［6］白俊，雷建華.大茶山高瓦斯隧道施工通風設計［J］.鐵道建筑，2013（9）：39-41.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

Optimization of Construction Ventilation Scheme of Guanjiao Tunnel No.6 Inclined Shaft

ZHANG Xuzhen
（China Railway First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

Guanjiao tunnel is currently the longest railway tunnel in China，constructed with drilling and blasting method.A total of 10 non-rail transport inclined shaft was set up.During construction，there was a difficulty that one inclined shaft was required for ventilation of multiple working places.T o solve this problem，the original design was optimized as ventilation using false ceilings.In this paper，No.6 inclined shaft was case-studied.T he false ceiling ventilation method，fan selection，structure design and ventilation effect were discussed.T he test results show that the false ceiling ventilation has good effect.It is an economic and feasible method，ensuring construction safety.

Guanjiao tunnel；Inclined shaft；Drilling and blasting method；Construction ventilation；False ceiling ventilation

U453.5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.18

1003-1995（2016）09-0071-04

（責任審編葛全紅）

2016-05-20；

2016-06-30

張旭珍（1976—），男，高級工程師。