新烏鞘嶺隧道利用既有線通風方案

鄧薦

（中鐵十五局集團有限公司，上海 200070）

0 引言

隨著我國高速鐵路的持續發展，施工技術和設備不斷進步，鐵路線路中隧道占比越來越高，長大隧道［1］的設計與施工越來越普遍，隧道通風難度也隨之提高。如何有效解決長大隧道的施工通風問題，成為鐵路建設面臨的挑戰。結合蘭州—張掖三四線鐵路（簡稱蘭張三四線鐵路）新烏鞘嶺隧道施工，研究、比選不同通風方案，論述利用既有線通風的實施方案及其效果，為類似工程提供參考。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道站前工程為新建蘭張三四線鐵路中川機場—武威段的控制性工程，該隧道平面布置見圖1。隧道起訖里程DK160+920—DK178+045，全長17 125 m，為雙線隧道，設計速度250 km/h，最大埋深952 m。LZX-ZWXQ1 標承建隧道起訖里程DK160+920—DK168+941，標段全長8 021 m，共設3座輔助支洞，其中在既有5號斜井［1］630 m和1 750 m處分別設置1、2號施工支洞，支洞長度分別為264、728 m；在既有7號斜井2 310 m處設置3號施工支洞，長度為270 m。施工中存在隧道通風長度長、通風海拔較高、需風斷面較大等困難。

圖1 新烏鞘嶺隧道平面布置

新烏鞘嶺隧道各洞口海拔高度為2 700～3 000 m，氣候垂直分帶性明顯，天氣寒冷，日溫差大，陰雨風雪冰雹天氣多變，冰凍時間長。

2 斜井洞口壓入式通風方案及其問題

2.1 通風風管及風機選型

隧道斜井進入正洞段落，原設計通風方案均為從斜井洞口外向洞內壓入式供風，通風距離長。以標段內通風距離最長的7 號斜井3 支洞工區小里程段為例，進行通風驗算，通風距離最大為4 447 m（距離斜井口20 m+斜井長度2 310 m+支洞長度270 m+小里程工區長度1 847 m）。7 號斜井洞口壓入式通風平面布置見圖2。

圖2 7號斜井洞口壓入式通風平面布置

2.1.1 通風風管直徑選擇

根據通風風損、風阻與風管直徑的關系，以及斜井內凈空條件的限制，選擇最優的風管直徑，隧道斜井段選取直徑1.7 m 的風管，支洞及正洞段選取直徑2.0 m的風管。

2.1.2 風量和風壓計算

施工通風需風量分別按最低風速要求、洞內最大工作人數、爆破排煙、稀釋和排除內燃機械廢氣等因素計算，取其中風量最大值作為最大需風量。

通風采用壓入式，通風設備選用軸流風機，風管平均百米漏風率不大于1.0%，考慮通風管局部彎曲、個別破損等，取百米漏風率β為1.0%，摩擦阻力系數λ為0.017。

按照最不利情況選擇隧道內施工參數，作為通風計算的基礎數據。計算洞內最小允許風速所需的隧道最大開挖斷面數據，選擇設計最大斷面上、下臺階同時爆破的情況，最大開挖斷面面積Amax為136 m2。計算爆破排煙需風量所需的1次爆破最大炸藥用量參數，選擇掌子面上、下臺階同時爆破并掘進允許范圍最大值所需的炸藥量Gmax，取值為340 kg。計算作業人員所需新鮮風量所采用的洞內最多作業人員參數，選擇1個作業面范圍同時進行開挖、仰拱、二襯等工序施工的人數總和，取值為100人。

2.1.2.1 風量計算

（1）隧道內最大需風量比選。計算比選以下4種需風量，選擇其中最大值作為隧道最大需風量：保證洞內穩定風流最小風速不小于0.15 m/s所需的風量；同一時間最多工作人員所需新鮮空氣量；爆破排煙所需風量［2-3］；稀釋內燃機械廢氣所需風量。

經過計算、比選，稀釋內燃機械廢氣所需風量為隧道內最大需風量［4］。

式中：Q4為所需風量；k為通風計算系數，取3.0 m3/min·kW；Ni為某類內燃設備總臺數；Mi為各臺柴油設備的額定功率；Ti為各臺柴油機設備工作時柴油機利用率系數，取挖機0.65、裝載機0.65、出渣車0.65、罐車0.50，其他車輛0.10。隧道作業段內使用的內燃機械包括：1臺挖機、1臺裝載機、2臺出渣車、1臺罐車，挖機功率125 kW，裝載機功率162 kW，出渣車功率215 kW，罐車功率215 kW，其他車功率103 kW。

（2）高原風量修正。新烏鞘嶺隧道平均海拔約為2 800 m，反算海拔大氣壓為72 000 Pa；1 mm 汞柱（mmHg）=133.22 Pa；72 000/133.22=540 mmHg。通過式（2）對最大需風量進行調整，得到高原隧道作業面的修正需風量［4］。

式中：P高為高山地區大氣壓力；Q為正常條件下計算的風量；Q高為高原隧道所需風量。

（3）反算風機出口所需風量。通過作業面所需風量、百米漏風率及通風管長度，計算風機出口需要達到的最低風量［5-6］。

式中：β為百米漏風率平均值，取1%；L為通風管長度；Q機為風機出口風量。

2.1.2.2 風壓計算

對風管的局部阻力以及沿程阻力進行計算，并進行組合得出通風管路的總風阻，既是風機對抗風阻所需的最低風壓。

（1）局部阻力。局部阻力主要包括風管轉角處以及變截面處增加的風阻，計算公式如下［2］：

式中：hx為管路的局部阻力；ξ為局部阻力系數；v為管路小斷面處的風速；ρ為空氣密度。

① 管道轉彎時，ξ=0.008α0.75/n0.8，α為轉彎角度；n=R/d，R為轉彎處的曲率半徑，d為管道直徑。

② 對于突然擴大的異徑管接頭，ξ=（1-A1/A2）2，A1、A2分別為進出接頭的管道截面積。

（2）沿程阻力。風管的沿程風阻為風管通長的整體阻力，計算中還應考慮風管漏風率，計算公式如下［2］：

式中：hf為風管的沿程壓損；λ為摩擦系數；Q0為送到作業面的風量。

（3）風機出口所需全壓。將風管局部阻力以及沿程阻力按照式（6）進行組合計算，得出風機出口全壓Ht，即風機對抗風阻所需的最低風壓［2］。

經計算風機出口所需全壓為7 440 Pa。

2.1.3 風機選型

根據風量、風壓計算結果進行風機選型。選擇能夠同時滿足通風所需風量及風壓的風機，對隧道作業面進行壓入式通風。通風風機選型見表1。

表1 通風風機選型（斜井洞口通風方案）

2.2 問題分析

新烏鞘嶺隧道各斜井施工段落，通過斜井及支洞進入正洞施工，斜井長度普遍大于1 700 m，從斜井洞口向掌子面進行壓入式通風，通風距離很長，存在以下問題：

（1）必須采用超大功率風機，耗電量大，供電系統壓力大，根據風機選型計算，7 號斜井3 支洞工區小里程段至少要采用功率3×160 kW=480 kW 的風機，才能滿足隧道內的通風需要。

（2）通過沿程阻力的計算公式可知，風阻與風管直徑的5 次方成反比，風管直徑每降低0.1 m，風阻將大幅度增大。風管直徑與風阻關系見表2（根據7 號斜井3支洞工區小里程段相應條件計算得出）。

表2 風管直徑與風阻關系

通過表2可得，為滿足通風需要，斜井內必須使用1.7 m以上直徑的風管。

既有斜井通風所需凈高見圖3，在風管直徑為1.7 m時，既有斜井內凈空高度至少需要6.2 m才能滿足行車需要。經實測斜井內實際凈高平均為5.6 m 左右，為滿足行車凈高，需要對既有斜井底板進行開挖來降低標高，起到增加斜井凈空高度的作用，存在工程量大、安全風險高等問題。

圖3 既有斜井通風所需凈高

（3）通過風機出口所需風量反算公式可知，風機出口所需風量與風管的長度及漏風率成正比。通風距離越長風損越大，不可控因素越多，通風效果難以保證。

3 利用既有線通風方案

針對斜井洞口壓入式通風存在的問題及困難，項目部提出風機接力與隔板通風的解決方案，但研究論證的結論是：洞內設置接力風機的通風方式，對于實際增加掌子面風量及風壓并沒有實質性的作用；斜井設置隔板通風方式，存在技術相對復雜、成本相對較高、維修相對麻煩、風阻及漏風相對較高等問題。

進一步研究發現，新烏鞘嶺隧道主要進洞方式為利用既有斜井進入正洞，既有斜井與正在運營的蘭武二線鐵路相通，可在支洞口附近借用既有線隧道內的流動風流進行通風，大大減小了風機至掌子面的通風距離，同時又解決了斜井內的凈空高度不足問題。

3.1 通風方案

既有隧道與施工隧道通風關系，即利用既有線通風方案見圖4。既有斜井與既有蘭武二線鐵路隧道相通，通過在3 號支洞口下游40 m 處設置通風風機，將既有隧道內的新鮮空氣，通過軸流風機壓送至施工掌子面。最大通風距離為2 157 m（距離支洞口40 m+支洞長度270 m+小里程工區長度1 847 m）。利用既有隧道供風現場見圖5。

圖4 既有隧道與施工隧道通風關系示意圖（利用既有線通風方案）

圖5 利用既有隧道供風

3.1.1 可行性研究

既有蘭武二線鐵路烏鞘嶺隧道為運營隧道，采用該通風方案前，應分析通風對既有線運營的影響。通過模擬計算分析利用既有線通風對既有線運營的影響［7-8］。數值計算模型見圖6。

圖6 數值計算模型

《鐵路技術管理規程（高速鐵路部分）》第十七章第343條規定：環境風速不大于25 m/s時，運行速度不大于200 km/h；環境風速不大于30 m/s時，運行速度不大于120 km/h；環境風速大于30 m/s時，嚴禁動車組列車進入風區。依此規定，既有烏鞘嶺內以120 km/h 速度運營的列車，其周邊環境風速不應大于30 m/s。

通過數值計算得出列車周邊0.5 m 處各測點全風速最大值為16～26 m/s，縱向風速最大值為16～26 m/s，橫向風速最大值為4～10 m/s，沒有超過30 m/s，利用既有線通風方案滿足列車安全運營要求。

3.1.2 通風風管及風機選型

采用上述風量、風壓計算公式，代入調整后的通風距離及風管直徑，計算得出風機出口所需最小風量為50.76 m3，風機出口所需最小風壓為3 811.99 Pa。為方便洞內施工及風管維護、安裝，風管直徑均采用1.7 m。通風風機選型見表3。

表3 通風風機選型（既有線通風方案）

3.2 優勢分析

與斜井洞口壓入式通風相比，利用既有線壓入式通風，優勢明顯，主要解決了以下問題：

（1）縮短通風距離，保證供風效果。相比從斜井洞口壓入式通風，最大通風距離由4 447 m 降低至2 157 m。減少了通風過程中的不可控因素，降低了風阻，保證了通風效果。

（2）降低了施工用電負荷及電量消耗。利用既有線通風采用2×132 kW=264 kW 風機，相比從斜井洞口通風采用的3×160 kW=480 kW 風機，耗電量降低了45%。同時也大大減輕了隧道施工供電壓力。

（3）解決了斜井內凈空不足的問題。利用既有線通風，僅占用支洞口下游40 m 長的斜井范圍，不占用施工作業通道，無需對既有斜井進行底板加深處理，大大降低了安全風險，減少了施工工程量。

4 通風效果與經濟效益分析

4.1 通風效果

利用既有線通風效果見表4。從表4可知：一氧化碳（CO）濃度在放炮后達到最高，存在短時間超標的情況，其他工序基本正常，均在30 mg/m3以下；硫化氫（H2S）濃度各工序基本為0，對隧道施工不存在影響；氧氣（O2）含量低于20%的標準值，基本都在19.5%左右，是施工地處高原又沒有采取制氧、供氧措施所致，設置制氧設備即可滿足要求；溫度均低于28 ℃的標準值；掌子面風速基本為0.6～0.7 m/s，滿足分部開挖的坑道內風速不應小于0.25 m/s 的要求；二襯臺車處風速基本在0.3～0.4 m/s，滿足全斷面處風速不應小于0.15 m/s 的要求。綜上所述，利用既有線通風能夠滿足隧道內施工通風的要求。

表4 利用既有線通風效果

4.2 經濟效益

4.2.1 用電費用

利用既有線通風方案，相比斜井洞口壓入式通風方案，通風距離大大縮短，風損及風阻均大大減小，所需風機功率也隨之大大降低。經測算，風機總功率由1 440 kW 降低至968 kW，風機總用電量降低約6 366 048 kW·h，節約電費約384.7 萬元（見表5）。

表5 2種通風方案電費對比

4.2.2 施工費用

如果采用從斜井洞口通風，為滿足行車凈高需要，必須對斜井底板進行降低處理，斜井寬度5.6 m，凈空高度由5.6 m 調整至6.2 m，需進行降底板開挖0.6 m，利用斜井總長為（1 750+2 310）m=4 060 m，Ⅳ級圍巖開挖單價約為316 元/m3，可計算得出降低底板費用為4 060×5.6×0.6×316=431.1萬元。

利用既有線通風，僅占用支洞口下游40 m 長的斜井范圍，不占用施工作業通道，無需對既有斜井進行底板加深處理，可節約用于降低底板費用431.1萬元。

5 結束語

相比從斜井洞口壓入式通風方案，利用既有線壓入式通風，能夠大大降低風機至掌子面之間的通風距離，能夠減少非正常漏風的概率、減小風阻、減少風損，提高了通風效率，保證了洞內空氣質量及風速，進而保障了施工作業環境、工作效率與職業健康，同時也具有良好的經濟效益。該方案在實際運用中效果良好，可為類似工程提供參考。