高原隧道通風設計及優化技術研究

文／陳世茂 中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司 福建福州 350011

1.工程概況

1.1 基本概況

某高原隧道中間段站前工程CZXZZQ-14B 標三分部承建某高原隧道進口起訖里程D2K805+098 ～D2K80 9+000，隧道為單洞雙線隧道，全長3902m，設計時速200km/h。隧道線路縱坡為人字坡，隧道進口D2K805+098 軌面高程4145.26m，D2K809+000 軌面標高4153.4m。

1.2 水文地質特征

隧址區地表水主要為山間溝水及河水，受降雨及冰雪消融補給，山間河水為常年性流水沖溝旱季干涸，雨后漲水，為季節性流水。地表水受降雨控制明顯，雨季流量大，枯水季節水量小或干涸。某高原隧道地下水主要分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水及斷裂破碎帶孔隙裂隙水四種類型。

2.施工通風

2.1 通風除塵總體方案

（1）針對該工作面的工程特點，施工通風方式采用壓入式通風。根據該作業面超長獨頭掘進的特點，選用適合高原的大風量大功率軸流通風機和不易破損、漏風率低的風筒[1]。

（2）采用環境一體化智能監測管控系統，通風智能聯控。

（3）加強現場通風管理，設立通風小組，分工明確，獎罰嚴格兌現。

（4）設專職維修工，定期對通風管路、風機運行狀態進行檢查、維護，及時排除機械故障，確保施工期間高效運轉。

（5）采用先進、環保的機械設備，降低廢氣排放。

（6）采用水壓爆破方式降低爆破粉塵。

（7）使用除塵凈化設備和噴霧灑水快速凈化空氣，在隧道爆破后，及時降塵。

2.2 隧道施工主要污染源和通風設計標準

2.2.1 隧道施工中的主要污染源

（1）爆破產生的炮煙，主要成份為CO、S02、C02、NO 等；

（2）柴油機產生的廢氣。柴油機產生的有害物質為：CO、SO2、N02、NO 等，但主要是CO、SO2、NO；

（3）圍巖中釋放的有害氣體，如甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、硫化氫(H2S)等，其中甲烷氣體易燃易爆；

（4）其他污染，作業人員的呼吸產生的CO2，錨噴支護形成大量的水泥污染。

2.2.2 總體通風標準

隧道施工作業環境應符合國家有關規定，并應滿足下列衛生及安全標準的規定。

2.2.3 設計通風標準

隧道施工通風系統應提供滿足通風要求及相關規范要求的各相應工況的需風量，并使洞內作業衛生條件滿足相關規范要求。隧道中可能含有瓦斯等有害氣體，應加強施工通風，同時施工中應加強隧道內有害氣體檢測，特別應加強易引起瓦斯等有害氣體聚集處的檢測，以保證施工安全。

2.3 施工通風區段劃分、通風長度、通風方式

某高原隧道進口采用單頭掘進的方式施工，獨頭通風最大長度3932m，采用壓入式通風。某高原隧道進口可能存在局部瓦斯等有害氣體聚集，風機應采用防爆型，風筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風筒。施工中加強瓦斯等有害氣體檢測、監測，加強施工通風[2]。

2.4 通風計算

（1）最大通風長度、斷面和海拔

作業面最長通風長度為3932m。

洞口海拔為4145m。

正洞最大通風斷面123m2。

（2）風量計算

本隧道采用鉆爆法全斷面、微臺階開挖，無軌運輸。管道壓入式通風計算，以掘進長度及初支斷面綜合分析，通風長度為3932m。

①按洞內同時工作的最多人數計算風量：

高原氧氣稀薄，通風無法滿足供氧要求，施工供氧采用移動氧吧車和個人便捷式呼吸器供氧，因此，最多人數計算風量Q1，不在通風里考慮。

②安排除炮煙計：

一次爆破最大用藥量G=235kg

G=3×123×0.637=235kg（按Ⅲ級圍巖計算，開挖斷面123m2，每循環3m，炸藥用量0.637kg/m3

爆破后計劃排煙時間t=30min。

每100m 平均漏風率p100=1%

風筒漏風系數

稀釋炮煙達到允許濃度所需隧道長度

計算得：

式中：

φ——淋水使炮煙濃度降低系數，采用除塵器取0.3；

b——炸藥爆炸時有害氣體生成量，巖層中爆破取b=40m3；

K——紊流擴散系數0.6；

③按允許最低風速計算風量:

Q3=60VA=60×0.25×123=1845m3/min

式中：

V—工作面最小風速，瓦斯隧道為0.25m/s；

A—隧道通風斷面積取123m2。

④按稀釋和排除內燃機廢氣計算風量：

采用無軌運輸，洞內內燃設備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應足夠將內燃設備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，計算可按下式計算：

2.5 風機及風筒選型

根據隧道通風要求及參數計算結果及設計給出的通風要求，風機需滿足最小供風量4891m3/min，風機最小全壓值3468pa。

隧道主通風機設于隧道洞口30m 外，通風采用SDF系列通風機，此系列風機風速高、中、低檔可調，在隧道開挖初期可用低速，中期用中速，后期用高速，也可以在每天不同的施工工序中進行改變，更具有節能性。并具有空氣流動性能好、效率高、節省能量、噪音低、結構緊湊、安裝方便等特點[3]。

通風風筒采用PVC 阻燃伸縮鋼圈螺旋通風筒，該風筒具有較強的抗拉強度和較小的伸長率，接頭方式新穎，使用方便，重量輕，易安裝，破損較少，徑向不變形。另接頭光滑、嚴密，能有效地減少漏風和系統阻力。同時具有阻燃和防靜電，滿足瓦斯隧道施工的要求。采用鋼筋箍固定風筒于隧道側邊墻上方，確保風筒下方的洞內作業機械的通行空間[4]。設專職維修工。每班必須對全部通風機和風筒進行檢查，尤其風筒與風機連接處，發現風機故障、風筒破損等情況及時處理。

2.6 施工通風減排措施

采用先進、環保的機械設備，降低廢氣排放：

①采用濕式鑿巖機，嚴禁使用干式鑿巖機。

②采用煙塵凈化智能車，吸收煙塵凈化空氣。

③噴射混凝土采用濕噴法。

④通風設備要保證有足夠的風量、風壓，風筒漏風率低。

⑤施工機械設備盡可能選擇電力驅動，減少作業面的耗氧量和空氣污染。

如果采用燃油機械，在尾氣排放裝置上安裝尾氣凈化器。

2.7 施工供氧措施

根據職業健康及安全標準“空氣中氧氣含量，按體積計不得小于20%”，需在隧道施工過程中設置供氧措施。供氧措施采用移動氧吧車加個人便攜式呼吸器供氧相結合的方式。移動氧吧車置于二襯已施作完畢地段，靠邊墻放置，以免影響隧道內施工機械設備通行[5]。

3.作業環境自動監測與通風智能聯控

根據超長隧道通風降溫除塵難、作業環境變化頻繁、聯絡不便等特點，采用環境一體化智能監測管控系統，在出風口、風筒內、各作業臺車等關鍵位置和人員密集處放置傳感器，對隧道內作業環境和通風效果實時監測，掌子面附近人工檢測。以上各種監測設備通過計算機連接的方式，實時自動報警，并實現通風智能聯控，風機自動變檔。

通風方案實施以后，要求技術人員盡快對通風效果進行測試，檢查方案落實情況，實施的方案能否達到設計要求，或者設計本身是否存在問題，以便對存在的問題及時修正。另外，也要求技術人員對通風效果進行經常性的檢測，以檢查通風管路的安裝維護質量[6]。

風速測量：用熱線式風速儀檢測洞內回風風速。

通風系統風量、風壓和風筒維護質量檢測：用2.0m比托管配合差壓儀（MDP10000）以五環10 點法測試風筒全壓和靜壓；用2.0m 比托管配合差壓儀（MDP500）以五環10 點法測試通風筒內風流的速壓，并通過速壓計算風量；通過檢測的風機出風口的風量和風筒出風口的風量計算風筒的百米漏風率平均值。隧道內環境參數的測量：用P-5 型數字粉塵計自動記錄各測點煙塵濃度值。英思科手持式檢測儀測隧道內一氧化碳、氮氧化物、氧氣、硫化氫、二氧化硫濃度。

4.施工通風安全措施

通風管路的直徑通常受到斜井斷面的限制，為了最大限度地利用斜井的上部空間，采用在斜井拱部設置隔板的方式,將斜井斷面一分為二，上部作為進風道，下部作為回風道和車輛運輸通道，這種方式已在很多隧道的施工通風中得到應用。許多工程技術人員和學者圍繞隔板通風方式開展了多方面的研究[7]。例如：闡述了中隔板風道式通風的使用條件和注意事項；結合隧道施工通風方案的比選，詳細分析了隔板風道式通風的優缺點，說明該方式較有利于節能和成本控制。

4.1 施工通風安全管理措施

在進行施工時，所對應的指導原則為合理布局等，由此使得通風工作能夠更為科學有效的進行。

4.1.1 施工通風安全組織機構

具體施工作業時，必須要構建出相應的安全生產組織，完成了機構建設后，則是要把項目經理當成是首要責任人。通過崗位責任制的有效構建，并且輔助于獎懲制度，由此能夠使得相應的制度更加科學可行，并可以構建出對應的專業通風班組，而此班組的作用在于全面負責風機方面的工作，主要包含安裝、管理等，且要結合通風筒理方面的細則展開相應的作業，在項目部層面則是要結合相應的通風質量從而對班組的具體情況進行考核，且應該進行一定的獎懲。

4.1.2 施工通風主要崗位風險管理標準及管理措施

（1）測風員風險管理標準及管理措施

危險源：主要表現，在進行風表選擇時存在著不精準的問題，或者是風表并不完好，整體的作業環境存在著欠缺，而且測控地點無法滿足現實規范，在人員方面則是存在著操作不熟悉的現實，還有就是在進行數據記錄時存在著誤差以及不精準的問題。

管理標準：在進行測風作業時，必須要結合風速的實際狀況，從而完成相應的測風作業。隧道進行測風則是要每間隔10 天要展開相應的全面測風工作，同時要和傳感器進行核對，與之關聯的位置等要素則是應該滿足規范要求，在進行測風時必須要在專業的測風站展開，無法實現測風作業必須要選取符合規范要求的巷道，此過程里必須要在同一點展開有效測量三次，而且每次所進行的測量誤差必須要處于規范標準內，也就是要小于5%。超出的話則是應該進行加測，最終選取平均值。完成了測量工作后，關聯的人員必須要填寫數據，且應該構建出通風季報記錄報表。而且完成了測量作業后，還要把對應的數據填寫到相應的手冊上，由此展開匯報，必須要嚴格結合相應的程序進行上報。

管理措施：在工區管理人員層面，應該做好不定時的風表檢查作業，假若存在風表不達標的問題則是應該展開處罰，而在測控員方面則是要進行針對性的培訓之后，并且獲得相應的資格證方能夠進行上崗，并且能夠較好的掌握到風表等儀器設施的相關性能，還要較好的了解隧道的通風系統，并且要獲取到不同的風量情況。在進行測評作業時要規避掉高峰時段，防止存在風門開關頻繁的問題。在進行測分作業時，要避免人員車輛。而項目部則是應該對品質予以重視，要對所進行的檢測數量等展開有效的校核，特別是要對實際風量予以重視，假若存在較大差入的話則是應該再一次的進行測分。當獲取到工作人員的相關數據之后則是要展開核查，如果存在誤差大的問題，必須要責令其進行再一次的測量，同時要借助班前會的方式促使員工能夠更好地遵守紀律[8]。

（2）主要管理措施

①主要危險源：操作高壓電氣設備時，未按要求佩戴絕緣用具。未對風機主要部位進行詳細檢查。未按開停機順序操作。

②管理措施：不得隨意變更保護裝置的整定值。操作高壓電氣設備時應用絕緣工具，并按規定的操作順序進行。除故障緊急停機外，嚴禁無請示停機。嚴格按照上級命令進行通風機的啟動、停機操作。

4.1.3 通風筒理制度

（1）一般規定

在風機負責人員方面應該予以針對性的培訓，在考核達標之后才可以進行上崗工作，同時能夠很好地遵守風機的操作規范，較好的掌握到通風系統的情況，而在通風系統方面則是要達標后才能夠進行使用。在具體運行過程里必須要強化相應的維護作業，由此保障通風系統的性能等滿足規范標準。隧道則是必須全天候的能夠實現通風，而在風壓等方面應該符合規范標準，不應該出現隨意停風的情況，必須要配置兩路電源，同時要加裝相應的聯控設施，由此確保工作環境存在超標的問題則是能夠自動變檔，這樣則是可以保障隧道的有效通風，而在進行相應的作業時并不會遭受到過大的影響。

（2）通風系統定期檢查制度

還要把側重點放在通過系統的檢查工作上，此項工作必須每周進行，架子隊長則是應該對通風系統展開相應的例行檢查，頻率為每天最少一次，如此能夠實現高質量的日常巡查。在通風系統正常運行之后則是應該每間隔10天展開一次全面的測風，由此能夠對相應的情況有著較好的掌握，并且要完成好記錄作業，應該從現場的實際出發構建出切實可行的運行管理檔案，這樣能夠掌握到全面的信息檔案，主要包括檢查記錄等，還必須要對通過系統的運行狀況展開全方位的記錄，此項工作必須按天進行，也就是由具體的人員負責檢查，相應的主管要每周對記錄展開審核并且予以明確，最終則是應該建檔保存。還應該對風速展開檢測，此項工作間隔周期為10 天。具體檢測作業時，必須借助風速測定儀實現，所獲取的結果則是應該和相應的數值等展開核對，由此保障隧道內的風速滿足規范標準，也就是要大于0.25m/s。

（3）通風筒理交接班制度

應該把側重點放在交接班機制方面，進行交接作業時必須雙方明確簽字方能夠完成，而對于上一班發生的缺陷等則是應該進行全方位的明確記錄，所對應的交接班記錄則是由隊長進行審核確認。

（4）停風報批制度

在具體運行過程里，假若存在通風系統檢修工作或者是一些別的要素由此使得風機出現停止運轉，那么則是應該提前進行申請，并且要逐級上報，企業要結合停風的具體停止情況進行，審批完成后才能夠進行相應的工作，假若停風時間小于半個小時的，則是要由隊長進行審核，最后由主管副經理進行批準；而如若大于半小時的則是應該在結束了審核之后，必須要由安全總監予以批準方能夠展開。

4.2 施工通風安全技術措施

在風機支架方面，必須要處于穩固結實狀態，防止發生振動，而在風機出口部位則是要構建出對應的柔性管，這樣能夠達成和風管的鏈接，特別是在此部位必須要綁扎，防止漏風情況的出現。而在于通風機的前后，在規定的區間里不許堆放雜物，還應該在風機進氣口部位進行相應保護設施的構建。

結語：

在施工中，到底采用哪種通風方式，施工單位可根據自己的施工能力和通風管理水平自行決定。一定要保證隔板風道的施工質量，確保隔板風道不漏風；如果采用風管式通風，一定要采購漏風小的優質風管,同時強化通風管理,確保通風管路平均百米漏風率在 0.5%以下。通風方案存在一定的優化空間,在實施過程中可結合具體情況進行優化。