2018高速公路分离式长大隧道巷道式通风技术应用
摘要：近年来我国高速公路建设速度迅猛发展，隧道施工技术水平不断提高，长大隧道越来越多。在高速公路长大隧道中一般多采用分离式隧道，随着隧道掘进的延伸，采用常规的压入式通风技术已经不能满足要求，且成本巨大。为此，利用分离式隧道之间的车行横洞、人行横洞，采用巷道式通风技术，将大大改善施工作业环境，同时节约工程成本，创造良好的经济效益。http://
关键词：公路 隧道 巷道式 通风
中图分类号：U412.36+6文献标识码：A文章编号：
1、工程概况
青兰高速公路某隧道左线全长3226米，右线全长3320米，分别从进出口双向掘进，单口掘进1610米。进口在掘进700米、出口在掘进680米处分别设置车型横洞，设计行车速度为80km/h，隧道主洞净宽10.25m，净高7.1m，在车行通道中间设置人形横洞。隧道采用钻爆法施工，隧道普通段开挖断面102m2，紧急停车带开挖断面135m2，采用无轨运输出碴、锚喷支护。隧道在开挖、出碴、喷锚等阶段，产生有害气体分别为爆破炮烟、机械设备废气以及粉尘等。由于各工序污染程度不同，因此，不同工序需风量也存在差异，隧道通风难度也会随着隧道掘进的延伸逐步加大。根据实际情况，隧道施工通风方案前期采用压入式通风，后期采用巷道式通风。
2、隧道施工通风方案设计
2.1、隧道施工环境标准
根据《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94第11.3通风、防尘、防有害气体相关规定，施工中作业环境应符合下列卫生标准：
有害气体浓度：一氧化碳（CO）一般情况下不大于30mg/m；二氧化碳（CO2）按体积不得大于0.5%；氮氧化合物（NO2）在5~8mg/m以下；甲烷按体积不得大于0.5%。
粉尘浓度：含10％以上游离二氧化硅的粉尘，每立方米空气中不得大于2 mg；含10%以下游离二氧化硅的矿物性粉尘，每立方米空气中不得大于4mg。
隧道施工通风应能满足洞内各作业所需要的最大风量：风量按每人每分钟供应新鲜空气3m3计算，风速在全断面开挖时不应小于0.15m/s，坑道内不应小于0.25m/s，但均不应大于6m/s。
2.2、通风设计原则
在不增加成本的前提下，充分利用既有设备，进行合理调配，既能满足通风效果，又能降低施工通风的成本。
2.3、设计参数
开挖断面面积(Ⅲ级围岩)：A=102m2；衬砌后断面面积85m2；一次爆破用药量G=200kg(Ⅲ级围岩循环进尺3m)；
洞内最多作业人数：按每工作面平均75人；
爆破后通风排烟时间：t=30min；
通风管：采用D=1.8m软管；
管道百米漏风率：β=1％；
最大通风长度：L=1500m。
2.4 风量计算
总通风量从四个方面考虑，具体为按洞内允许最低风速计算得Q1;按排除爆破炮烟计算得Q2;按洞内最多工作人员数Q3;按设备计算得Q4;通过计算，取其中最大值。
2.4.1 按最小风速计算风量(每个工作面)
根据《公路隧道施工技术规范》JTG F60-2009规定，全断面开挖洞内最小风速为0.15m/s.
Q1= V×A ×60s =102×0.15×=918m3/min
2.4.2 按稀释爆破炮烟计算风量
式中:G为每循环装炸药量200kg;b为炸药爆炸时的有害气体生成量，岩层中爆破取40；A为隧道断面面积102m2;L0为炮烟抛掷区长度，L0=15+G/5=15+200/5=45 m; t为通风时间30min。
经计算=1180.3m3/min
2.4.3洞内作业人员每洞70人，每人供风量3m3/min，风量备用系数取1.2。
Q3=75×3×1.2=270 m3/min
2.4.4 按稀释内燃机车废气计算风量
根据隧规规定，内燃机械作业时1 kW供风量取4.5m3／min，内燃机总功率为103×1（CAT320挖掘机）+162×1(柳工ZL50C装载机)+225×2(运输车)=715kW(其中各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数，装载机、运碴汽车、内燃机车均取0.65)。
Q4=4.5×715×0.65=2091.4m3/min
2.4.5开挖工作面需要通风量计算
开挖面通风是由射流通风机送新鲜空气到离开挖面最近的车行通道，再由轴流通风机通过通风管送到开挖面，通风距离是从车行通道到开挖面，最大距离800～900m，需要的风量如上计算，按最低风速需用风量为918m3/min，按爆破排烟需1180.3m3/min，按最多作业人员计算所需风量为270m3/min，按稀释内燃机车废气计算所需风量为2091.4m3/min。考虑风管漏风系数，供风长度按900米计，则风机提供的风量应分别为：
Q机=Q需/（1-β）L/100=2091.4/（1-0.01）900/100=2289.4m3/min。
2.5风压的计算
通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h>h阻，按下式计算：
h阻=h动+h沿+h局
其中 h动---管口动压，一般可考虑50Mpa。
h沿---沿程压力损失，h沿=a*L*U*p*Qmax2g/S3
a--风管摩擦阻力系数，取a=3*10-4kg.s2/m3
L--风管长度，取900m。
U--风管周边长，3.14*D
p--漏风系数，p=1/(1-β)L/100,β=1％
Qmax--计算掌子面所需风量，并折合成m/s
g--重力加速度，取9.8m/s
S--风管截面积，3.14*D2/4,D风管直径1.8米。
h局---局部压力损失，（风流不转弯，风管断面不变化时可不予考虑，即 h局=0）
h阻=50+1219.3+0=1269.3Pa。
通过以上计算得出，风机应提供的最小风压为1269.3Pa
2.6风机选型
轴流风机型号选择
根据以上计算选择SDF(B)-№12.5，功率110 kw×2风机， 风管选择直径为1.8米，长丝涤纶纤维做基布，压延PV塑料复合而成的增强塑料胶布做风管材料。
隧道通风机、风管性能及数量表
名称及型号 风机性能 台数
功率(kw) 风量（m3/min） 风压（Pa）
变极多速隧道风机SDF（C）-No.12.5 高速 110*2 1550~2912 860~5355 2
中速 34*2 1052~1968 629~2445
低速 16*2 840~1475 355~1375
软风管指标 抗静电、阻燃，直径φ1300mm，节长20m，总长1300m
射流风机型号选择
射流风机的风量与风机的风量满足稀释柴油机废弃所需的风量和隧道风流的速度影响，射流风机所需的风量为：Q机= V×S×k
式中：V为隧道回风风速m/s；S隧道成型断面积m2，k为沿程损失。
则Q机=0.3×80×1.2=28.8m3/s。
根据计算的风量，选择射流风机型号：SSF№10/30KW，基本性能参数：风量：29.7m3/s，风速：35.9m/s，推力：1160N，功率：30KW。
2.7 通风布置
对于高速公路分离式长大隧道，其通风方案的优劣不仅关系到隧道的施工进度，还直接影响作业人员的身体健康，是控制程施工经济成本的关键所在。由于隧道开挖打眼、爆破、出碴、喷锚等各工序污染的程度不同，通风量和通风难度随着隧洞的延伸而逐步加大，特别是上坡方向的隧道向外排出污染空气时，难度就更加明显。通风量的设计应是动态的。因此，通风方案应按照《公路隧道通风照明设计规范》合理设计，并分阶段性进行实施。
第一阶段为压入式通风：采用两台SDF(B)-№12.5轴流式通风机位于洞口向隧道开挖面直接送风，通风效果随距离的增加逐步降低，压入式通风距离一般可达到800～1000m。但是投入较大，施工成本增加。如图1所示。
图1：隧道第一阶段施工通风示意图
第二阶段实施巷道式通风，施工通风示意图如图2所示。
实施巷道式通风后，必须对前两个人行横洞进行封闭,具体施工方案如下：
1）在右线距洞口700米处布置2台三级调配式风机（功率110Kw×2）作压入式通风，用软管通过横通道分别接至离两洞掌子面30～50米处，向掌子面压入新鲜空气。
2）右洞掌子面与横通道之间的废气通过车行横洞向左洞排出，并在第二个车行横洞右侧安装一台30KW射流风机，用于挡住污浊空气通过车行横洞进入右洞，起挡风的作用。该射流风机随左、右线通风巷道的改变而移动。
3）由于左洞作为出碴洞，在左洞从洞口开始每隔500～600m安装1台30KW射流风机，向外排污风，射流风机之间的距离根据洞内排烟效果进行调整。
4）开启轴流风机前，先开启运转射流风机，达到控制风流方向的目的。
具体布置见图2
图2：隧道第二阶段施工通风示意图
3、结语
经过实践与应用，采用巷道式通风方案既满足了洞内作业的通风要求，又能减少通风带投入以及节省电费等，该方案有如下优点：
通风效果好，显著改善施工作业环境。
(2)通风时间短，缩短了循环作业中实际通风时间，加快施工进度。
(3)洞内能见度适宜，出碴运输车辆和交叉作业工序从未受到洞内空气效果的影响，也未发生过安全事故；
（4）需要通风带长度变短，大大减少了一次性投入，同时也减少了通风带维护工作量，运营成本明显减低。
（5）、风机低速运行，能节约电费。
参考文献
《公路隧道施工技术规范》。 人民交通出版社，2009
《关于防止厂矿企业中的矽尘危害的决定》。国务院，1956
《矿山防止矽尘危害技术措施暂行办法》。卫生部、 劳动部、 全总工会，1958
廖文豪，男，浙江温州人，中铁十二局集团第二工程有限公司助理工程师。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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