成自瀘高速公路馬鞍山隧道施工通風設計

李輝忠，曾曉勤，張 嘯，邱繼云

(四川路橋建設股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610200)

1 工程背景

馬鞍山隧道位于威遠縣境內，左線隧道最大埋深約173 m，右線隧道最大埋深約170 m，位于成自瀘高速公路合同段內。隧道進口～中部～隧道出口的線間距分別為25.3 m～25 m～12.16 m，其中出口右線隧道K116+325～K116+487 與左線ZK116+313～ZK116+489 段互為小凈距隧道。隧道內共設車行橫通道2個，人行橫通道4個，車行橫通道位置的隧道異側設緊急停車帶2 處，緊急停車帶長40 m，有效長30 m。隧道主要穿越的不良地質為煤層采空區(qū)、煤層瓦斯、危巖落石。

2 施工通風方案設計

本隧道較長，隧道裝渣、運輸、材料進出均采用內燃機械，掘進采用鉆爆法，掘進工作面粉塵較多，隧道內空氣混濁，且隧道在穿越煤系地層時有可能發(fā)生瓦斯事故。為了有足夠的新鮮空氣，保證施工作業(yè)人員的身心健康和加快工程進度，隧道通風方式的選擇尤為重要。

2.1 主要設計參數(shù)

(1)開挖斷面積:S=101.7 m2

(2)一次開挖進尺:2.5 m

(3)隧道內瓦斯最小風速:0.5 m/s

(4)一次爆破用藥量:A=200 kg

(5)洞內最多作業(yè)人數(shù):80 人

(6)爆破后的通風排煙時間:t=30 min

(7)通風管(筒)直徑取:d=1.5 m

(8)空氣質量密度:γ=1.2 kg/m3

(9)重力加速度:g=9.8 m/s2

2.2 施工通風方式選擇依據(jù)

(1)有軌運輸施工的隧道宜采用吸出式或混合式通風。

(2)無軌運輸施工的隧道宜采用壓入式或變換式通風。

(3)有平行導坑施工的隧道宜采用巷道式通風。

(4)自然通風因其影響因素較多、不穩(wěn)定，且不易控制，對長距離掘進的隧道應避免采用。

管道獨頭壓入式通風是隧道施工中常用的一種通風方式，基本不受施工條件限制，只需按照送風距離長短和需風量大小進行合理匹配通風設備即可。針對隧道污染源的特性以及馬鞍山隧道的實際情況，本次施工在隧道進出口分別采用獨頭壓入式通風。

2.3 風量計算

(1)按洞內工作面同時工作的最多人數(shù)計算。

式中:q為洞內作業(yè)人員每人所需風量，取3 m3/min;n為作業(yè)面同時作業(yè)的最多人數(shù)，取80 人;k為備用系數(shù)，取1.5。

(2)瓦斯工區(qū)按隧道內最小瓦斯積聚風速計算。

式中:S為隧道的開挖面積，m2;V為隧道內的最小瓦斯積聚風速，瓦斯礦井取0.5 m/s。

馬鞍山隧道出口瓦斯工區(qū)按照V 級圍巖短臺階法開挖法計算，馬鞍山隧道進出口按最小瓦斯積聚風速的控制計算面積取為101.7 m2。

(3)按稀釋爆破炮煙計算風量。

當風筒出口到工作面的距離為(4～5)槡S時

式中:t為通風時間，取30 min;A為同時爆破炸藥量，取200 kg;b為每公斤炸藥產生的CO 當量，取40 L/kg;L為排煙安全距離，m;P為風管始末端風量之比，取1.2;C為通風要求達到的CO 濃度，取0.025%。

(4)按絕對瓦斯涌出量計算。

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》第7.2.6條規(guī)定，按瓦斯絕對涌出量計算風量時，對于瓦斯突出工區(qū)，其長度較大的獨頭坑道，應將開挖工作面風流中的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以下，故:

式中:qCH4為工作面瓦斯絕對涌出量，取最大值為2.782 m3/min;Ki為通風系數(shù)，取1.5;CCH4為工作面瓦斯的容許濃度，取0.5%。

(5)無軌運輸洞內需風量計算。

無軌運輸方式的洞內需風量應對內燃設備排放的尾氣進行稀釋，其需風量還應考慮稀釋尾氣的情況。

《公路隧道施工技術規(guī)范》規(guī)定按照4.5 m3/(kW·min)稀釋尾氣。作業(yè)面區(qū)域范圍內液壓反鏟1 臺，功率為125 kW;裝載機1 臺，功率為165 kW;掌子面附近自卸汽車2 臺，功率為213 kW。掌子面附近內燃機總功率為716 kW。

式中:H為內燃機械總功，kW;q為內燃機械單位功率供風量，4.5 m3/(min·kW);k為功率系數(shù)，取為0.63。

通過上述計算，稀釋爆破炮煙所需風量最大，故取Q=3051 m3/min 作為風管的末端風量。

2.4 風壓計算

為保證將污濁空氣及時排出洞外，并在其出口保持一定的風速和風壓，通風機應有足夠的風壓，以克服管道系統(tǒng)阻力。風筒的風阻由風筒的摩擦風阻和局部風阻以及接頭的局部風阻構成。

(1)風筒的摩擦風阻。

式中:α為風筒摩擦系數(shù)，取值見有關設計手冊;L為風筒長度，m;U為風筒周長，m;S1為風筒橫截面積，m2;Q為風筒末端風量，m3/s。

(2)風筒的局部風阻。

式中:ζ為局部阻力系數(shù)，取值查有關設計手冊;Q為風筒末端風量，m3/s;g為重力加速度，9.8 m/s2;S1為風筒橫截面積，m2。

計算時，局部損失較小，可忽略，只計算風筒摩擦風阻便可算得風機的風壓。

2.5 風機、風管的選型

通風風機風管(筒)相匹配是隧道通風的關鍵問題。如果片面追求風機大風量、高效率而風管(筒)直徑小、風阻大、漏風嚴重，則不可能有好的效果。如果風管(筒)直徑大、風阻小，風壓低，也難以保證有良好的通風效果［2］。

根據(jù)隧道實際情況，選用110 kW 的軸流式風機，壓入式通風，采用懸掛于隧道兩邊墻上部的直徑為1500 mm 軟式風管送風，通風后必須使氧氣濃度接近洞口大氣的含氧量，二氧化碳濃度不超過0.5%，一氧化碳不超過0.002%，爆破排煙塵時間不超過30 min，出渣工作面照明能見度不小于40 m，風管距掌子面30 m。四個洞口作業(yè)面各自采用2 臺132 kW 局部扇風機和1 臺防爆型射流風機。必須使用抗靜電、阻燃軟風管。

2.6 通風方案的設計

(1)隧道按低瓦斯設計采用壓入式通風，人行橫通道和車行橫通道風門均關閉。

(2)每個作業(yè)面滿足洞內最小風速時所需風速64.90 m3/s，根據(jù)施工長度按不大于930 m 計算施工通風。

(3)全隧道需局部扇風機12 臺，其中4 臺備用，每臺最大風壓不小于2.4 kPa，對應風量不小于2400 m3/min，每端洞口風機總功率528 kW。

(4)在施工作業(yè)面20 m 處設SDS－II－NO10.0 防爆型射流風機向洞外吹風。

(5)通風設備均置于洞外距洞口不小于20 m 處，施工中應加強瓦斯等有害氣體的監(jiān)測量工作，并加強施工通風。

(6)瓦斯工區(qū)施工通風采用不間斷連續(xù)通風。

(7)根據(jù)本工程的特點，風管選用直徑1.5 m 的抗靜電阻燃軟風管，應保證風管100 m 漏風率不大于1%。

(8)選用設有高、中、低速度檔位的風機，根據(jù)不同的掘進距離選用不同的檔位。

(9)為防止隧道橫通道內瓦斯局部積聚，在整個隧道開挖施工完成后才進行橫通道開挖施工，以便于橫通道單獨進行通風處理。

(10)在隧道貫通前做好風流調整的準備，貫通后立即調整通風系統(tǒng)，即將所有風機(隧道內的2 臺防爆型射流風機和隧道進口端2 臺局部扇風機)向隧道出口方向吹風。

2.7 通風系統(tǒng)管理

合理通風方式的選擇固然重要，通風的管理也是重中之重［3］。通風系統(tǒng)應加強管理，專人負責，成立通風小組，負責通風及管路的維修，送風管必須掛設平順，防止打折和擠壓;通風管的更換與修補，減小漏風率，確保工作面的用風量。對于瓦斯工區(qū)施工，若瓦斯體積濃度大于0.5%，應采取有效措施加強測試、加強通風，使瓦斯?jié)舛瓤刂圃谡７秶鷥?。瓦斯?jié)舛仍?.5%以下時，每小時檢查1 次，0.5%以上時隨時檢查，檢查作業(yè)不得離開該工作面。除此之外還需進行以下各項監(jiān)測［1］。

(1)洞內塵毒測試項目。

爆破后離掌子面不同距離處選點測粉塵濃度、CO 濃度、氮氧化物濃度、噴錨作業(yè)時測粉塵濃度和噪聲。裝運碴時，測洞內粉塵、CO、及氮氧化物濃度。

(2)風筒通風測試項目。

測風筒內靜壓、動壓、風速、風量和風機處噪聲。

(3)其它指標測試項目。

洞內外溫度，濕度、氣壓、及含氧量。

3 結束語

隧道施工通風設計直接影響隧道施工安全，決定施工效率和進度。所以，首要解決的是通風設置的合理性和有效性，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，讓通風系統(tǒng)充分發(fā)揮效用，這樣才能取得良好的通風效果為施工創(chuàng)造舒適高效的工作環(huán)境。

［1］胡天國.長距離小斷面隧道獨頭掘進中的施工通風［J］.鐵道建設，2001(9):39－41

［2］唐金仕.長大隧道獨頭掘進施工通風技術［J］.山西建筑，2009，35(28):331－332

［3］劉生，周飛，李鵬舉.特長公路隧道獨頭掘進施工通風設計與數(shù)值模擬分析［J］.探礦工程，2010，37(3):74－77