風(fēng)管變徑及風(fēng)機接力在長大隧道施工通風(fēng)中的應(yīng)用

郜運懷，張國祥

（中鐵三局集團(tuán)有限公司橋隧工程分公司，河北 邯鄲 056036）

1 工程概況

新建向塘至莆田鐵路JX-4B標(biāo)武夷山隧道地處江西省黎川縣及福建省建寧縣境內(nèi),全長14 659 m。進(jìn)口位于江西省黎川縣西城鄉(xiāng)河樟村，出口位于福建省建寧縣黃坊鄉(xiāng)武調(diào)新村。武夷山隧道為雙線隧道，設(shè)輔助斜井3座，分5個工區(qū)、7個作業(yè)面施工。坊上斜井位于線路前進(jìn)方向左側(cè)，與線路相交于DK218+401處，斜井綜合坡度9.54%，斜井斜長1 601 m，無軌運輸雙車道設(shè)計，斜井開挖斷面面積56 m2，正洞開挖斷面面積120 m2。

2 工程特點

向莆鐵路JX-4B標(biāo)段武夷山隧道施工工期緊，關(guān)鍵施工控制線路長，施工組織要求高。坊上斜井承擔(dān)正洞施工3 841 m（其中向大里程方向施工1 510 m，向小里程方向施工2 331 m），坊上斜井隧道施工通風(fēng)極限距離為1 601+2331=3 932 m。坊上斜井施工工期壓力巨大，這給隧道通風(fēng)帶來更大困難，使得通風(fēng)情況變得更為復(fù)雜。

3 施工通風(fēng)方案

3.1 通風(fēng)方案的確定

根據(jù)確定的施工方案和工期安排以及施工順序情況，通風(fēng)采用長管壓入式通風(fēng)方案，必要時在局部安裝吸出式射流風(fēng)機進(jìn)行混合通風(fēng)。在不同的施工階段可以采用不同的通風(fēng)設(shè)施，但是要長遠(yuǎn)考慮，盡可能安排一步到位，做到能夠以后加裝，但盡量不要拆換。

隧道施工通風(fēng)根據(jù)實際情況分為三個階段：①隧道施工初期，斜井施工階段；②斜井與正洞已經(jīng)打通，并通過斜井進(jìn)行正洞掘進(jìn)，但各工區(qū)施工的正洞還沒有貫通階段；③隧道施工后期，已經(jīng)有一個方向的正洞開挖貫通階段。

3.2 風(fēng)量的計算

隧道內(nèi)所需風(fēng)量按照下列幾種計算方法進(jìn)行計算，并取計算結(jié)果的最大值作為供風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1 按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算

式中：q——每人每分鐘呼吸所需空氣量q=3 m3／min；

m——同時工作人數(shù)，正洞取m=200人；

k——風(fēng)量備用系數(shù)，取k=1.15；

由此得 Q1=qmk=3×200×1.15=690 m3／min。

3.2.2 按稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣計算工作面風(fēng)量

式中：Kl——內(nèi)燃機功率使用有效系數(shù)Kl=0.6；

K2——內(nèi)燃機功率工作系數(shù)K2=0.8；

∑N——內(nèi)燃機功率之和取∑N=3 000 kw；（柳工CLG862裝載機4輛，功率180 kW，斯太爾后八輪自卸車10輛，功率300馬力=300×0.746=224 kW）

內(nèi)燃機每千瓦需要風(fēng)量3 m3／min；由此得Q2=K1K2∑N=4 320 m3／min。

3.2.3 按允許最低平均風(fēng)速計算

式中：A——隧道開挖斷面面積，取A=120 m2；

V——允許最小風(fēng)速，取V=0.15 m／s；

Q3=60AV=60×120×0.15=1 080 m3／min。

3.2.4 按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計算

采用壓入式通風(fēng)，工作面需要風(fēng)量：

式中：t——通風(fēng)時間，取t=30 min；

G——同時爆破炸藥用量，按Ⅱ級圍巖綜合考慮，每循環(huán)取280 kg；

A——隧道斷面面積，取A=120 m2；

L——掌子面滿足下一循環(huán)施工的長度，取300 m；

則采用壓入式通風(fēng)時，工作面需要風(fēng)量：

取上述四種計算中的最大值作為標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)設(shè)計量，即風(fēng)量取 4 320 m3／min。

根據(jù)施工安排，坊上斜井隧道施工通風(fēng)極限距離為1 601+2 331=3 932 m，再考慮風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)及管道阻力系數(shù)即可計算出需要的風(fēng)機功率。但是，由于隧道施工中襯砌臺車、鋼筋臺架等設(shè)施及其他因素的影響，通風(fēng)管道可能多次彎曲，經(jīng)常還會被刮破，風(fēng)力損耗是一個很大、且很難計算清楚的數(shù)據(jù)，再往下詳細(xì)計算已經(jīng)沒有太大的實際意義。下面結(jié)合坊上斜井的實際通風(fēng)情況，來分析一下隧道施工中遇到通風(fēng)問題，同時，總結(jié)一下風(fēng)管變徑及風(fēng)機接力在長大隧道施工通風(fēng)中的應(yīng)用經(jīng)驗。

3.3 現(xiàn)場實際通風(fēng)情況

首先，坊上斜井通風(fēng)管直徑共采用了3種不同的規(guī)格，分別為：Φ1.8 m、Φ1.5 m、Φ1.0 m。由于受到斜井凈空斷面的限制，坊上斜井通風(fēng)管直徑最大直徑只能取到1.8 m。坊上斜井極限通風(fēng)情況是：在斜井洞口安設(shè)兩座132×2（kW）的軸流通風(fēng)機（兩道風(fēng)管分別通向隧道正洞的兩個開挖方向），斜井采用兩條Φ1.8 m的風(fēng)筒布布置于斜井洞頂（不通風(fēng)時風(fēng)筒布下垂約2.9 m，會影響出渣車輛通行），在距離斜井洞口約1 200 m處，架設(shè)兩個55 kW的接力風(fēng)機，繼續(xù)采用Φ1.8 m風(fēng)筒布向前送風(fēng)，約再向前600 m左右，風(fēng)力會明顯不足。此時，再架設(shè)55 kW的接力風(fēng)機，同時風(fēng)筒布直徑變?yōu)棣?.5 m，如此接力下去，風(fēng)筒布直徑一直采用Φ1.5 m，接力兩次以后，送風(fēng)距離大約達(dá)到3 000 m，此時總風(fēng)力已經(jīng)損耗很大了，為了減少阻力，再向前送風(fēng)時，風(fēng)筒布直徑需變?yōu)棣?.0 m，這樣勉強能堅持到施工結(jié)束。

其實，這么長的通風(fēng)距離，在施工工期要求很緊的情況下，沒有充足的排除炮煙及機械尾氣的時間，隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量是很難保證的。同時施工情況是復(fù)雜多變的，兩個掌子面方向通風(fēng)相互干擾，會出現(xiàn)進(jìn)口方向的污濁空氣壓向了出口方向或者出口方向的污濁空氣壓向了進(jìn)口方向而沒有向斜井方向排除出去，形成了內(nèi)部的死循環(huán)。因此在三岔口處設(shè)置擋風(fēng)幕墻、采用射流風(fēng)機接上一段風(fēng)筒布往斜井里反壓污濁空氣。在不同的施工階段可以采用不同的通風(fēng)設(shè)施，但是要長遠(yuǎn)考慮，盡可能安排一步到位，做到能夠以后加裝，但盡量不要拆換。

長大隧道通風(fēng)是一個困難而復(fù)雜的問題，有時候受到工期和其他條件限制甚至無法做到很好的通風(fēng)效果，設(shè)備、資金投入將會達(dá)到一個超乎尋常的數(shù)量，再加上用電消耗，長大隧道施工隧道通風(fēng)方面的投入真的是太大了。

4 改善隧道通風(fēng)的方法

4.1 全局考慮,總體部署

在前期施工總部署的時候，就要充分考慮施工通風(fēng)方案，從施工部署方面來優(yōu)化施工通風(fēng)方案，為施工通風(fēng)營造一個良好的環(huán)境。拿坊上斜井舉例來說，坊上斜井斜長1 601 m，坊上斜井承擔(dān)正洞施工3 841 m（其中向大里程方向施工1 510 m，向小里程方向施工2 331 m），坊上斜井隧道施工通風(fēng)極限距離為1 601+2 331=3 932 m。由此，可以明顯的看出坊上斜井施工通風(fēng)壓力來自于小里程方向，而且越到后期施工通風(fēng)壓力越大。因此，在施工部署的時候應(yīng)該考慮把前期開挖施工重心放到正洞大里程方向，使得大里程方向率先貫通，達(dá)到自然通風(fēng)的效果，以此來緩解隧道內(nèi)通風(fēng)壓力，大大改善隧道內(nèi)施工環(huán)境，為施工重心轉(zhuǎn)移的小里程方向創(chuàng)造有利的條件。但是在實際施工的時候卻不是這樣的，因為工期壓力太大，整條隧道的關(guān)鍵控制部位就在小里程方向，本來按照原設(shè)計，是可以按照上面方案施行的，但是由于種種原因，工期一提再提，使得小里程方向工期壓力太大，不允許進(jìn)度放緩，所以從一開始就把工作重心放到了小里程方向，雖然大里程方向也沒有放緩，但是兩個掌子面施工總是有矛盾的時候，需要施工有重心傾向。到了最后階段隧道內(nèi)的通風(fēng)壓力實在太大，洞內(nèi)的施工環(huán)境特別惡劣，嚴(yán)重影響小里程方向的正常施工。沒辦法最后還是對大里程方向進(jìn)行了一段時間的突擊施工，為了打通掌子面達(dá)到自然通風(fēng)的效果，采用臺階法開挖，只施工上臺階來緩解小里程施工的通風(fēng)壓力。

4.2 優(yōu)先采用大直徑風(fēng)管

通風(fēng)管道（風(fēng)筒布）的直徑選擇應(yīng)根據(jù)單口掘進(jìn)最大距離等因素計算出的掌子面送風(fēng)的需要，盡量在斷面允許的情況下優(yōu)先選擇直徑大的型號，但也要適當(dāng)選擇，不能選擇過大，也要考慮電壓、電量的消耗問題及風(fēng)機口徑的匹配等問題。

4.3 通風(fēng)管應(yīng)優(yōu)先采用高強、低阻、阻燃的軟質(zhì)風(fēng)管

風(fēng)筒布盡量選擇嶄新干凈的使用，原則上距離洞口越近的部位越要優(yōu)先使用高強、低阻、質(zhì)量好的、沒有漏洞的風(fēng)筒布使用，盡量減少后部的風(fēng)量損耗。

4.4 風(fēng)筒布置盡量平直

風(fēng)管掛設(shè)應(yīng)做到平直、無扭曲和褶皺，盡量減少接頭數(shù)量，保證接頭嚴(yán)密，隨時檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時更換，以保證施工作業(yè)面供風(fēng)正常。

4.5 風(fēng)機接力

長大隧道施工通風(fēng)中，在供風(fēng)距離過長風(fēng)力不足時可以采用串聯(lián)式通風(fēng)機設(shè)置增壓風(fēng)站進(jìn)行接力，達(dá)到增壓目的，繼續(xù)往前送風(fēng)。同時，通風(fēng)方式可以采用混合式通風(fēng)，在局部關(guān)鍵位置安裝射流風(fēng)機輔助向洞外吹污濁空氣。另外，有條件時宜采用巷道式通風(fēng)或者采用高壓風(fēng)包供風(fēng)。在設(shè)置接力風(fēng)機時，會遇到這樣一個問題，增壓接力風(fēng)機開動后會把后方風(fēng)筒布吸憋，甚至吸扯破碎。這個問題的解決需要設(shè)置一個可控的進(jìn)風(fēng)口來解決。

4.6 風(fēng)管變徑

長大隧道施工通風(fēng)中，在供風(fēng)距離過長、風(fēng)力不足，并且風(fēng)機接力后效果也不明顯時，可以嘗試降低風(fēng)筒直徑，通過降低空氣流通接觸面積以減少風(fēng)阻、降低風(fēng)力損耗來達(dá)到提高通風(fēng)效率的目的。風(fēng)管變徑的位置，一般設(shè)置在接力部位，打造出斷面緩變的一段鋼桶風(fēng)管來過渡變徑，盡量不要風(fēng)管斷面突變，那樣會造成很大的風(fēng)力損失。

4.7 專人管理

要安排專人，配備專用的車輛、設(shè)備等進(jìn)行管理，保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行。由專人負(fù)責(zé)風(fēng)筒布的往前安裝續(xù)接、日常檢查維修及保養(yǎng)，同時對通風(fēng)方案進(jìn)行修正改進(jìn)，并總結(jié)數(shù)據(jù)出來，以備為日后類似項目提供可靠的參考價值。

5 結(jié)束語

長大隧道施工通風(fēng)機的功率、通風(fēng)管直徑應(yīng)根據(jù)隧道獨頭掘進(jìn)的長度、斷面大小、通風(fēng)方式、運輸方式不同而適當(dāng)選擇，在隧道施工斷面凈空允許的前提下應(yīng)采用大直徑風(fēng)管，同時通風(fēng)管應(yīng)優(yōu)先采用高強、低阻、阻燃的軟質(zhì)風(fēng)管，風(fēng)管掛設(shè)應(yīng)做到平、直、無扭曲和褶皺，盡量減少接頭數(shù)量，保證接頭嚴(yán)密，隨時檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時更換，以保證施工作業(yè)面供風(fēng)正常，通風(fēng)方式宜采用壓入式或混合式通風(fēng)，有條件時宜采用巷道式通風(fēng)和安裝射流風(fēng)機等，當(dāng)獨頭供風(fēng)長度大于2 000 m時宜考慮設(shè)增壓風(fēng)站或高壓風(fēng)包供風(fēng)。

通風(fēng)問題在隧道施工中是困難而復(fù)雜的問題，我們只能通過不斷的思考、計算、驗證等方法來不斷地改善，不斷地優(yōu)化。以武夷山隧道坊上斜井的實際通風(fēng)情況為基礎(chǔ)做了簡單的分析，希望為類似的隧道施工通風(fēng)作參考，為以后的施工組織部署及通風(fēng)方案設(shè)置作參考。

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[2]馬炳學(xué).淺述鐵路長大隧道通風(fēng)技術(shù)[J].山西建筑，2008（34）：31.

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