長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)計(jì)算及應(yīng)用選擇

摘要：獅子爐隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為保證施工人員具備良好施工環(huán)境，保障工程順利施工，在施工過(guò)程中隧道內(nèi)需采取適當(dāng)通風(fēng)方式。通過(guò)對(duì)通風(fēng)方式、通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備性能考量，獅子爐隧道采用送風(fēng)式通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備采用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，配套風(fēng)管為維尼龍膠布風(fēng)管，為洞內(nèi)工作面及時(shí)供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵。

關(guān)鍵詞：獅子爐隧道；通風(fēng)量計(jì)算；送風(fēng)式通風(fēng)；軸流式通風(fēng)機(jī)

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60—2009）》（后簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）中相關(guān)要求，隧道施工獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)150米時(shí)，必須采用機(jī)械通風(fēng)。通風(fēng)方式應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)度、斷面大小、施工方法、設(shè)備條件等綜合確定。獅子爐隧道單洞獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度最長(zhǎng)2317.12米，屬長(zhǎng)隧道。施工過(guò)程中需采取機(jī)械通風(fēng)，及時(shí)為隧道內(nèi)工作面供給新鮮空氣，并排出隧道內(nèi)有害氣體。

1 工程概況

莆永高速公路永春至永定段A9合同段位于福建省泉州市安溪縣與龍巖市交界的云中山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，起訖里程為K55+050～K62+881.680，全線長(zhǎng)為7.832公里。合同段內(nèi)獅子爐隧道左洞全長(zhǎng)2317.125米，右洞全長(zhǎng)2303.68米，隧道單洞合計(jì)總長(zhǎng)8097.59米。圍巖級(jí)別Ⅱ～Ⅴ級(jí)。開(kāi)挖方法采用暗洞三臺(tái)階法、臺(tái)階法和全斷面法。采用光面爆破，無(wú)軌出渣。根據(jù)野外地址調(diào)查、鉆探及物探資料，隧址區(qū)地層巖性較簡(jiǎn)單，為全-中風(fēng)化粉砂巖及強(qiáng)-微風(fēng)化凝灰?guī)r；洞身圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅴ級(jí)。獅子爐隧道開(kāi)挖后，洞內(nèi)不會(huì)有甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有害氣體溢出。隧址區(qū)基巖為粉砂巖及凝灰?guī)r，放射性影響微弱。洞內(nèi)有害氣體的來(lái)源主要有鉆眼粉塵、爆破煙塵、運(yùn)輸汽車尾氣及汽車揚(yáng)塵、噴射混凝土粉塵、水霧等有害氣體。

2 目的及要求

隧道施工通風(fēng)預(yù)期達(dá)到的目的：

⑴為隧道內(nèi)施工作業(yè)人員提供所需新鮮空氣。

⑵稀釋并排出各種有害氣體和粉塵。

⑶適當(dāng)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)工作面溫度及濕度。

⑷創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，為隧道施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面做好鋪墊。

規(guī)范要求，隧道施工作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)：

⑴空氣中氧氣含量在作業(yè)過(guò)程中始終保持在19.5%以上。嚴(yán)禁用純氧進(jìn)行通風(fēng)換氣。

⑵二氧化碳（CO2）最高容許濃度9000mg/m3，短時(shí)間（15min）接觸容許濃度18000mg/ m3；二氧化氮（NO2）最高容許濃度5mg/m3，短時(shí)間（15min）接觸容許濃度10mg/m3。

⑶含10%以下游離SiO2的礦物性粉塵，總粉塵不得大于4mg/m3。

⑷噪聲不應(yīng)大于90dB。

⑸隧道內(nèi)氣溫不宜高于28℃。

此外規(guī)范還規(guī)定：隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)所需的最小風(fēng)量。每人應(yīng)供應(yīng)新鮮空氣3m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，供風(fēng)量不宜小于4.5m3/（min·Kw）。全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15m/s，但不應(yīng)大于6m/s。

3 機(jī)械通風(fēng)方式

目前我國(guó)一般隧道施工通風(fēng)方式主要有機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)等方式，其中機(jī)械通風(fēng)分為排風(fēng)式、送風(fēng)式、巷道式、送排混合通風(fēng)方式等。巷道式通風(fēng)多用于煤礦系統(tǒng)中。在公路隧道施工中，由于經(jīng)濟(jì)等各方面的原因，較少采用巷道式通風(fēng)，多采用排風(fēng)式、送風(fēng)式通風(fēng)等方式。

圖1 隧道施工通風(fēng)主要方式

機(jī)械通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表1 機(jī)械通風(fēng)方式對(duì)比。

表1 機(jī)械通風(fēng)方式對(duì)比

類型方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

排風(fēng)式將吸風(fēng)口置于工作面附近，通過(guò)風(fēng)機(jī)將灰塵氣體等有害物質(zhì)吸出，排到洞外，新鮮空氣順坑道進(jìn)入洞內(nèi)。及時(shí)排出廢棄物工作面需較長(zhǎng)時(shí)間才能得到新鮮空氣，不利于下一工作循環(huán)的開(kāi)展。

送風(fēng)式將風(fēng)機(jī)置于洞外，通過(guò)管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。及時(shí)供給新鮮空氣污染物從洞內(nèi)往外排出，對(duì)洞內(nèi)已完成的襯砌造成污染，對(duì)后續(xù)的支護(hù)施工有一定影響。

送排混合式一路為送風(fēng)式通風(fēng)，送入新鮮空氣；一路為排風(fēng)式通風(fēng)，吸出廢棄物。兼有排風(fēng)式和送風(fēng)式優(yōu)點(diǎn)需同時(shí)在洞內(nèi)鋪設(shè)兩路風(fēng)管，洞內(nèi)空間狹小，會(huì)對(duì)洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)裙ぷ髟斐梢欢ǜ蓴_；大大增加風(fēng)管管路的續(xù)接、維護(hù)等工作量；增加施工成本。

經(jīng)綜合對(duì)比，考慮施工進(jìn)度、施工成本等方面因素，在獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度2公里多，采用送風(fēng)式通風(fēng)較為合適。

4 施工通風(fēng)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

管道百米漏風(fēng)率和摩擦阻力系數(shù)等與管道的材質(zhì)、直徑、連接形式、表面狀況、制造及安裝維護(hù)的質(zhì)量密切相關(guān)，只有通過(guò)大量工程試驗(yàn)，才能獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值。我國(guó)所有的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)只能提供直徑800㎜以下通風(fēng)管道的技術(shù)性能數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)隧道使用的新型大直徑管道，目前尚無(wú)確切的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，僅可根據(jù)國(guó)內(nèi)隧道工程建設(shè)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析對(duì)照取值。

開(kāi)挖斷面積主洞（Ⅱ級(jí)圍巖）：S=76.3m2；

一次爆破用藥量：根據(jù)獅子爐隧道Ⅱ級(jí)圍巖光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際施工情況，取G=291.2kg，按Ⅱ級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺3m考慮；

洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)：按每工作面最大45人；

爆破后通風(fēng)排煙時(shí)間：t=30min；

通風(fēng)管：采用φ1.3m軟管；

管道百米漏風(fēng)率：一般取β=（1.1～1.5）%，根據(jù)獅子爐風(fēng)管情況取值1.2%；

風(fēng)管沿程摩阻系數(shù)：由流體力學(xué)的沿程阻力公式推導(dǎo)α=λρ/8=3×10-4kg·s2/m4，式中（達(dá)西系數(shù)λ=0.01，空氣密度ρ=1.2）；

炮煙拋擲長(zhǎng)度：經(jīng)驗(yàn)公式Ls=15+G/5，Ls=15+291.2/5=73.24m；

單位炸藥爆破放出放入的有害氣體換算成CO的體積，取a=30×10-3m3/Kg；

最大壓入通風(fēng)長(zhǎng)度：按主洞單口最大掘進(jìn)長(zhǎng)度2317.12m，通風(fēng)按L=2300m管道長(zhǎng)度計(jì)算。

4.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在滿足通風(fēng)效果的前提下，進(jìn)行合理調(diào)配減少新購(gòu)風(fēng)機(jī)的數(shù)量。在凈空允許的情況下，采用大直徑風(fēng)管，減少能耗損失。通過(guò)適當(dāng)增加一次性投入，減少通風(fēng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行成本。

⑴適當(dāng)提高工作面的供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。在風(fēng)量計(jì)算中各參數(shù)選取時(shí)宜堅(jiān)持增加風(fēng)量的取值傾向。

⑵為了實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能降耗的效果，盡量采用雙級(jí)調(diào)速軸流式通風(fēng)機(jī)。當(dāng)要求風(fēng)量大時(shí)，風(fēng)機(jī)以高轉(zhuǎn)速運(yùn)行；當(dāng)要求風(fēng)量較低時(shí)，風(fēng)機(jī)可以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

⑶堅(jiān)持“以人為本、改善環(huán)境、確保安全、節(jié)約能源、節(jié)約投資”的設(shè)計(jì)原則。

4.3 通風(fēng)計(jì)算

關(guān)于隧道施工通風(fēng)量計(jì)算，目前世界各國(guó)尚無(wú)公認(rèn)統(tǒng)一公式，我國(guó)亦無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，本方案所列公式均參照目前國(guó)內(nèi)主流施工通風(fēng)量計(jì)算公式。

4.3.1 洞內(nèi)施工所需通風(fēng)量考慮因素：

①滿足洞內(nèi)允許最小風(fēng)速要求等條件進(jìn)行計(jì)算確定；

②洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)所需要的空氣量；

③使同一時(shí)間爆破的最多炸藥用量產(chǎn)生的有害氣體降低到允許濃度所需要的空氣量；

④使同時(shí)在洞內(nèi)作業(yè)的柴油機(jī)產(chǎn)生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的空氣量。

以其中最大者選擇通風(fēng)設(shè)備。

4.3.2 通風(fēng)量計(jì)算

⑴按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算

Q1=60·V·S

式中：Q1—計(jì)算風(fēng)量，m3/min；

v—允許最小風(fēng)速，m/s，全斷面開(kāi)挖時(shí)應(yīng)不小于0.15m/s，但均不應(yīng)大于6m/s，取0.2m/s；

S—開(kāi)挖斷面面積，㎡，?、蚣?jí)圍巖斷面76.3㎡。

由此得Q1=60×0.2×76.3=915.6m3/min。

⑵按洞內(nèi)可能的同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)計(jì)算

Q2=q·N·K

式中：Q2—計(jì)算風(fēng)量，m3/min；

q—洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3/min，按每人每分鐘3m3計(jì)算；

N—洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，取N=45；

K—風(fēng)量備用系數(shù)，取1.10～1.15。

由此得Q2=3×45×1.15=155.3m3/min。

⑶按稀釋爆破煙塵計(jì)算

Q3=V1·〔1-（K·V1/V2）1/t〕

式中：Q3—計(jì)算風(fēng)量，m3/min；

V1—一次爆破產(chǎn)生的炮煙體積，V1= S·Ls=76.3×73.24=5588.3m3；

V2—一次爆破產(chǎn)生的有害氣體，V2=a·G=30×10-3×291.2=8.74m3；

t—通風(fēng)時(shí)間，min，一般在20min—40min，取t=30；

K—允許濃度，ppm，一般取100ppm。

由此得Q3=5588.3×[1-（100×10-6×5588.3/8.74）1/30]=489.4m3/min。

⑷按沖淡機(jī)械作業(yè)排出的廢氣計(jì)算

Q4=P·Σm·N

式中：Q4—計(jì)算風(fēng)量，m3/min；

P—每Kw每min需提供空氣量P=3m3/min；

N—內(nèi)燃機(jī)械的功率，Kw；

m—內(nèi)燃機(jī)械的數(shù)量。洞內(nèi)掘進(jìn)作業(yè)區(qū)1臺(tái)卡特320挖掘機(jī)，功率103Kw；1臺(tái)龍工反斗式50裝載機(jī)，功率162Kw；2輛斯太爾8m3自卸車，單輛功率191Kw。

由此得Q4=3×（1×103+1×162+2×191）=1941m3/min。

獅子爐隧道作業(yè)面施工通風(fēng)需求量Q需= Max（Q1，Q2，Q3，Q4）= 1941m3/min。

考慮風(fēng)管漏風(fēng)，則風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量為：

Q機(jī)=Q需/（1-β）L/100=1941/（1-0.012）2300/100=2562.3m3/min。

4.3.3 風(fēng)壓計(jì)算

為將所需風(fēng)量送入指定位置并達(dá)到設(shè)定的風(fēng)量，必須克服沿途阻力，并在出口維持一定的風(fēng)速和風(fēng)壓，則通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即h機(jī)>h阻。

h阻=∑h動(dòng)+∑h局+∑h沿。

式中：∑h動(dòng)—?jiǎng)訅?，?0Pa；

∑h局—局部壓力損失，一般按沿程壓力損失的10%估算。

沿程壓力損失計(jì)算：

∑h沿= =

式中：α—風(fēng)道摩擦阻力系數(shù)，取α=3×10-4kg·s2/m4；

L—風(fēng)管長(zhǎng)度，m，取2300m；

D—風(fēng)管直徑，m，取1.3m；

U—風(fēng)管周長(zhǎng)，m；

S—風(fēng)管截面積，m；

Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s，取2562.3/60=42.705m3/s。

∑h沿=2203Pa。

h阻=∑h動(dòng)+∑h局+∑h沿=2473.3Pa。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，洞口選擇風(fēng)量不小于2562.3m3/min、風(fēng)壓不小于2473.3Pa的風(fēng)機(jī)才能滿足主洞施工通風(fēng)需求。

5 機(jī)械通風(fēng)設(shè)備

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管的能力匹配性等是隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。無(wú)論是單方面追求高效率、大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，忽視風(fēng)管的直徑小、阻風(fēng)系數(shù)高等問(wèn)題；還是選擇風(fēng)管直徑較大，而風(fēng)機(jī)風(fēng)量偏小、風(fēng)壓偏低，都難以保證施工通風(fēng)取得良好效果。

5.1 通風(fēng)機(jī)

目前市場(chǎng)上通風(fēng)機(jī)的類型主要分為離心式和軸流式，其中軸流式有子午加速式軸流通風(fēng)機(jī)、對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)、變特性隧道軸流風(fēng)機(jī)等幾種。通過(guò)近幾年高速公路隧道施工的實(shí)踐，對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)使用效果較好。

5.2 風(fēng)管

隧道通風(fēng)風(fēng)管一般要求：風(fēng)阻系數(shù)低、漏風(fēng)率低、合適的直徑。

通常風(fēng)管可分為維尼龍膠布風(fēng)管、鍍鋅薄鋼板風(fēng)管、玻璃鋼風(fēng)管等?？紤]經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性等因素，除特別要求，一般較少采用玻璃鋼風(fēng)管、鋁合金板風(fēng)管等。送風(fēng)式通風(fēng)一般采用維尼龍膠布風(fēng)管，它具有存放方便、接長(zhǎng)簡(jiǎn)單、方便挪移等優(yōu)點(diǎn)。

5.3 獅子爐隧道的施工通風(fēng)

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)通風(fēng)量計(jì)算，結(jié)果顯示洞內(nèi)最小風(fēng)速和內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)排出的廢氣是計(jì)算風(fēng)量的控制因素?？紤]施工進(jìn)度、施工成本等方面因素，采用送風(fēng)式通風(fēng)；根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓的計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況，采用軸流式通風(fēng)機(jī)。獅子爐隧道主洞通風(fēng)：施工作業(yè)區(qū)段長(zhǎng)2317.125m，施工供風(fēng)采用SDDY-Ⅲ型軸流式2×110Kw通風(fēng)機(jī)，在洞口配一臺(tái)風(fēng)機(jī)，通風(fēng)管為直徑1.3m的軟管，管道布置在隧道左側(cè)，在距離作業(yè)面100m架設(shè)在起拱線以上1.2m處，風(fēng)管在噴護(hù)面段采用錨桿支搭，在錨桿用φ8盤條做吊掛線，并經(jīng)帶接?？紤]獅子爐隧道實(shí)際施工過(guò)程中，管道布置、維護(hù)不理想，掌子面風(fēng)壓偏小，在主洞掘進(jìn)至第二處緊急停車帶（K61+738），串聯(lián)一個(gè)SDDY-Ⅲ型串聯(lián)式4×55Kw通風(fēng)機(jī)，以提高風(fēng)壓，管道布置同壓入式通風(fēng)機(jī)。

圖2 獅子爐隧道施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置圖

6 結(jié)語(yǔ)

隧道良好的施工通風(fēng)是保障工程施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度不可或缺的一部分。選擇合適的通風(fēng)方式，能及時(shí)地為洞內(nèi)工作面供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵，為洞內(nèi)工作人員提供較好的工作環(huán)境，便于下一循環(huán)工序的開(kāi)展。獅子爐隧道在選擇施工通風(fēng)方式過(guò)程中，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、施工進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境等各方面因素，不片面追求大風(fēng)率、大風(fēng)管設(shè)備，務(wù)實(shí)高效，最終選擇軸流式通風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)置于洞外，通過(guò)管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。在做好施工通風(fēng)的同時(shí)，做好其他防塵防污措施，如鉆眼作業(yè)采用濕式鑿巖，放炮后及時(shí)進(jìn)行噴霧、灑水等。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JTG F60--2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[s].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JTG F60--2009 公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[s].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 李縱.隧道掘進(jìn)施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選擇（J）.公路隧道，2009，（03）.

作者簡(jiǎn)介

潘嘉泉，男，1987年05月，本科，助理工程師.