高原螺旋隧道施工通風(fēng)設(shè)計

張 凱

（山西新世紀交通建設(shè)工程咨詢有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

臥龍溝隧道穿越祁連山脈，位于青海省與甘肅省交界處太子山自然保護區(qū)內(nèi)。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高山地貌區(qū)，地形起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜，受地形影響，采用螺旋型隧道，總轉(zhuǎn)角近220°，曲線最小半徑為700 m。集中升坡，進出口高差達58 m，隧道范圍內(nèi)中線高程2 958～3 025 m。施工難度大、技術(shù)含量高，是大循高速公路控制工期的咽喉工程。

2 工程主要特點及技術(shù)難點

a）隧洞處在高海拔嚴寒地區(qū)。冬季凍土深度達到100 cm，空氣稀薄，洞口含氧量僅為15.9%，洞內(nèi)更低。施工環(huán)境惡劣給施工通風(fēng)帶來了一系列技術(shù)問題，不僅直接影響施工人員的身心健康，而且會使作業(yè)人員勞動效率大幅降低。所以在低氣壓、寒冷、缺氧的高原環(huán)境下利用隧道外新鮮空氣稀釋和排除隧道內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體和降低粉塵，使其達到隧道作業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，從而改善隧道內(nèi)施工人員的勞動條件，保證順利施工，是該隧道施工通風(fēng)的一大技術(shù)難題。

b）隧道受地形影響，采用螺旋型隧道，總轉(zhuǎn)角近220°。在國內(nèi)，海拔3 000 m以上長度達到2 500 m以上采用螺旋型設(shè)計的隧道在西北高原隧洞施工中是僅此一例。由于是曲線螺旋隧洞，單端掘進長度均在1 300 m以上，煙塵只能通過隧洞排出[1]，且自卸汽車廢氣排放量大，沿隧洞分散分布，稀釋較困難，隨著隧洞的加深，通風(fēng)排煙將十分困難。必須采取有力的通風(fēng)防塵措施，以保障洞內(nèi)空氣清新，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，保證洞內(nèi)施工人員的身體健康，提高勞動效率，加快施工速度。

c）根據(jù)《海拔高度、氣壓、氣溫、沸點、空氣密度、含氧量、柴油機功率、電氣功率、勞動者體力對照表》[2]勞動力效率為平原的64%；電氣電動機功率為平原地區(qū)的88%；空氣密度為平原地區(qū)的70%；柴油機功率為平原地區(qū)的76%，廢氣排量由于含氧量低，燃燒不充分卻反而增加。

3 隧道內(nèi)有害氣體的排放

臥龍溝隧道內(nèi)的有害氣體主要有內(nèi)燃機械排出的尾氣，隧道爆破、焊接作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體和作業(yè)人員呼吸排放的二氧化碳。

由于Ⅲ級圍巖開挖進尺大，用藥量多，污濁氣體排出量大，故按Ⅲ級圍巖計算。選取最不利組合確定用風(fēng)量。主要計算參數(shù)：Ⅲ級圍巖開挖進尺2.5 m，斷面面積82.28 m2，炸藥用量0.87 kg/m3（中風(fēng)化花崗巖）。工作面最多人數(shù)取45人（鉆爆20人，初支10人，二襯10人，其他5人）。作業(yè)人員供風(fēng)量4 m3/人·min（平原地區(qū)為 3 m3/人·min），爆破通風(fēng)時間40 min（平原地區(qū)為 30 min），通風(fēng)管道直徑1.5 m。管道百米平均漏風(fēng)率1.7%，管道達西系數(shù)0.015，空氣密度0.9 kg/m3（空氣密度為平原的70%），隧道通風(fēng)需要的最低風(fēng)速0.15 m/s。

3.1 風(fēng)量計算

3.1.1 按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算風(fēng)量

式中：q為作業(yè)人員供風(fēng)量4 m3/人·min；m為工作面最多人數(shù)取45人；k為風(fēng)量備用系數(shù)取1.3。

計算得：Q=234 m3/min.

3.1.2 按排出炮煙計算風(fēng)量

式中：G為同時爆破的炸藥消耗量，G=A·l·q，計算得178.9 kg；A為掘進面積，82.25 m2；l為循環(huán)進尺，2.5 m；q為單位耗炸藥量，0.87 kg/m3；b為炸藥爆炸時有害氣體生成量，取40 m3/kg；t為通風(fēng)時間，取40 min；l0為 炮 眼 拋 擲 長 度 ，l0=15+G/5，計 算 得50.78 m。

計算得：Q=790 m3/min.

3.1.3 按允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量

式中：V為工作面最小風(fēng)速，全斷面開挖取0.15 m/s，分部開挖取0.25 m/s；A為掘進面積82.25 m2。

計算得：Q=740.3 m3/min.

3.1.4 按稀釋和排除內(nèi)燃機廢氣計算風(fēng)量

洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)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，計算式為：

式中：K為功率通風(fēng)計算系數(shù)，我國暫行規(guī)定為2.8～3.0 m3/min（介于本隧道為高原螺旋隧道取3）；Ni為各臺柴油機械設(shè)備的功率（詳見臥龍溝隧道內(nèi)燃設(shè)備配置表）；洞內(nèi)Ti為利用率系數(shù)（詳見表1）。

表1 臥龍溝隧道內(nèi)燃設(shè)備配置表

計算得Q=1 893 m3/min；

Qh=max（Q1，Q2，Q3，Q4）=1 893 m3/min.

3.2 通風(fēng)機所需供風(fēng)量

百米平均漏風(fēng)率B取1.7%（考慮到螺旋隧道比直線隧道漏風(fēng)率取值增加了10%），管道漏風(fēng)系數(shù)為:

式中：L為循環(huán)進尺；故通風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量為Qj=P·Qh=1.25×1 893=2 366 m3/min，即 39.43 m3/s。

3.3 管道壓力損失及通風(fēng)機全壓

3.3.1 管道摩擦阻力系數(shù)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，又稱管道達西系數(shù)，取0.015（取值時考慮到螺旋隧道）；ρ為空氣密度，取0.9 kg/m3。

經(jīng)計算可得α=0.001 69 kg/m3.

3.3.2 管道風(fēng)阻力系數(shù)

式中：a為管道摩擦阻力系數(shù)；L為最大通風(fēng)長度1 300 m；D為管道直徑1.5 m。

代入后計算可得Rf為1.88。

3.3.3 沿程摩擦通風(fēng)阻力損失

式中：Rf為管道風(fēng)阻力系數(shù)；Q為通風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量39.43 m3/s；P為管道漏風(fēng)系數(shù)。

代入后計算可得hf=2 572 Pa.

為簡化計算，局部損失取為沿程阻力損失的10%，即ht=0.1hf；通風(fēng)機工作風(fēng)壓按通風(fēng)系統(tǒng)克服局部風(fēng)阻、沿程風(fēng)阻之和計算，即：Pt=max（hf+ht）=2 829 Pa.

3.3.4 選擇1臺通風(fēng)機單管壓入式通風(fēng)，每臺通風(fēng)機配用的電動機功率

式中：Q為通風(fēng)機供風(fēng)量；Pt為通風(fēng)機工作風(fēng)壓；η為通風(fēng)機工作效率，取60%（電氣電動機功率為平原地區(qū)的88%）。

代入后計算可得N=204.5 kW.

3.4 通風(fēng)機選型及布置

由以上計算可知選擇的通風(fēng)機的最低技術(shù)參數(shù)要求為：Q=2 366 m3/min，Pt=2 829 Pa，N=204.5 kW。故初步選定SDF（B）-4-No12.5通風(fēng)機，轉(zhuǎn)速1480 r/min，Q=2 912 m3/min，Pt=5 355 Pa，N=2×110 kW 可以滿足要求。采用單管壓入式通風(fēng)，在進口洞外20 m安裝串聯(lián)兩臺通風(fēng)機，采用φ1.5 m柔性通風(fēng)管道，通風(fēng)管隨掌子面的推進接長，接長到距掌子面約50 m處。新鮮空氣通過柔性通風(fēng)管道壓入到工作面，洞中的污染氣體及粉塵沿隧洞排出洞外[3]。

4 施工過程中應(yīng)注意的事項

a）該隧道為小半徑螺旋曲線隧道，曲線最小半徑為700 m，半徑小，風(fēng)筒也隨隧洞曲線布置，彎折處較多，導(dǎo)致風(fēng)力損失加大；柔性通風(fēng)管道在通過車行橫洞、二襯臺車時需合理布設(shè)及時調(diào)整風(fēng)管架設(shè)線性，減少折彎避免加大風(fēng)力損失。

b）隧道是上坡施工，集中升坡，進出口高差達58 m，隧道進口掌子面洞底高程進洞后高于洞口洞頂高程，因此煙塵不易排出洞外；當(dāng)隧道進口端通風(fēng)情況不理想時可在隧道加寬段增設(shè)一臺110 kW通風(fēng)機，通過柔性通風(fēng)管道與原通風(fēng)機串聯(lián)。保障洞內(nèi)空氣清新，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

c）在施工過程中施工機械及人為因素會造成風(fēng)筒破損，導(dǎo)致風(fēng)力損失增加。需及時派人對風(fēng)筒破損處進行縫補，并對風(fēng)袋接頭盡量順直[4]。

5 結(jié)語

高原地區(qū)高寒缺氧氣壓低，工程機械有害氣體排放量大，為高原隧道施工通風(fēng)工作增加了難度，尤其是高原螺旋隧道施工通風(fēng)技術(shù)更是一大技術(shù)難題。本文結(jié)合臥龍溝隧道施工通風(fēng)實例給出了高原螺旋隧道的施工通風(fēng)設(shè)計方法，可為高原螺旋隧道通風(fēng)施工提供參考。該類型隧道施工中還應(yīng)不定期檢測洞內(nèi)空氣氧含量，在連續(xù)通風(fēng)的開放環(huán)境下根據(jù)現(xiàn)場實際情況，必要時采用背負氧氣瓶使所有隧道施工作業(yè)人員呼吸到醫(yī)用氧，從而降低高原病征的發(fā)生。