通風豎井在紅石巖隧道中的應用

（中冶貴州建設投資發(fā)展有限公司，貴州 貴陽 550000）

一、工程概況

某工程位于廣西和云南省境內，起于廣西南寧市，終止于云南省昆明，正線全長710km。紅石巖隧道位于云南省文山州廣南縣境內，紅石巖隧道全長1.458萬米，進口里程DK375+865，出口里程DK390+445。隧道內縱坡設置為“人”字坡，隧道洞身最大埋深約450m。隧道以可溶性碳酸鹽巖為主，主要為灰?guī)r、白云質灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r等，約占全隧75%，其余約3.4lkm為泥質粉砂巖及粉砂質泥巖等，為Ⅰ級風險隧道。紅石巖隧道輔助坑道方案為“3個橫洞+橫洞間平導+1個斜井”，均設計為無軌單車道+錯車道運輸，單車道內輪廓采用5.0m*6.0m（寬*高），錯車道內輪廓采用7.5m*6.0m（寬*高），進口段預留泄水洞，長度為2515米，與平導順接，斷面尺寸2.5m*2.5m（寬*高）。平導設置于線路左側，距離左線線路中線30m，全長9800m。1#橫洞與隧道洞身交于DK378+300，與平導交于DK378+330，長度為1200m，位于線路右側。2#橫洞與平導交于DK388+130，長度為1445m，位于線路左側。斜井與平導交于DK381+770長度為1568.24m，位于線路左側。3#橫洞與正洞交于DK390+310，全長244m，位于線路左側。紅石巖隧道于2010年9月開工建設，2016年12月通車運營。

根據指導性施工組織設計安排，紅石巖隧道2#橫洞施工任務最長，紅石巖隧道正洞施工區(qū)間里程為DK383+662～DK388+090，總長度為4428m；平導施工區(qū)間里程為PDK388+130～PDK383+675，總長度為4455m。因橫洞斷面高度只有6米，不能匹配獨頭供風風管直徑和行車安全總高度的要求，且距離過長風量損失過大，為了確保通風效率，擬將18#橫通道向小里程方向平移30m（橫通道由原來的設置里程：平導PDK386+380，正洞DK386+350改為平移后的里程：平導PDK386+350，正洞DK386+320）。通風豎井位置位于平導和正洞中間的橫通道上，其中1#通風豎井中心里程為DK386+335，距主線中心15.0m,2#通風豎井中心里程為PDK386+339，距平導中心11.0m，兩通風豎井間距為5.66m。

二、通風豎井位置選擇

（一）豎井段落選擇

豎井選擇考慮在中間段落，前后誤差500m以內，選擇范圍為DK386+106～DK387+106。

結合紅石巖隧道DK386+080～DK387+310縱斷面情況，豎井施工盡量選擇在圍巖級別較好的段落，即Ⅲ級圍巖段落，可選擇范圍為DK386+290～DK386+390、DK386+490～DK386+850、DK386+950～DK387+106。

DK386+290～DK386+390豎井高度在100m～120m之間，DK386+490～DK386+850豎井高度在140m～176m之間，DK386+950～DK387+106豎井高度在140m～291m之間，從經濟性角度考慮，豎井段落盡量選擇在DK386+290～DK386+390。

經現場查勘，DK386+290～DK386+390段落中DK386+360處于沖溝中，為了避免受沖溝的影響，沖溝前后20m不考慮進行豎井施工，同時考慮到不同圍巖級別搭接處可能存在破碎帶，搭接處20m不考慮進行豎井施工，豎井段落選擇在DK386+310～DK386+340。

（二）豎井與正洞、平導的關系

工程對隧道防水要求比較嚴格，豎井施工在正洞上方后期防水難以處理，且因豎井先于正洞施工，避免正洞施工到豎井位置時因意外事故而影響正洞正常掘進，同時考慮兼顧正洞、平導同時通風的原則，將豎井位置選擇在正洞、平導之間，通過橫通道與正洞、平導相通。

考慮到長距離通風送風困難，洞內廢氣排放同樣困難，同時施工兩個豎井，一個用于送風，另一個用于排煙。

統(tǒng)籌考慮各種因素后，選擇將18#橫通道向小里程方向平移30m（橫通道由原來的設置里程：平導PDK386+380，正洞DK386+350改為平移后的里程：平導PDK386+350，正洞DK386+320）。通風豎井位置位于平導和正洞中間的橫通道上，其中1#通風豎井中心里程為DK386+335，距主線中心15.0m,2#通風豎井中心里程為PDK386+339，距平導中心11.0m，兩通風豎井間距為5.66m。

三、通風豎井凈空斷面與布置

通風豎井組成部分為井口鎖口圈、井身、井壁、馬頭門等，上部通過鎖口圈、井口通風建筑物（風塔）與新鮮空氣連接，下部通過送排風聯(lián)絡風道與巷道、排煙入口連接。

風塔采用C20混凝土塔式結構，壁厚350mm。在塔側設Φ20mm扶梯，施工時設預埋件，后焊接爬梯，其間距300mm；在距離排風口1.2m處沿風塔一周設工作平臺，寬1.0m，欄桿扶手高1.2m，欄桿豎向埋筋間距300mm，平臺支架用L75×75mm角鋼，平臺鋪設3mm厚花紋鋼板。

進風口、排風口的方向按當地區(qū)域風向主導風向布置，將進風口設置于靠正洞一側，其高差控制在4m左右。

豎井井口設鎖口圈，防止施工過程中雨水流入井口及渣土掉入井內。由于現場豎井口為原狀土，為確保能夠承受風塔荷載，鎖口圈底應置于堅硬穩(wěn)定的巖面層上或置于地基承載力不小于200MPa的地基上，且鎖口圈應較豎井凈空直徑大60cm。

綜合結構受力、施工難易程度及通風效率等方面，豎井斷面以圓形斷面最為合適，因此通風豎井斷面采用圓形斷面。豎井設計為2*Φ2.0m，其中一座為進風口，一座為排風口，兩通風豎井間隔5.66m。

四、豎井貫通前后通風方式及通風參數計算

（一）通風參數計算

1.計算通風量

根據《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》（QCR9604-2015）要求，施工通風設計風量應分別按排除炮煙（）、洞內最大工作人數（ Q2= q km ）、最低風速要求（ Q3= 6 0VS）、瓦斯涌出量（）、稀釋和排除內燃機械廢氣（）等因素計算，取最大值（）。

2.通風機供風量

Q供=PQ算

Q供—通風機供風量，m3/min。

P—漏風系數。

3.風機風壓計算

根據《路橋施工計算手冊》要求，風機供風壓力必須大于風流受到的總阻力。

h摩—氣流經過各種斷面的管道時產生的摩擦阻力，Pa；

h局—氣流經過斷面變化，拐彎分岔等處分別產生的阻力，Pa；

h正—巷道通風時受運輸車輛阻塞而產生阻力，Pa。

4.通風機選擇

Q機≥1.1Q供（1.1為風量儲備系數）

h機≥h總阻

（二）豎井通風風量計算

1.豎井貫通前通風計算

通風方式。豎井未貫通前，采用軸流風機進行壓入式通風，因平導和正洞兩個作業(yè)面同時施工，受橫洞高度限制，無法采用兩臺通風機分別進行通風。為了滿足通風需要，采用壓入式接力通風，即在橫洞與平導交叉處布置一個三通鐵質風箱，通過橫洞洞口軸流通風機將新鮮空氣送入風箱，然后通過風箱用軸流風機將新鮮空氣送至平導、正洞掌子面。

風量計算。

1）計算參數確定

a.單次開挖斷面面積：S平導=35m2，S正洞=140m2；

b.一次爆破耗藥量：考慮開挖進尺3m，平導炸藥單耗0.9kg/m3，正洞炸藥單耗0.6kg/m3，炮眼利用率90%，算得A平導=105kg，A正洞=280kg；

c.最大通風距離：L=1800m；

d.風量備用系數：k=1.1；

e.爆破后通風時間：t≤30min；

f.洞內同時工作的最大人數，m平導=20人，m正洞=50人；

g.洞內每人每分鐘需要新鮮空氣量，q=3m3/min；

h.1kg炸藥折合成CO體積，b=40L/kg；

i.各內燃機功率，挖掘機取220kW，裝載機取150kW，自卸汽車取180kW，輸送泵取90kW，混凝土罐車取250kW；

j.同時工作柴油機設備利用率系數，挖掘機取0.65，裝載機取0.65，自卸汽車取0.45，輸送泵取0.5，混凝土罐車取0.5；

k.洞內允許最小風速：全斷面開挖時V=0.15m/s，其他V=0.25m/s；

l.漏風系數，P100取1%，P=1.22；

n.風管直徑，d平導、橫洞=1.6m，d正洞=1.8m；

o.空氣容重，γ=1.2kg/m3；

p.風管周長，U平導、橫洞=5.024m，U正洞=5.652m；

q.風管面積，S平導、正洞=2.01m2，S正洞=2.54m2。

2）平導風量計算

h摩=2881Pa，因平導供風為直線，且為壓入式通風，h局=0Pa,H正=0Pa，h機≥2881Pa。

3）正洞風量計算

h摩=3999Pa，因正洞供風存在轉角，取ζ=0.5，h局=156Pa，因正洞為壓入式通風,h正=0Pa，h機≥4155Pa。

風機選型。

為平衡平導和正洞的通風壓力，兩者盡量避免同時達到通風高峰，即將兩個掌子面開挖時間錯開。根據計算結果，結合侯馬風機風量風壓曲線表，選定風機型號、功率。平導軸流風機選用1臺SDF（C）NO11.5型（風量1180m3/min～2300m3/min，風壓730Pa～4650Pa，電機功率75*2KW），正洞風機選用1臺SDF（B）NO13型（風量1700m3/min～3330m3/min，風壓920Pa～5950Pa，電機功率132*2KW），橫洞軸流風機選用1臺SDF（B）NO14型（風量2121m3/min～4140m3/min，風壓1090Pa～6900Pa，電機功率185*2KW）。

2.豎井貫通后通風方式

通風方式。該階段利用平導、豎井，采用巷道式、壓入式通風、豎井排煙綜合通風方式，利用進風豎井、平導作為進風巷道，巷道利用風門進行封堵，在靠近正洞的第一個橫通道處設置軸流風機，將巷道里的新鮮空氣通過風機送至掌子面，圬風通過排煙豎井排出，為加快圬風排出速度，按500m處設置射流風機，保證空氣質量良好。

風量計算

1）計算參數確定

a.最大通風距離：因采用巷道通風，L正洞=500m，考慮平導超前正洞500m，L平導=1000m；

b.漏風系數：P平導=1.11，P正洞=1.05。

2）平導風量計算

h摩=2385Pa，因平導供風為直線，且為壓入式通風，h局=0Pa,H正=0Pa，h機≥2385Pa。

3）正洞風量計算

h摩=2963Pa，因正洞供風存在轉角，取ζ1=ζ2=0.5，h局=232Pa，因正洞為壓入式通風,h正=0Pa，h機≥3195Pa。

風機選型。根據計算結果，平導軸流風機選用1臺SDF（C）NO11.5型（風量1180m3/min～2300m3/min，風壓730Pa～4650Pa，電機功率75*2KW），正洞風機選用1臺SDF（B）NO13型（風量1700m3/min～3330m3/min，風壓920Pa～5950Pa，電機功率132*2KW），射流風機布置按照每500m、轉角處布置一臺的原則布設，平導中段布置一臺，平導轉正洞布置一臺，正洞按500m直線距離布置，正洞轉排煙豎井布置一臺。

（三）巷道式通風風量計算

1.通風方式

利用軸流風機將新鮮空氣從洞外運送至平導巷道中，利用風門將巷道進行封堵，在靠近正洞的第一個橫通道處設置軸流風機，將巷道里的新鮮空氣通過風機送至掌子面，圬風通過正洞從隧道出口排出，為加快圬風排出速度，在500m處設置射流風機，保證空氣質量良好。

2.風量計算

巷道式通風和豎井貫通后平導、正洞掌子面需風量及風壓計算一樣，不同之處在于需要從洞口將風引入平導巷道，為平衡平導和正洞的通風壓力，兩者盡量避免同時達到通風高峰，即將兩個掌子面開挖時間錯開。

3.風機選型

全過程平導軸流風機選用1臺SDF（C）NO11.5型（風量1180m3/min～2300m3/min，風壓730Pa～4650Pa，電機功率75*2KW），正洞風機選用1臺SDF（B）NO13型（風量1700m3/min～3330m3/min，風壓920Pa～5950Pa，電機功率132*2KW），橫洞軸流風機選用1臺SDF（B）NO14型（風量2121m3/min～4140m3/min，風壓1090Pa～6900Pa，電機功率185*2KW）。射流風機布置按照每500m、轉角處布置一臺的原則布設，平導中段布置一臺，平導轉正洞布置一臺，正洞按500m直線距離布置，正洞轉橫洞布置1臺，橫洞按500m直線距離布置。

五、利用豎井通風后的效果

通風效果明顯：采用豎井通風后，大大縮短了送風、排煙距離，風損降低明顯，放炮后炮煙排出速度由30min降至15min以下。

經濟效益顯著：增加了兩個豎井，深度約220m，每米單價按2000元,總費用約44萬元。節(jié)約了1臺185*2kW軸流風機用電量投入，豎井位置到隧道出口長約4km，節(jié)約射流風機（電機功率30kW）8臺，工期約2年，電費按1元/度，（370+30*8）*2*1*12*2*24=70.3萬元，射流風機考慮2萬元/臺，節(jié)約16萬元，合計節(jié)約70.3-44+16=42.3萬元。

施工環(huán)境大大改善：洞內空氣質量明顯好轉，洞內溫度下降約5℃，工效明顯提升。

六、結語

紅石巖隧道是難點工程，要確保全線通車運營，紅石巖隧道按時貫通是關鍵。通過增加通風豎井，改善了洞內施工環(huán)境，確保了現場施工人員身心健康，加快了施工進度，同時節(jié)約了費用。