滇西南軟巖隧道通風(fēng)方案設(shè)計及研究

王志成

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300450）

1 概述

玉磨鐵路是中老國際通道的重要組成部分，是國家戰(zhàn)略的重點工程，是中國鐵建主動融入和服務(wù)國家“一帶一路”的重要鐵路項目。大尖山隧道位于玉磨鐵路線寧洱站-普洱站區(qū)間，全長14.197 km。由于隧道為滇西南軟弱圍巖地質(zhì)，存在斷層破碎帶、巖溶、巖堆、滑坡等不良地質(zhì)情況，施工中經(jīng)常出現(xiàn)軟巖大變形、涌水、坍塌等破壞現(xiàn)象，整體施工難度大、施工風(fēng)險高、施工進(jìn)度緩慢。為確保隧道貫通工期滿足要求，決定在關(guān)鍵線路大尖山隧道3#斜井正洞中設(shè)置超前平行導(dǎo)洞，以增開工作面。在長大隧道多作業(yè)面復(fù)雜工況下，如何實現(xiàn)隧道正洞和平導(dǎo)正常通風(fēng)，保障施工人員身體健康和施工生產(chǎn)順利進(jìn)行成為當(dāng)前研究的課題［1-3］。

2 通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

隧道在施工過程中，作業(yè)環(huán)境采用的職業(yè)健康及安全標(biāo)準(zhǔn)如下:

（1）空氣中氧氣含量，按體積計不得小于20%。

（2）粉塵容許濃度，每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2 mg；每立方米空氣中含有10%以下的游離二氧化硅的礦物性粉塵不得大于4 mg。

（3）瓦斯隧道裝藥爆破時，爆破地點20 m內(nèi)，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.0%；總回風(fēng)道風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葢?yīng)小于0.75%。開挖面瓦斯?jié)舛却笥?.5%時，所有人員必須撤至安全地點并加強通風(fēng)。

（4）一氧化碳最高容許濃度為 30 mg／m3；在特殊情況下，施工人員必須進(jìn)入開挖工作面時，濃度可為100 mg／m3，但工作時間不得大于30 min。二氧化碳按體積計不得大于0.5%；氮氧化物（換算成NO2）為5 mg／m3以下。

（5）隧道內(nèi)氣溫不得高于28℃。

（6）隧道內(nèi)噪聲不得大于90 dB。

（7）隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)各項作業(yè)所需的最小風(fēng)量，每人應(yīng)供應(yīng)新鮮空氣4 m3／min。

（8）瓦斯隧道施工中防止瓦斯集聚的風(fēng)速不得小于1 m／s。

3 通風(fēng)方式選擇

鐵路隧道通風(fēng)方式通常分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)兩大類。機械通風(fēng)可以細(xì)分為風(fēng)管式、巷道式和風(fēng)道式通風(fēng)三類，其中風(fēng)管式通風(fēng)又可以細(xì)分為壓入式、吸出式和混合式通風(fēng)三種類型。大尖山隧道根據(jù)現(xiàn)場實際情況，堅持經(jīng)濟(jì)實用的原則，采用壓入式通風(fēng)方式。計算所涉及到的主要數(shù)據(jù)有隧道內(nèi)允許的最小風(fēng)速、一次爆破需排出的煙塵量、隧道內(nèi)允許同時工作的最多人數(shù)和機械設(shè)備總功率等，通過這些數(shù)據(jù)根據(jù)公式進(jìn)行計算，取最大結(jié)果作為控制風(fēng)量。大尖山隧道在施工中采用無軌運輸?shù)姆绞匠鲈?，所以在計算中需要將?nèi)燃機機械設(shè)備的總功率計算在控制風(fēng)量內(nèi)，并考慮排風(fēng)管道漏風(fēng)等影響因素，最終得到通風(fēng)設(shè)備所需要的最大供風(fēng)量［4-6］。

4 通風(fēng)量計算

大尖山隧道分為隧道進(jìn)口、1#雙向斜井、2#雙向斜井、3#雙向斜井、隧道出口共8個工作面進(jìn)行開挖，現(xiàn)以大尖山隧道3#斜井正洞為例進(jìn)行通風(fēng)計算。

4.1 計算依據(jù)

通風(fēng)量依據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q／CR 9653-2017）的規(guī)定，計算新鮮風(fēng)從洞外壓入掌子面，污風(fēng)從洞口排出所需要通風(fēng)總量。

（1）按洞內(nèi)同時作業(yè)的最多人數(shù)所需要的新鮮空氣，計算出Q1。

（2）按規(guī)定時間內(nèi)稀釋一次爆破使用最多炸藥量所產(chǎn)生的有害氣體達(dá)到允許的濃度，計算出所需的風(fēng)量Q2。

（3）根據(jù)不同的施工方法，按坑道內(nèi)規(guī)定的最小風(fēng)速，計算出所需的風(fēng)量Q3。

（4）當(dāng)隧道內(nèi)采用內(nèi)燃機械時，按施工作業(yè)隧道內(nèi)的內(nèi)燃設(shè)備總功率，計算出所需的風(fēng)量Q4。

（5）按上述方法計算后，取其中的最大值Qmax，最終確定洞內(nèi)所需的總供風(fēng)量。

4.2 計算參數(shù)確定

一次開挖斷面:正洞S＝115 m2、平導(dǎo)S＝45 m2。

一次爆破耗藥量:按一次開挖進(jìn)尺3 m考慮，正洞 362 kg、平導(dǎo) 148 kg。

洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù):正洞60人、平導(dǎo)30人。爆破后通風(fēng)排煙時間:t≤30 min。

4.3 需風(fēng)量計算

（1）按洞內(nèi)同時作業(yè)的最多人數(shù)所需的新鮮空氣計算Q1

式中，q為洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮空氣，取3 m3／min；m為洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)，正洞取60人；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.25。

（2）按爆破后排出炮煙需風(fēng)量計算Q2

式中，t為通風(fēng)時間，取30 min；G為同一時間起爆總藥量；A為斷面面積，取115 m2；L為掌子面滿足下一循環(huán)施工的長度，取200 m；q為單位耗藥量，取1.05 kg／m3；L為循環(huán)進(jìn)尺，取 3 m。

（3）按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量Q3

式中，S為最大斷面面積，取115 m2；V為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，取0.15 m／s。

（4）按內(nèi)燃機械設(shè)備總功率計算Q4

采用無軌運輸，洞內(nèi)機械設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃機械設(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；洞內(nèi)每個掌子面內(nèi)的通風(fēng)量由內(nèi)燃機的制造型號、結(jié)構(gòu)、燃料、負(fù)荷等因素綜合確定，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按每1 kW供風(fēng)量不小于3 m3／min考慮。

結(jié)合隧道斷面、地質(zhì)水文條件，綜合考慮各種工況組合，正洞出渣時掌子面使用的內(nèi)燃設(shè)備最多。具體機械設(shè)備配置為:4臺自卸汽車（210 kW）、2臺ZL50C型裝載機（功率163 kW）。

式中，K為規(guī)定的單位需風(fēng)量，取3 m3／min；Ni為內(nèi)燃機功率，單位kW，取機械設(shè)備的平均利用率為60%。

（5）根據(jù)上述計算結(jié)果，取其最大值作為通風(fēng)布置設(shè)計量Q設(shè)計

5 通風(fēng)設(shè)備配置及布置方案

大尖山隧道3#斜井正洞計劃分正洞大里程、正洞小里程、1-1橫通道、2-2橫通道四個作業(yè)面進(jìn)行施工。參照計算結(jié)果，本著經(jīng)濟(jì)合理和降低能耗的原則，根據(jù)洞內(nèi)工作面數(shù)量和風(fēng)阻情況，隨著隧道施工逐步推進(jìn)，分階段確定所需的通風(fēng)設(shè)備及安裝位置［7-9］。

（1）第一階段

平導(dǎo)未開，在斜井洞口布置2臺馭創(chuàng)軸流風(fēng)機，分別為1×ZVN1-14-160／4軸流風(fēng)機和3×ZVN1-14-110／4軸流風(fēng)機。一臺對正洞大里程進(jìn)行供風(fēng)，一臺對正洞小里程及平導(dǎo)供風(fēng)，見圖1。

圖1 第一階段通風(fēng)布置示意

（2）第二階段

正洞及平導(dǎo)進(jìn)尺較短，斜井洞口增加1臺3×ZVN1-14-250／4軸流風(fēng)機，在正洞小里程和1-1橫通道交叉處安裝三通風(fēng)管接口，由供應(yīng)正洞小里程的風(fēng)管一分為二，分別為正洞小里程及新增平導(dǎo)兩個工作面供風(fēng)，見圖2。

圖2 第二階段通風(fēng)布置示意

（3）第三階段

平導(dǎo)2-2橫通道打通進(jìn)入正洞施工，可在斜井底三岔口位置增加儲風(fēng)室，原洞口處的3×ZVN1-14-250／4和3×ZVN1-14-110／4兩臺軸流風(fēng)機移裝至儲風(fēng)室，同時在洞口處再新增一臺 ZVR1-25-250／6大功率軸流風(fēng)機向儲風(fēng)室推送新鮮空氣，再由風(fēng)室處設(shè)的軸流風(fēng)機向正洞大小里程及平導(dǎo)通風(fēng)，見圖3。

圖3 第三階段通風(fēng)布置示意

6 通風(fēng)施工技術(shù)要點

6.1 通風(fēng)布局要合理

（1）出風(fēng)口設(shè)置距離隧道口不小于30 m，目的是為了防止洞口循環(huán)風(fēng)回流到洞內(nèi)。

（2）在洞壁拱腰處，選擇合適位置懸掛通風(fēng)管，保證通風(fēng)管的懸掛位置不影響其它工序施工。

（3）風(fēng)管距離掌子面的距離控制在合理的范圍內(nèi)，防止因隧道爆破導(dǎo)致風(fēng)管受損，保證通風(fēng)效果良好。

6.2 長距離通風(fēng)中防止漏風(fēng)與降低風(fēng)阻的技術(shù)措施

（1）選擇材質(zhì)優(yōu)良的風(fēng)管是關(guān)鍵，一般為“雙抗”軟質(zhì)通風(fēng)管；優(yōu)先選擇具有增強效果的纖維塑膠布，主要是由于其表面材質(zhì)光亮、潔凈，且摩阻力較小，具有較好的抗靜電及防火、防水性能，通常情況下，使用壽命可達(dá)8年以上。

（2）為減少漏風(fēng)而導(dǎo)致的通風(fēng)效果不佳，在選擇風(fēng)管的過程中盡量加長風(fēng)管的節(jié)長，不但可以減少接頭的數(shù)量，同時還可以減少由于接頭過多而增加的加工、維保費用，常規(guī)設(shè)計風(fēng)管的節(jié)長需控制在50 m左右；根據(jù)掌子面銜接風(fēng)管的需要可以適當(dāng)配置少量節(jié)長為20 m的風(fēng)管。

（3）為更好地確保風(fēng)管使用情況穩(wěn)定，需從風(fēng)管加工工藝方面給予一定改進(jìn)與完善，即在距工作面200 m范圍的風(fēng)管要用混織膠布，并用強力膠粘貼以保障其牢固性，同時用強效塑膠布將洞口內(nèi)1 000 m范圍進(jìn)行固定，再用熱塑機進(jìn)行熱加工，確保風(fēng)管無漏點，密封良好。

（4）在進(jìn)行風(fēng)管的連接時，要嚴(yán)格控制風(fēng)管的接頭質(zhì)量，按順序?qū)L(fēng)管兩頭進(jìn)行順序?qū)樱?yán)格按照連接工藝及連接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，保證風(fēng)管連接處不漏風(fēng)、不變形，可以大大減少后續(xù)的維修工作量。

（5）風(fēng)管安裝過程中，對于懸吊纜索要進(jìn)行固定、拉直、打牢；風(fēng)管要采用雙吊環(huán)，相鄰吊環(huán)之間的間距要控制在500～600 mm以內(nèi)，并確保不發(fā)生破損、漏掛現(xiàn)象。

（6）巷道式通風(fēng)，在橫通道口處的擋風(fēng)墻必須用磚砌筑，密封到位，確保通風(fēng)效果。

6.3 做好洞內(nèi)防塵措施

洞內(nèi)防塵工藝基本采用水幕降塵、個人防護(hù)、濕式鑿巖和濕噴砼相結(jié)合的方式。

（1）噴霧降塵:洞內(nèi)放炮后，利用爆破沖擊波開啟風(fēng)水噴霧器，對掌子面進(jìn)行噴霧降塵；水幕降塵:在掌子面30 m處設(shè)置一臺光電控制自動水幕降塵器，對開挖區(qū)域封閉降塵并凈化空氣，噴射砼風(fēng)壓一般控制在0.15 MPa以內(nèi)，同時在噴射砼工作面設(shè)局部風(fēng)機和集塵儀。

（2）在裝渣前及裝渣作業(yè)過程中，向渣堆不斷噴水，保持石渣濕透不起塵。干燥的石渣，灑水量可取4～8 L／m3，若洞內(nèi)濕度較大，可以少噴水或不噴水。

（3）掘進(jìn)、裝渣及其它輔助作業(yè)工人需佩帶防塵口罩，噴射砼工作人員要佩帶附有凈化器和呼吸器的防塵護(hù)具。

（4）放炮后出渣前，用水槍在掘進(jìn)工作面自內(nèi)向外逐步洗刷隧洞頂板及兩側(cè)巖幫。水槍距工作面距離保持在15～20 m左右，水壓控制在0.3～0.5 MPa。

（5）采用濕噴工藝噴射砼時，通過添加粘稠劑、速凝劑等外加劑，或摻入一定比例的合成纖維，可以有效降低噴射砼的回彈量、抑制現(xiàn)場空氣中的粉塵濃度［10］。

6.4 完善通風(fēng)管理制度

成立以工程技術(shù)負(fù)責(zé)人為中心，由現(xiàn)場技術(shù)員、安全員、通風(fēng)檢測員、通風(fēng)維修管理員參與的通風(fēng)管理小組，負(fù)責(zé)隧道通風(fēng)系統(tǒng)各項設(shè)備的檢查、管理和維護(hù)工作，日常操作中嚴(yán)格按既定的通風(fēng)方案實施［11-12］。

（1）通風(fēng)檢測員應(yīng)定期檢測洞內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)量、氣溫、氣壓、有害氣體濃度等參數(shù)，并詳細(xì)記錄數(shù)值。一旦有害氣體濃度超標(biāo)時，要立即采取必要的應(yīng)急措施，并及時向上級主管報告處置。

（2）通風(fēng)機需配備保險裝置，發(fā)生故障時應(yīng)能自動停機；現(xiàn)場需備有適當(dāng)數(shù)量的備用風(fēng)機，確保施工連續(xù)不中斷。

（3）如通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)故障或洞內(nèi)通風(fēng)受阻，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件急劇惡化，所有人員應(yīng)盡快撤離現(xiàn)場，在通風(fēng)系統(tǒng)恢復(fù)至正常水平或經(jīng)全面檢查確認(rèn)洞內(nèi)無有毒有害氣體前，不得擅自入洞［13］。

7 結(jié)束語

在滇西南鐵路施工中，長大軟巖隧道通風(fēng)技術(shù)是普遍存在的技術(shù)難題。采取切實有效的措施快速通風(fēng)、減少施工作業(yè)循環(huán)時間、保證隧道內(nèi)新鮮空氣滿足施工需求，對加快隧道施工進(jìn)度，確保隧道施工安全和經(jīng)濟(jì)效益意義重大。隨著隧道施工技術(shù)和井巷工程技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)和通風(fēng)設(shè)備投入使用，隧道施工的通風(fēng)操作會變得更加簡便、快捷、高效，鐵路施工會更加安全、綠色、環(huán)保！