高海拔特長山嶺隧道施工通風(fēng)技術(shù)

張文坤

（中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000）

1 引言

近年來，我國建設(shè)項目逐年增多，隧道建設(shè)處于飛速發(fā)展的新時期，其中山嶺隧道的數(shù)量在不斷增加，建設(shè)規(guī)模也不斷增大。就國內(nèi)現(xiàn)狀而言，相較于中部及東部地區(qū)，西部地區(qū)隧道發(fā)展相對落后，以長遠(yuǎn)眼光來看，加速規(guī)劃西部公路建設(shè)將成為發(fā)展重點。由于西部地區(qū)獨特的地理位置，特高、特長隧道似乎已經(jīng)成為西部山嶺隧道建設(shè)的必然選擇。

由于地理和氣候的差異，在高原地區(qū)和平原地區(qū)特長山嶺隧道中的施工要求有所不同。高原地區(qū)有害氣體排放量大，同時施工人員需求新鮮空氣量大，由于是在特長山嶺隧道中施工，隨著隧道長度的增加，在施工中對隧道的通風(fēng)要求也越高，從而需要加大特長山嶺隧道施工中通風(fēng)設(shè)備的功率。高原地區(qū)的氣候與平原地區(qū)相比，隧道內(nèi)的空氣循環(huán)規(guī)律也存在差異，在高原地區(qū)山嶺隧道施工中不能運用平原地區(qū)的通風(fēng)技術(shù)［1］。因此，亟需一種適用于高海拔地區(qū)的特長山嶺隧道專項施工通風(fēng)技術(shù)。

2 工程概況及施工通風(fēng)重難點

2.1 工程概況

九綿高速平地螺旋隧道工程位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣勿角鄉(xiāng)境內(nèi)，設(shè)計為雙線四車道分離式特長隧道。左幅長3 727 m，右幅長3 600 m，縱坡2.4%，平曲線半徑左線 R783.615/Ls200/R860/Ls200，右線 R830/Ls250，拱頂最大埋深約436 m。洞門進口左、右幅均為抗偏壓端墻式洞門，出口左、右幅分別為抗偏壓端墻式洞門和柱式洞門。

在隧道的出口后段位置處設(shè)計長449 m、最大埋深110 m、縱坡為6.39%的斜井一處，洞門設(shè)計為端墻式。

2.2 隧道施工通風(fēng)重難點

（1）平地螺旋隧道處于高海拔山嶺地區(qū)，隧址海拔最高可達3 300 m，溝谷地貌發(fā)育，地形切割強烈，山坡較陡，平均坡度 30°～50°。

（2）隧址區(qū)海拔高，含氧量較少，氣壓偏低，隧道內(nèi)外存在氣壓偏差，通風(fēng)效果難控制。

（3）隧道線形為螺旋線形，使隧道內(nèi)空氣流通不暢，隧道送風(fēng)與排風(fēng)易受阻，風(fēng)速受線形原因損耗大。

（4）隧址位于野生大熊貓保護區(qū)域，對通風(fēng)除塵環(huán)保要求較高。

3 高海拔特長山嶺螺旋隧道施工通風(fēng)方式

常見的隧道通風(fēng)方式通常分為兩種：第一種是機械式通風(fēng)，第二種是自然式通風(fēng)。其中機械式通風(fēng)又通過其實施方式的區(qū)別細(xì)分為壓入式、巷道式、抽風(fēng)式、混合式四種通風(fēng)方式。但是選取何種通風(fēng)方式應(yīng)用在實際隧道工程中必須要考慮很多因素，如隧道的地理環(huán)境和施工環(huán)境，必須講究因地制宜。自然式通風(fēng)大都在短隧道中應(yīng)用，而對于長大山嶺隧道，一般選擇機械式通風(fēng)［2］，其在海拔高、隧道長的條件下能否有效通風(fēng)需要進一步深入研究。

（1）壓入式通風(fēng)

通過位于隧道外部的風(fēng)機，將隧道外的新鮮氣體運輸至隧道內(nèi)部，并將渾濁氣體擠壓至隧道外部，這就是壓入式通風(fēng)的原理［3］。該通風(fēng)方式有很多優(yōu)點，送風(fēng)距離長、效果好、對風(fēng)機的損害小等。但也存在很多缺點，比如風(fēng)阻隨著風(fēng)筒長度增加而增加，接頭處不容易密封等，見圖1。

圖1 壓入式通風(fēng)布置示意

（2）抽出式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)原理與壓入式通風(fēng)原理截然不同，隧道內(nèi)的污濁氣體由負(fù)壓風(fēng)管抽出，新鮮氣體則以自然通風(fēng)的方式于洞口處灌入［4］。采用抽出式通風(fēng)，其負(fù)壓風(fēng)管風(fēng)口與隧道內(nèi)的有毒有害氣體在同一空間，排出污濁氣體效果更好、所需通風(fēng)量更少，并且不會讓隧道整體烏煙瘴氣，能保持良好的施工環(huán)境。但由于負(fù)壓的原因，只能采用塑料硬管或鋼管，對材料的要求比較高，導(dǎo)致其造價較高，且存在裝卸不便的問題，從而洞內(nèi)形成良好施工環(huán)境所需時間較長，影響下一步工作的展開，對工期影響較大，見圖2。

圖2 抽出式通風(fēng)示意

（3）混合式通風(fēng)

壓入式、抽風(fēng)式相互融合即為混合式通風(fēng)。這種通風(fēng)方式工作時間短，效率高、施工進度快［5］。但混合式通風(fēng)所用儀器復(fù)雜、設(shè)備占用面積大，且噪聲污染較為嚴(yán)重，所以僅適用于大斷面長距離隧道，見圖3。

圖3 混合式通風(fēng)示意

（4）巷道式通風(fēng)

布設(shè)輔助坑道亦為一種較好的隧道通風(fēng)方式，并且輔助坑道、施工方法以及設(shè)備條件對巷道式通風(fēng)裝置、通風(fēng)方式的選擇影響很大，選擇巷道式通風(fēng)在很大程度上減少了施工成本的支出。由于風(fēng)管只在局部布設(shè)，使得裝置不僅在操作方面變得相對簡單，而且在通風(fēng)效率方面也有所提高［6］。但此通風(fēng)方式由于需要輔助坑道，增加了工程量，對隧道整體施工進度產(chǎn)生一定的影響，見圖4。

圖4 巷道式通風(fēng)示意

平地螺旋隧道獨頭掘進約1 800 m，需要綜合考慮各種情況，不僅需要考慮隧道內(nèi)通風(fēng)除塵的效果，還需分析現(xiàn)場實際狀況，平地螺旋隧道通風(fēng)方案擬采用獨頭壓入式通風(fēng)［7］。

4 高海拔山嶺螺旋隧道施工通風(fēng)技術(shù)方案

4.1 通風(fēng)計算和風(fēng)機選擇

4.1.1 風(fēng)量計算

（1）按隧道內(nèi)施工人員（施工人員≤100人，每人按3 m3/min）計算

Q＝100×3＝300 m3/min

（2）按允許平均風(fēng)速（正洞vp＝0.15 m/s，輔助坑道vp＝0.25 m/s）計算

正洞截面積＝90 m2，則：

Q＝0.15×60×90＝810 m3/min

（3）按照排除炮煙（有害物質(zhì)按100 PPm）計算

取一次掌子面爆破炸藥用量，以隧道正洞最大量計算單耗Q＝1.0 kg/m3，一個循環(huán)長度l＝3 m，則：1×90×3＝270 kg。

炮煙拋擲長度：

L0＝15＋G/5＝15＋270/5＝69 m

通風(fēng)時間t＝20 min（可根據(jù)實際情況選?。?。

（4）按照洞內(nèi)稀釋內(nèi)燃設(shè)備產(chǎn)生的廢氣（用額定功率系數(shù)法，CO按50 PPm）計算

取一個掌子面出洞渣時的最大運距s＝1 800 m，即功率P＝170 kW，自卸車3臺，按照功率3 m3/（min·kW）計算。

運輸車Q＝170×5×3＝2 550 m3/min。

（5）通風(fēng)機風(fēng)量

按隧道允許最低風(fēng)量vp＝810 m3/min和排除掌子面炮煙所需送風(fēng)量850 m3/min，掌子面風(fēng)量按照850 m3/min選取。計算結(jié)果見表1。

表1 隧道掌子面所需最大風(fēng)量

4.1.2 風(fēng)機風(fēng)壓計算

管道風(fēng)阻系數(shù)Rf＝6.5αL/D5

α為摩阻系數(shù)，一般取0.001 9～0.002 4，本文取0.002 2；L為風(fēng)管長度；D為風(fēng)管直徑。通過計算，掌子面風(fēng)壓見表2。

表2 隧道施工掌子面風(fēng)壓計算值

4.1.3 風(fēng)機型號選擇

為了滿足隧道內(nèi)所需要的風(fēng)壓和最大通風(fēng)量，通過計算最終選用風(fēng)機型號見表3，具體為天津同創(chuàng)152BD-2SE132型對旋式隧道風(fēng)機。

表3 各工區(qū)風(fēng)機型號及參數(shù)

4.2 通風(fēng)節(jié)能管理

（1）實施變風(fēng)量送風(fēng)管理

隨著隧道掘進長度逐漸增加，運渣車數(shù)量及排放廢氣的時間也相應(yīng)增加，不同施工階段所需風(fēng)量也不相同，即便是隧道施工全過程的同一作業(yè)循環(huán)過程中，各不同的施工工藝所需風(fēng)量也不同，即通風(fēng)量需隨工藝和現(xiàn)場情況而確定［8］。

（2）實施變風(fēng)量、雙風(fēng)管通風(fēng)及排煙系統(tǒng)

對長大輔助坑道的通風(fēng)而言，通過對比選擇，最終選用雙管壓入通風(fēng)，避免了在一開始就采用大風(fēng)機、大通風(fēng)管進行通風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)量過剩的問題［9］，減少了電量不必要的浪費，有利于施工的節(jié)能控制。

5 通風(fēng)效果分析

采用CFJD5型和CFJD25礦用電子式風(fēng)速表來檢驗獨頭壓入式通風(fēng)的工程效果［10］。依據(jù)現(xiàn)場施工狀況，對隧道內(nèi)部的風(fēng)速、粉塵濃度、有害氣體濃度開展監(jiān)測和數(shù)據(jù)研究，共設(shè)置了3處監(jiān)測點，距離洞口由近到遠(yuǎn)依次為監(jiān)測點3、監(jiān)測點2、監(jiān)測點1，監(jiān)測點2處于監(jiān)測點1和監(jiān)測點3的中間位置，監(jiān)測點1距洞口為150 m，監(jiān)測點3距洞口為50 m。3監(jiān)測點位置均相差50 m，且在隧道的軸心對稱線上，設(shè)計高度為2 m。在爆破完成后，測量15 min與30 min時各監(jiān)測點的氣體流動速度、粉塵與各有害氣體的密度等各項數(shù)據(jù)的變化率，見圖5～圖8。

圖5 通風(fēng)15 min后不同距離處有害氣體濃度

圖6 通風(fēng)15 min后不同距離處風(fēng)速

圖7 通風(fēng)30 min后不同距離處有害氣體濃度

圖8 通風(fēng)30 min后不同距離處風(fēng)速

由圖5與圖6可知，隧道通風(fēng)15 min后，隨著與洞口距離的增加，各有害氣體以及粉塵濃度逐漸降低，而風(fēng)速逐漸增大。風(fēng)速v＞10 m/s時，監(jiān)測點2處CO濃度最高，為26 mg/m3＜30 mg/m3，符合有害氣體濃度規(guī)范［11］。在監(jiān)測點3位置處，CO含量為129 mg/m3，粉塵和其他氣體含量都處于超標(biāo)狀態(tài)，通過分析最終結(jié)論為污濁氣體在通風(fēng)作用抵達監(jiān)測點3處所致。隧道襯砌及其他阻力作用對氣體流動產(chǎn)生影響［12］，從而導(dǎo)致v≈0.3 m/s。

根據(jù)圖7和圖8可知，隧道通風(fēng)30 min之后，距離隧道洞口150 m到掌子面處粉塵與有毒有害氣體濃度可忽略不計，且v≈10 m/s。監(jiān)測點2處的風(fēng)速v≈0.7 m/s，空氣粉塵和有毒有害氣體含量也可以忽略不計，即距離隧道洞口100 m處的有害氣體及粉塵濃度趨近于150 m處，說明在通風(fēng)30 min以后，隧道內(nèi)的污濁空氣基本排凈；在洞口50 m附近空氣粉塵和有害氣體含量也可忽略不計，風(fēng)速v≈0.1 m/s。通過數(shù)據(jù)分析可知，30 min后隧道內(nèi)的有毒氣體基本已排空，且氣流穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本文依托位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣勿角鄉(xiāng)境內(nèi)的山嶺隧道項目，對高海拔山嶺隧道施工通風(fēng)進行討論與分析，并得出以下結(jié)論：

（1）通過對比研究的方式，并結(jié)合現(xiàn)場情況，對諸多高海拔隧道通風(fēng)方式進行對比論證，最終選定獨頭壓入式通風(fēng)的通風(fēng)方式。

（2）通過對高海拔山嶺隧道施工各項通風(fēng)參數(shù)進行計算分析，制定出采用獨頭壓入式通風(fēng)的高海拔山嶺隧道通風(fēng)專項技術(shù)方案。

（3）通過在施工現(xiàn)場對隧道爆破施工后的粉塵與風(fēng)速進行監(jiān)測，證明了高海拔山嶺隧道施工通風(fēng)專項技術(shù)方案的可行性和有效性，為其他類似隧道施工通風(fēng)技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗。