高鐵隧道斜井通風(fēng)方案與管理方法

任海鵬

摘? 要：在隧道施工過程中，為確保有限空間內(nèi)施工產(chǎn)生的有害氣體和粉塵等盡快排除，保證隧道施工的新鮮風(fēng)流，必須強化通風(fēng)建設(shè)和管理工作。該文以某高鐵隧道超長斜井施工為例，基于施工特征和通風(fēng)設(shè)計原則，制定相應(yīng)的通風(fēng)方案，并對通風(fēng)量和風(fēng)壓等進行計算，并制定相應(yīng)的通風(fēng)管理方法和措施，旨在為類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；超長斜井；施工特征；通風(fēng)設(shè)計；管理方法

中圖分類號：U453.5? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0147-04

Abstract： In the process of tunnel construction， in order to ensure that the harmful gas and dust produced by the construction in the limited space are removed as soon as possible， and to ensure the fresh air flow in the tunnel construction， the ventilation construction and management must be strengthened. Taking the construction of a super-long inclined shaft of a high-speed railway tunnel as an example， based on the construction characteristics and ventilation design principles， this paper formulates the corresponding ventilation scheme， calculates the ventilation volume and air pressure， and formulates the corresponding ventilation management methods and measures. The purpose of this study is to provide reference for the construction of similar projects.

Keywords： tunnel; super-long inclined shaft; construction characteristics; ventilation design; management method

目前，國內(nèi)隧道施工主要采用爆破和無軌運輸施工方式，且施工空間較為狹窄、密封，在有限空間內(nèi)各類機械設(shè)備施工產(chǎn)生的廢氣、爆破產(chǎn)生的粉塵等對隧道內(nèi)空氣污染大，極易對人員身心健康造成嚴(yán)重危害，且在滿足條件情況下，容易發(fā)生火災(zāi)等安全事故。而在超長隧道施工，或者特殊巖層條件施工，隧道內(nèi)空氣污染更為嚴(yán)重。為此，隧道施工必須嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，強化通風(fēng)建設(shè)管理，根據(jù)施工條件配備完善的通風(fēng)系統(tǒng)，為施工提供符合施工要求的新鮮風(fēng)流，確保作業(yè)人員的身心健康，加快施工進度，保證施工質(zhì)量和施工安全[1-3]。

1? 工程概況

某高鐵隧道斜井工區(qū)位于城口縣龍?zhí)镟l(xiāng)，斜井全長78 m，其中V級圍巖78 m。承擔(dān)正洞DK94+360-DK96+825段施工任務(wù)，長2 465 m，其中明洞20 m，Ⅲ級圍巖1 680 m，Ⅳ級圍巖445 m，V級圍巖20 m。隧道位于揚子地臺與秦嶺褶皺系縫合交接之強烈擠壓山岳地帶，隧址區(qū)內(nèi)最高點高程為1 480 m，地形上中間高，兩側(cè)低，進口端為半河一畔，出口端為任河高階地，次級溝谷與主要河流相垂直。區(qū)內(nèi)山峰具綿綿相連特征，巍峨險峻，坡陡谷深，地形起伏大，河流切割強烈，溝谷多成“V”字型，溝谷兩側(cè)地形陡峭，斜坡坡度一般在45°以上，并多呈陡崖狀。受逆沖推覆構(gòu)造作用影響以及城巴大斷裂的控制，斷裂以北震旦系代安河組、前震旦系耀嶺河群地層單斜并倒轉(zhuǎn)，城巴大斷裂影響范圍內(nèi)擠壓構(gòu)造作用強烈，巖體擠壓破碎。測區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2? 通風(fēng)方案設(shè)計

2.1? 通風(fēng)設(shè)計原則

隧道進口斜井工區(qū)無瓦斯氣體，洞口采用長管路壓入式通風(fēng)，由洞外經(jīng)長風(fēng)管將新鮮風(fēng)送至工作面，污風(fēng)沿隧道排出。根據(jù)承擔(dān)的施工任務(wù)，城口隧道進口斜井洞口布置2臺2×110 kW軸流風(fēng)機。作為主要的通風(fēng)機，必須滿足隧道施工洞內(nèi)新鮮風(fēng)流的供應(yīng)，所以通風(fēng)機的安設(shè)位置必須選擇在洞外或洞內(nèi)無污風(fēng)環(huán)境中，以免造成污風(fēng)循環(huán)使用，影響安全施工。通風(fēng)管布置應(yīng)遵循下列規(guī)定。

1）為了給隧道施工洞內(nèi)提供充足的新鮮風(fēng)流，減少風(fēng)流在運輸過程中的損失，以及避免風(fēng)管接頭漏風(fēng)等情況，通風(fēng)管應(yīng)當(dāng)在滿足條件情況下節(jié)長盡量加大，以便減少接頭數(shù)量，且要保證節(jié)與節(jié)之間的接頭密封嚴(yán)密，而隨著隧道的不斷掘進，通風(fēng)管節(jié)數(shù)也在不斷增加，必須強化通風(fēng)管巡查和維護。通風(fēng)管拐彎處彎曲半徑應(yīng)當(dāng)大于通風(fēng)管直徑的3倍，避免通風(fēng)管拐彎角度小而造成通風(fēng)受阻。

2）通風(fēng)管路安裝完成后應(yīng)調(diào)整至整個風(fēng)路平、直、無扭曲和褶皺。

3）壓入通風(fēng)管靠近工作面的距離可根據(jù)具體情況確定，且必須滿足下列要求：開挖工作面附近風(fēng)速及瓦斯?jié)舛缺仨殱M足安全要求；風(fēng)管出風(fēng)口距工作面的距離不宜大于15 m。

2.2? 通風(fēng)方案

隧道斜井口采用壓入式通風(fēng)，設(shè)一臺SDF-NO12.5（2×110 kW）型軸流風(fēng)機，配以？準(zhǔn)1 800 mm軟質(zhì)風(fēng)管，風(fēng)管軟質(zhì)雙抗（抗燃燒、抗靜電）風(fēng)管，并預(yù)留置一臺SDF-NO12.5（2×110 kW）型軸流風(fēng)機備用。壓入式通風(fēng)機裝設(shè)在洞外30 m位置，避免污風(fēng)循環(huán)。為了保證隧道內(nèi)新鮮風(fēng)流滿足要求，通風(fēng)機必須保持持續(xù)正常運轉(zhuǎn)，這就要求：①通風(fēng)機必須具備2路啟動電源，保證通風(fēng)機用電穩(wěn)定，并安設(shè)必要的風(fēng)電閉鎖裝置，當(dāng)一路電源停止供電，另一路電源必須在規(guī)定時間內(nèi)接通，還應(yīng)當(dāng)加強通風(fēng)機電源日常維護和監(jiān)管。②為了避免通風(fēng)機自身發(fā)生故障，影響隧道正常通風(fēng)，通風(fēng)機需要設(shè)置“一用一備”，備用通風(fēng)機應(yīng)當(dāng)與使用通風(fēng)機具同等性能，并時刻保持能夠正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。③瓦斯隧道內(nèi)避免發(fā)生火災(zāi)等事故，必須選擇抗靜電、阻燃的風(fēng)管。④隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)管口距離掌子面小于15 m，每100 m的風(fēng)管傳輸風(fēng)流的損耗應(yīng)當(dāng)控制在1%以內(nèi)。

隧道進口斜井第一、第二階段通風(fēng)示意圖如圖1、圖2所示。

2.3? 通風(fēng)計算

2.3.1? 作業(yè)人員呼吸供風(fēng)

作業(yè)人員呼吸供風(fēng)量Q1=qmk，其中：q為每人每分鐘呼吸所需空氣量，取4 m3/min；m為同時工作人數(shù)，取80人；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取值1.2，得出供風(fēng)量為384 m3/min。

2.3.2? 內(nèi)燃機設(shè)備供風(fēng)

內(nèi)燃機設(shè)備供風(fēng)量Q2=qK1K2？撞N，其中：q為內(nèi)燃機械需空氣量，取4 m3/（min·kW）；K1為內(nèi)燃機功率使用有效系數(shù)，取0.6；K2為內(nèi)燃機功率工作系數(shù)，取0.8；？撞N為內(nèi)燃機功率之和（kW）（考慮裝載機168 kW一臺，挖機112 kW一臺，出渣車262 kW 3臺、其他100 kW），得出內(nèi)燃機設(shè)備供風(fēng)為2 238.7 m3/min。

圖1? 隧道進口斜井第一階段通風(fēng)示意圖

圖2? 隧道進口斜井第二階段通風(fēng)示意圖

2.3.3? 允許最低平均風(fēng)速供風(fēng)

允許最低平均風(fēng)速供風(fēng)Q3=60 AV，其中：A為隧道開挖斷面面積（m2）；V為允許最小風(fēng)速（m/s），隧道開挖時通風(fēng)風(fēng)速，全斷面開挖時取0.15m/s，分部開挖時取0.25 m/s。得出允許最低平均風(fēng)速供風(fēng)1 800 m3/min。

2.3.4? 爆破散煙供風(fēng)

混合式通風(fēng)壓入風(fēng)量：Q4hy=7.8×■/t，其中：Q4hy為壓入通風(fēng)量（m3/min）；Ly為壓風(fēng)管口至工作面距離，不大于15 m；S為隧洞的斷面積（m2）；Q為同時爆破的炸藥量（kg）；t為通風(fēng)時間（min）。得出爆破散煙供風(fēng)量為314.6 m3/min。

則需求風(fēng)量為Qx=max（Q1，Q2，Q3，Q4hy）=2 239 m3/min；

供給風(fēng)量為Qg=PCQx，漏風(fēng)系數(shù)PC=1/（（1-？茁）∧（L/100）），風(fēng)管百米漏風(fēng)率？茁=1%；則在不同工況下，可以利用上述公式計算工點施工供給風(fēng)量Qg，例如隧道進口斜井，長度為2 543 m，漏風(fēng)系數(shù)為1.29，則供給風(fēng)量為3 014 m3/min。

2.4? 風(fēng)壓計算

風(fēng)壓顧名思義是風(fēng)流由通風(fēng)機通過通風(fēng)管傳輸至隧道施工地點，為隧道施工提供滿足要求的風(fēng)量的能力，即風(fēng)流在運輸過程中能夠克服阻力的能量，表現(xiàn)在數(shù)值上等于各項阻力（包括摩擦阻力和局部阻力等）的和。所以，風(fēng)壓在計算的時候應(yīng)當(dāng)綜合考慮，為了滿足風(fēng)流傳輸損耗，在采用機械通風(fēng)時，通風(fēng)機的風(fēng)壓應(yīng)當(dāng)大于通風(fēng)管的阻力。隧道施工點風(fēng)流應(yīng)當(dāng)保持一定的風(fēng)速，能夠?qū)⑺淼朗┕さ攸c的污風(fēng)外排，保持隧道新鮮風(fēng)流量，這就要求風(fēng)機提供的風(fēng)壓同時滿足風(fēng)速要求和克服阻力要求。通風(fēng)機應(yīng)具備的風(fēng)壓為：風(fēng)機壓力P應(yīng)大于等于總的風(fēng)阻PZ，風(fēng)阻主要包括動態(tài)風(fēng)壓PD、摩擦阻力PM和局部阻力PJZ等，即P≥PZ=PD+PM+PJZ。

1）動態(tài)風(fēng)壓PD=234.04 Pa，動態(tài)風(fēng)壓主要受空氣密度？籽、風(fēng)速等參數(shù)影響，其中根據(jù)施工現(xiàn)場空氣密度監(jiān)測結(jié)果取值為1.2 kg/m3，風(fēng)速主要和風(fēng)管管徑有關(guān)系，現(xiàn)場風(fēng)管選擇為Φ1.8 m。計算公式如下

PD=？籽V2/2。（1）

2）摩擦阻力PM=3 885 Pa? ?。

PM=6.5×？琢×L×（Q/60）×2/d? ? ， （2）

式中：？琢為風(fēng)阻系數(shù)，取0.001 6；L為隧道通風(fēng)長度（軸流風(fēng)機吸入新鮮風(fēng)長度，根據(jù)實際情況調(diào)整計算通風(fēng)阻力）。

3）局部阻力PJZ=388.5 Pa：局部壓力損失，局部阻力PJZ按照總風(fēng)阻的10%考慮，而在風(fēng)流不轉(zhuǎn)彎，風(fēng)管斷面不變化時，可不予考慮，即局部阻力為0。由于在各階段通風(fēng)時風(fēng)帶均有部分彎折，因此，在通風(fēng)時按PJZ=PZ×10%。

則總風(fēng)阻PZ=PD+PM+PJZ=234.04+3 885+388.5=4 507.54 Pa，通過以上計算，系統(tǒng)風(fēng)壓應(yīng)大于4 507.54 Pa。

3? 通風(fēng)管理

根據(jù)隧道通風(fēng)要求及參數(shù)計算結(jié)果，各工點通風(fēng)設(shè)備選型及數(shù)量，見表1。

為了保證隧道施工有效通風(fēng)，必須強化通風(fēng)管理，確保風(fēng)機正常運行及風(fēng)量充足。

1）建立瓦斯通風(fēng)監(jiān)控、檢測的組織系統(tǒng)，全程監(jiān)測瓦斯和通風(fēng)狀況，必須實行24 h不間斷通風(fēng)，最低風(fēng)速不應(yīng)小于0.25 m/s，防止瓦斯積聚的風(fēng)速不宜小于1 m/s。

2）隧道內(nèi)聚集瓦斯，每個施工工作面都必須采用獨頭通風(fēng)，嚴(yán)禁采用串聯(lián)通風(fēng)，以免發(fā)生通風(fēng)混亂，造成有限空間內(nèi)瓦斯積聚，對安全生產(chǎn)造成威脅。

3）瓦斯隧道必須制定主要通風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)的應(yīng)急預(yù)案。因檢修、停電或其他原因停止主要通風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，必須立即停止工作、切斷電源，將洞內(nèi)人員全部撤出，并制定停風(fēng)和恢復(fù)正常通風(fēng)的措施。

4）使用局部通風(fēng)機進行施工通風(fēng)的施工場所，如果出現(xiàn)因設(shè)備故障、供電異常、通風(fēng)檢修等原因風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)，現(xiàn)場必須執(zhí)行撤人、電源切斷保護、設(shè)置警戒等應(yīng)急措施。而在恢復(fù)供風(fēng)前，必須安排瓦檢員對隧道施工現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛冗M行檢查，并按照如下標(biāo)準(zhǔn)進行各項檢核，符合所有標(biāo)準(zhǔn)后方能供風(fēng)：聽風(fēng)區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛确瞎╋L(fēng)要求，不超過1%，且局部通風(fēng)機及相符電氣設(shè)備開關(guān)等20 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀^0.5%，尤其要對施工死角內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M行檢定，避免局部瓦斯積聚。如果瓦檢員現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果瓦斯?jié)舛瘸?，?yīng)當(dāng)及時采取相應(yīng)的排放瓦斯措施。

5）瓦斯工區(qū)施工通風(fēng)設(shè)備設(shè)施管理應(yīng)符合下列規(guī)定：①主要通風(fēng)機和局部通風(fēng)機必須指定專職人員負(fù)責(zé)、掛牌管理。當(dāng)工作通風(fēng)機需要停運時，必須先啟動備用通風(fēng)機，嚴(yán)禁出現(xiàn)先停后啟動或主、備通用風(fēng)機均停止運行的情況。②應(yīng)定期對風(fēng)管等通風(fēng)設(shè)施進行檢查，并指定專人進行維修和保養(yǎng)。③瓦斯隧道內(nèi)外均應(yīng)設(shè)置測風(fēng)牌板。④通風(fēng)管理人員至少每月檢查1次主要通風(fēng)機，每15天至少進行一次風(fēng)電閉鎖和瓦電閉鎖試驗，每天應(yīng)進行一次正常工作的局部通風(fēng)機與備用通風(fēng)機自動切換試驗，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理。試驗記錄要存檔備查。

6）通風(fēng)系統(tǒng)的管理應(yīng)符合要求，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，以及隧道內(nèi)施工現(xiàn)場是否具備安全生產(chǎn)的新鮮風(fēng)流是強化通風(fēng)系統(tǒng)管理的關(guān)鍵，這就要求除了施工現(xiàn)場對風(fēng)流的日常監(jiān)測外，施工單位和監(jiān)理單位必須定期開展通風(fēng)設(shè)備、風(fēng)速、風(fēng)流等整個通風(fēng)系統(tǒng)的集中巡查，組建通風(fēng)管理組對通風(fēng)系統(tǒng)進行日常監(jiān)管維護，確保通風(fēng)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。除此之外，對正常運轉(zhuǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)定期進行全面測風(fēng)，按照風(fēng)速、風(fēng)壓、漏風(fēng)率等參數(shù)設(shè)置要求等進行嚴(yán)格把關(guān)。通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整期間加密測量，并做好記錄。

4? 施工通風(fēng)安全技術(shù)措施

4.1? 風(fēng)機安裝

1）風(fēng)機是通風(fēng)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的機電設(shè)備，為了避免因通風(fēng)機損傷等事故造成通風(fēng)受阻，安置風(fēng)機要確保風(fēng)機的穩(wěn)定，這就要求風(fēng)機支架位置選擇合理、支架架設(shè)穩(wěn)固結(jié)實，而隧道施工現(xiàn)場大型設(shè)備運轉(zhuǎn)，更容易發(fā)生振動等現(xiàn)象，更應(yīng)注重基礎(chǔ)穩(wěn)定。

2）為了避免因通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整、風(fēng)管移動等影響風(fēng)機穩(wěn)定，風(fēng)機出口處嚴(yán)禁直接和硬風(fēng)管連接，應(yīng)采用加強型柔性管作為過渡管，且要注重柔性管與風(fēng)機的連接口風(fēng)現(xiàn)象。

3）施工現(xiàn)場較為復(fù)雜，人員、車輛、材料等都會對風(fēng)機的正常運轉(zhuǎn)造成影響，所以必須要加強通風(fēng)機的日常防護工作，設(shè)置保險裝置，設(shè)置圍護欄和警示牌，通風(fēng)機通風(fēng)扣加設(shè)鐵箅，并嚴(yán)禁在通風(fēng)機周圍5 m范圍內(nèi)堆放雜物等，日常管理人員應(yīng)當(dāng)加強巡視，發(fā)現(xiàn)存在影響通風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)立即處理。

4）當(dāng)巷道內(nèi)的風(fēng)速小于通風(fēng)要求最小風(fēng)速時，可布設(shè)射流風(fēng)機來卷吸升壓，提高風(fēng)速。

5）隧道內(nèi)工作空間較為狹小，通風(fēng)機械的移動和轉(zhuǎn)運較為困難，除此之外，在通風(fēng)機械移動過程中可能發(fā)生通風(fēng)受阻、風(fēng)流減小等現(xiàn)象，所以在隧道內(nèi)進行風(fēng)機移動，采用小平板車進行，且要做好風(fēng)機支架的提前預(yù)設(shè)，風(fēng)機移動要有序進行，逐個移動，保證隧道施工現(xiàn)場的新鮮風(fēng)流和空氣循環(huán)。

4.2? 風(fēng)管安裝

1）風(fēng)管的選擇要注重質(zhì)量的把關(guān)，以及應(yīng)用場地的適應(yīng)。風(fēng)管必須選擇具有合格證的合格風(fēng)管，并且在安裝風(fēng)管前要對風(fēng)管進行外觀基本檢查，查看風(fēng)管是否存在破損、開裂等現(xiàn)象，風(fēng)管與風(fēng)管的連接要確保接口粘結(jié)穩(wěn)固、嚴(yán)密，避免接口處漏風(fēng)。為了提升風(fēng)管的應(yīng)用時限，消除風(fēng)管引起的安全事故，風(fēng)管選擇應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮高強度、耐磨損、抗靜電、阻燃的軟質(zhì)風(fēng)管。

2）為了將風(fēng)流在風(fēng)管內(nèi)傳輸?shù)膿p耗量降到最低，風(fēng)管掛設(shè)應(yīng)當(dāng)堅持平、直、無扭曲和褶皺等原則，掛設(shè)間距、掛設(shè)高度、掛設(shè)支撐等都要遵循風(fēng)管掛設(shè)的基本原則，必要時要采用測量找平等拉線。為避免鐵絲受沖擊波振動、洞內(nèi)潮濕空氣腐蝕等原因造成斷裂，每10 m增設(shè)1個尼龍繩掛圈。

3）在風(fēng)管安設(shè)過程中，以及日常通風(fēng)系統(tǒng)巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)管出現(xiàn)破損漏風(fēng)等現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)及時進行破損處修補或風(fēng)管的更換，當(dāng)采用軟風(fēng)管時，靠近風(fēng)機部分，應(yīng)采用加強型風(fēng)管。

4）風(fēng)管最前端距掌子面不小于15 m，并且前55 m采用可折疊風(fēng)管，以便放炮時將此55 m迅速縮至炮煙拋擲區(qū)以外。

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