隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U453.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.03.038

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0134-05

0 引言

隧道施工時(shí)，通常會(huì)釋放高溫、粉塵以及有毒有害氣體，如果隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，隧道內(nèi)將長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，且無(wú)法有效排出粉塵和二氧化碳等有毒有害氣體，將直接影響施工效率以及作業(yè)人員的身體健康[1]。合理設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)于保證施工進(jìn)度和質(zhì)量，以及確保人員安全具有重大意義[2。在通常情況下，隧道施工經(jīng)常采用一條通風(fēng)管道直接對(duì)施工面進(jìn)行壓入式或抽出式通風(fēng)。采用此通風(fēng)方案不僅通風(fēng)效率低，而且還會(huì)造成施工區(qū)域溫度高、粉塵無(wú)法排除、二氧化碳濃度高等結(jié)果[3]。另外，該方案并不適用于隧道斜井（橫洞）進(jìn)入隧道主洞后往主洞進(jìn)出口挖掘這一段的施工。國(guó)內(nèi)多名學(xué)者對(duì)特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)需要進(jìn)行了研究。唐偉超[4設(shè)計(jì)了多種利用斜井布置管道的通風(fēng)方案。孫鵬[5]提出了兩種不同的隧道橫向通風(fēng)方式，但需要另外從斜井施工橫向通道，增加了工程量。蔣鴻彬改進(jìn)了傳統(tǒng)通風(fēng)技術(shù)，提出采用壓入式接力通風(fēng)來(lái)設(shè)計(jì)特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)，但需要設(shè)置多臺(tái)射流機(jī)。以上通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并未考慮對(duì)空氣降溫，而洞外空氣常處于高溫狀態(tài)，將熱空氣輸入隧道未能有效改善工作環(huán)境。另外，空氣監(jiān)測(cè)和通風(fēng)系統(tǒng)并未結(jié)合，不能及時(shí)根據(jù)洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。

基于此，本文基于隧道施工斜井（橫洞）進(jìn)主洞，提出了一種改進(jìn)型通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要改進(jìn)措施包括：

（1）引入制冷設(shè)備對(duì)洞外空氣進(jìn)行預(yù)冷處理，然后向洞內(nèi)輸送經(jīng)過(guò)降溫的冷空氣，以降低洞內(nèi)溫度。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)空氣的溫度、粉塵和二氧化碳濃度等關(guān)鍵空氣質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整制冷設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行功率，以優(yōu)化空氣質(zhì)量。

（3）將送風(fēng)和排風(fēng)相結(jié)合，排風(fēng)管口設(shè)置在送風(fēng)管口的下方，利用熱空氣上升將熱空氣排出，提高通風(fēng)效率。

（4在通風(fēng)管道的轉(zhuǎn)角處，采用金屬波紋管替代傳統(tǒng)的聚乙烯材質(zhì)，減少通風(fēng)過(guò)程中的流量損失，同時(shí)在金屬波紋管上焊接金屬薄片均勻分配風(fēng)流，提高通風(fēng)效果。

本文提出的隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道快速通風(fēng)降溫，保障施工面的工作環(huán)境良好，以期為類似工程施工提供技術(shù)參考。

隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1所示，包括送風(fēng)裝置、排氣裝置、降溫裝置和監(jiān)控設(shè)備等。

其中，送風(fēng)裝置包括送風(fēng)主管、兩根送風(fēng)支管以及鼓風(fēng)機(jī)。兩根送風(fēng)支管水平設(shè)置在隧道主洞內(nèi)遠(yuǎn)離隧道橫洞的一側(cè)，出風(fēng)口分別朝向隧道主洞的兩端。送風(fēng)主管穿設(shè)隧道橫洞，其一端與兩根送風(fēng)支管相連，另一端連接鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與降溫裝置相連，降溫裝置位于隧道橫洞之外。經(jīng)降溫處理的空氣通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)輸入送風(fēng)主管、支管，最后到達(dá)隧道主洞，達(dá)到通風(fēng)降溫的目的。

排氣裝置包括排氣主管、兩根排氣支管以及抽風(fēng)機(jī)。兩根排氣支管水平設(shè)置在隧道主洞內(nèi)靠近隧道橫洞的一側(cè)，并分別朝向隧道主洞的兩端。排氣主管穿設(shè)隧道橫洞，其一端與兩根排氣支管相連，另一端連接抽風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，抽風(fēng)機(jī)位于隧道橫洞之外。當(dāng)抽風(fēng)機(jī)工作時(shí)，隧道主洞內(nèi)粉塵和熱氣隨著排氣支管進(jìn)入排氣主管，接著排出隧道主洞外。

由于冷空氣的密度比熱空氣大，在隧道中，熱空氣向上流動(dòng)，冷空氣向下流動(dòng)。為使降溫通風(fēng)效果更好，將送風(fēng)支管安裝于主洞的下部，排氣支管安裝于主洞的上部，這樣能更快地排出熱空氣和輸入冷空氣。

在送風(fēng)主管和排氣主管與支管的連接位置分別設(shè)置分流擋板，確?？諝馄骄至?。主管和支管在轉(zhuǎn)角位置采用金屬波紋管連接，使拐彎處保持圓順，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度彎折的情況，避免形成折角而減少通風(fēng)流量。同時(shí)加裝金屬流擋板與金屬波紋管焊接，以平均分流空氣。

降溫裝置對(duì)輸向隧道主洞內(nèi)的空氣進(jìn)行降溫，將其設(shè)置在隧道橫洞外。如圖2所示，降溫裝置包括儲(chǔ)水容器、冷卻管以及水泵。儲(chǔ)水容器設(shè)置有對(duì)箱內(nèi)水進(jìn)行降溫的制冷器。水泵用于抽水至箱體內(nèi)，箱體還設(shè)置有排水管和排水閥，方便進(jìn)行排水管理。冷卻管設(shè)置在箱體內(nèi)，其兩端分別穿出箱體的相對(duì)兩側(cè)，一端與鼓風(fēng)機(jī)相連。為增大接觸面積，提高降溫效果，冷卻管螺旋設(shè)置在金屬內(nèi)模中。制冷器工作時(shí)，對(duì)儲(chǔ)水容器內(nèi)的水進(jìn)行降溫，形成冷卻水，再通過(guò)冷卻水對(duì)經(jīng)過(guò)冷卻管內(nèi)的空氣進(jìn)行降溫，經(jīng)過(guò)降溫的冷空氣在鼓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下被傳送至隧道主洞內(nèi)。降溫裝置需要用水，可設(shè)在沖溝水源旁邊或者打井取水，如不具備這些條件可采用外部水源。

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的空氣狀況，在隧道主洞內(nèi)設(shè)置溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器以及粉塵濃度傳感器。在隧道橫洞之外設(shè)置監(jiān)控室，監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置有控制器和顯示器。溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、制冷器、鼓風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)以及顯示器均與控制器進(jìn)行電性連接，如圖3所示。

控制器管理鼓風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)和制冷器，根據(jù)隧道內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量調(diào)整功率。當(dāng)溫度過(guò)高或二氧化碳及粉塵濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)增大設(shè)備功率以快速調(diào)節(jié)溫度和改善空氣質(zhì)量。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)顯示在屏幕上，方便工作人員監(jiān)控和調(diào)整。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文隧道通風(fēng)方案應(yīng)用于某山區(qū)高速公路隧道施工。該隧道為雙洞單向交通行車兩車道分離式小凈距特長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 5.6km ，單洞凈寬 11.5m ，凈高 5m. 0受地形限制，無(wú)法直接從兩端開挖。施工進(jìn)洞方案為先橫向施工斜井，接入主洞后再縱向開挖隧道主洞。斜井長(zhǎng)度為 162m ，縱坡為 -2.2% ，凈寬7.25m，凈高5m。洞口附近有山谷地表水匯集所成的河流，滿足通風(fēng)系統(tǒng)用水，如圖4所示。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)布置

斜井施工完成后，在隧道主洞施工時(shí)采用本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)。送風(fēng)主管和排氣主管直徑為 1.8m ，送風(fēng)支管和排氣支管直徑為 1.2m ，所有管道均為柔性管道，主管和支管采用金屬波紋管連接。所有管道采用可調(diào)整高度支架立于洞中，排氣管道在上，送風(fēng)管道在下。溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器以及粉塵濃度傳感器采用移動(dòng)式支架放置在掌子面附近，離地1. 5m 。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T3660一2020）（以下簡(jiǎn)稱技術(shù)規(guī)范）計(jì)算得到隧道施工最小風(fēng)量為 1200m³/min 鼓風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、制冷器相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

3.1降溫效果

本節(jié)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效果進(jìn)行研究。此時(shí)隧道主洞左右兩側(cè)進(jìn)洞 30m ，因變化規(guī)律相同，只針對(duì)大樁號(hào)方向開挖施工時(shí)的溫度變化進(jìn)行研究。比較制冷設(shè)備開啟前后的通風(fēng)效果，并且在開啟通風(fēng)裝置前，先將制冷器功率設(shè)置為最大，待冷卻水降溫至5℃后，再開啟鼓風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)并以最大功率運(yùn)行。排氣口和送風(fēng)口距離施工面分別為9m和1m，送風(fēng)管道位于地面，排氣管道離地高度為3m。斜井外環(huán)境溫度為29.4℃，每隔1min記錄施工面溫度。

如圖5所示為在兩種不同通風(fēng)條件下，即開啟制冷設(shè)備和未開啟制冷設(shè)備的情況下，施工面溫度隨時(shí)間的變化情況。未制冷時(shí)，施工面在開始通風(fēng)前的溫度為37.6° ；開啟通風(fēng)后，施工面溫度在3～18min逐漸降低，最后溫度穩(wěn)定在31.1℃。開啟制冷后，在開始通風(fēng)前，施工面溫度為37.6℃；在開始通風(fēng)后，施工面在 ：0～3min 降溫較緩慢，在 3～14 min快速降溫，15min后降溫效果減弱，隨后逐漸達(dá)到穩(wěn)定溫度 。未開啟制冷而對(duì)隧道輸送空氣時(shí)，輸送給隧道的空氣為外界環(huán)境空氣，盡管排風(fēng)管道帶走了隧道洞內(nèi)的一部份熱量，但并不能充分降溫。經(jīng)熱量交換達(dá)到平衡后，隧道溫度保持在稍大于外界環(huán)境溫度，降溫幅度受外界環(huán)境溫度影響。相比之下，開啟制冷設(shè)備后，輸送冷空氣與排出熱空氣形成氣流循環(huán)，能快速將熱空氣排出洞外。因此，本文提出的通風(fēng)方案能夠顯著提高施工面的降溫效率。

3.2除塵和二氧化碳排放效果

當(dāng)隧道采用機(jī)械開挖時(shí)將產(chǎn)生大量粉塵和有毒有害氣體。如圖6和圖7所示分別記錄了某次隧道爆破施工完成后立即進(jìn)行通風(fēng)，二氧化碳和粉塵濃度隨時(shí)間的變化情況。爆破后，測(cè)得二氧化碳濃度達(dá)到32500ppm，而粉塵濃度為 183mg/m³ 。隨著通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行，兩者的濃度均迅速降低。在12min時(shí)二氧化濃度為8600ppm，在17min時(shí)為3700，滿足技術(shù)規(guī)范中的要求。

同樣，粉塵濃度在21min時(shí)為 4mg/m³ ，在23min時(shí)為1.8mg/m³ ，達(dá)到規(guī)范要求。這些數(shù)據(jù)表明本文提出的通風(fēng)方案能夠有效地在短時(shí)間內(nèi)降低粉塵和二氧化碳的濃度，達(dá)到快速減少隧道內(nèi)部污染物含量的目的。

3.3金屬波紋管連接效果

本文提出的通風(fēng)系統(tǒng)在通風(fēng)管道的轉(zhuǎn)角部位采用金屬波紋管進(jìn)行連接。如圖8和圖9所示，相較于傳統(tǒng)的聚乙烯材料，金屬波紋管能夠支撐截面不變形，使管道拐彎處的設(shè)計(jì)更為圓滑，有效避免了因折角導(dǎo)致的通風(fēng)阻力增加。另外，這種設(shè)計(jì)確保了通風(fēng)管道在拐角處的截面不會(huì)產(chǎn)生較大變化，從而維持了通風(fēng)面積和送風(fēng)量的穩(wěn)定，進(jìn)而提高了空氣輸送的效率。設(shè)置排氣口和送風(fēng)口距離施工面分別為9m和 1m ，送風(fēng)管道位于地面，排氣管道離地高度為 3m ，深入比較兩種不同連接形式在實(shí)際應(yīng)用中的性能差異。

如圖10所示，對(duì)比了兩種不同管道連接方式在降溫效果上的差異。使用金屬波紋管時(shí)，洞內(nèi)溫度在20min內(nèi)從36.1℃下降至22.7℃。相比之下，使用聚乙烯管時(shí)，在20min降至25.3℃，在25min后進(jìn)一步降至24.5℃并且不再下降，可見降溫效果不如采用金屬波紋管。如圖11和圖12所示，記錄了兩次初始二氧化碳和粉塵濃度相近時(shí)，通風(fēng)后兩者濃度隨時(shí)間的變化情況。使用金屬波紋管時(shí)，二氧化碳和粉塵濃度分別在16min和17min內(nèi)降至安全標(biāo)準(zhǔn)以下。而使用聚乙烯管時(shí)，這一過(guò)程分別需要24min和27min，說(shuō)明其除塵和二氧化碳排放的效率也低于金屬波紋管。經(jīng)研究分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察，聚乙烯管材在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)了折角，導(dǎo)致通風(fēng)截面減小，影響了通風(fēng)量，造成降溫、除塵和二氧化碳排放效果不如采用金屬波紋管。

3.4管道布置影響

在隧道主洞中，排風(fēng)管道布置在送風(fēng)管道上方，便于排出熱空氣。排風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口的布置影響洞內(nèi)空氣流動(dòng)，若兩者太靠近，輸送的冷空氣可能直接順著氣流向排氣管道流走，若兩者離開太遠(yuǎn)則不能形成有效的空氣循環(huán)。另外，送風(fēng)口和排風(fēng)口離施工面的距離也將影響降溫效果。合理布置進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口可以確?？諝饬鲃?dòng)方向合理，形成有效的通風(fēng)路徑，避免空氣在隧道內(nèi)形成死角或短路，繼而可以有效調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的溫度，減少施工過(guò)程中的粉塵和有害氣體，甚至可以減少通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。因粉塵和二氧化碳初始濃度不易控制，本節(jié)對(duì)不同風(fēng)口布置時(shí)洞內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行研究。將溫度傳感器置于施工面中心，每一次試驗(yàn)30min后結(jié)束通風(fēng)，待溫度回升至試驗(yàn)前同一溫度再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

（1）研究排風(fēng)口高度對(duì)通風(fēng)效果的影響，此時(shí)排風(fēng)口距離施工面9m，送風(fēng)口距離施工面1m。如圖13所示，初始溫度為35.1℃，當(dāng)送風(fēng)口離地1m，排風(fēng)口離地4m時(shí)，洞內(nèi)溫度可降至24.1℃，比其他幾種布置方式都低，而且降溫時(shí)間也更短，采用此種搭配的降溫效果最好。

（2）將送風(fēng)口和排風(fēng)口離地高度分別調(diào)整為1m和4m ，進(jìn)一步研究送風(fēng)口距離施工面1 m，2m，4n n時(shí)的降溫效果，此時(shí)排風(fēng)口固定于距送風(fēng)口8m。由圖14可知，當(dāng)送風(fēng)口距離施工面為1m時(shí)，離施工面近，冷空氣能更快到達(dá)，通風(fēng)降溫效果最好。

（3）將送風(fēng)口離地高度調(diào)整為1m，排風(fēng)管口分別距送風(fēng)口4m、8m、12m、16m、20m的降溫效果如圖15所示。由圖15可知，當(dāng)排風(fēng)口距離送風(fēng)口為4m時(shí)，送入的冷空氣容易被直接抽走，降溫效果最差。相反，當(dāng)排風(fēng)口距離送風(fēng)口為20m時(shí)，洞內(nèi)空氣流通不暢，降溫效果也較差。當(dāng)排風(fēng)口距離送風(fēng)口8～16m時(shí)，具有較好的通風(fēng)效果。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于隧道施工的通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由送風(fēng)裝置、排氣裝置、降溫裝置和監(jiān)控設(shè)備組成。通風(fēng)管道分為主管和支管，利用斜井或橫洞安放送風(fēng)和排氣主管，將相應(yīng)支管置于隧道主洞。降溫裝置放置于斜井或橫洞外，用于對(duì)空氣進(jìn)行降溫。經(jīng)降溫處理的冷空氣由送風(fēng)管道輸送至隧道主洞施工作業(yè)面，同時(shí)施工作業(yè)面熱空氣由排氣管道排出隧道。

（1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)能有效提高隧道降溫效率，開啟降溫裝置后，降溫效果翻倍，降溫效率提升2倍，且該系統(tǒng)能快速減少隧道粉塵及二氧化碳含量。

（2）本文提出在轉(zhuǎn)角采用金屬波紋管連接，保證了轉(zhuǎn) 角處氣流平順，確保通風(fēng)量穩(wěn)定，比易變形的聚乙烯管材 具有更高的空氣輸送的效率。

（3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，當(dāng)送風(fēng)管口離地1m，離施工面1m，排風(fēng)管口離地3m，距離送風(fēng)口 8～12m 時(shí)，通風(fēng)降溫效率最好。

本文設(shè)計(jì)的隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，可為隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)用的指導(dǎo)和參考。

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