长大隧道长距离通风方案的研究
甘小江刘小娃张细内
摘要：本文通过广昆线三棵树隧道出口在长距离独头掘进，无其他辅助坑道进行通风的情况下，如何解决通风系统的问题进行了研究，对隧道通风方案、通风设备的选择，使洞内空气质量达到要求和提高作业工效的目的，取得了预期效果，为类似长距离隧道的施工提供借鉴。
关键词：长大隧道长距离通风方案
1 工程概况
广昆线三棵树隧道位于云南省禄丰县境内，全长7375m，最大埋深205m，隧道岩性以泥岩、泥岩夹砂岩为主，按160km/h并预留200km/h客货共线条件双线隧道设计，采用曲墙式复合衬砌和无碴道床。全隧分进口、斜井、出口工区，根据现场实际情况和进度安排进口工区承担施工1585m，斜井工区承担施工任务2490m，出口工区承担施工任务3300m，斜井工区单向向出口掘进。出口工区独头掘进长度超过三千米，如何解决隧道通风成为改善洞内施工环境、提高工效的关键。
2 通风系统的设计
2.1 洞内空气主要污染源及危害
隧道内有害物质污染源主要包括烟尘、有害气体、粉尘。其中烟尘主要来自炮烟、柴油机排出的煤烟、电焊机烟雾等；有害气体主要来自炮烟、内燃机废气等；粉尘主要来自隧道钻孔、爆破、装碴、运输、喷射混凝土及二次衬砌混凝土作业过程中产生的细散颗粒。以上有害物质对洞内人员会产生刺激，危害人体健康，粘附于人体皮肤或进入五官会引发炎症，甚至使人中毒、昏迷或窒息；同时造成洞内能见度下降，容易发生安全事故。
2.2 通风系统设计的原则
本隧道出口通风系统的设计本着“布局合理、优化匹配、防漏降阻、严格管理”的原则，在满足通风效果的前提下，进行合理配置风机的数量，采用大直径风管，减少能耗损失，通过适当增加一次性投入，减少通风系统的长期运行成本。
2.3设计参数
开挖断面积（Ⅲ级围岩）：S=120m2；
一次爆破用药量：200kg（Ⅲ级围岩循环进尺3m）
洞内最多作业人数：开挖班22人，仰拱班14人，二衬班20人，管理人员、杂工班等10人，共计66人，（按洞内开挖、仰拱、二衬等三作业面同时施工考虑）；
爆破后通风排烟时间：T=30min ；
通风管：采用Ф1.8m软式风管；
管道百米漏风率：β=1.3% ；
风管沿程摩阻系数（达西系数λ=0.01）：α=ρλ/8=1.2×0.01/8=1.5×10-3 kg/m3；
按出口最大通风长度计：L=3300m ；
2.4风量计算
隧道洞内所需风量由多种因素控制，主要从以下四个因素考虑，并取最大值作为作业所需供风量：按洞内允许最低风速所需风量，按洞内最多作业人员所需风量，按爆破后排除炮烟、稀释有害气体至许可浓度风量，稀释洞内内燃机械设备排放废气所需通风量。
①按洞内允许最低风速计算得Q1：洞内最低风速取0.15m/s
Q1=60×V×A=60×0.15×120=1080 (m3/min)
②按洞内最多作业人员计算得Q2
Q2=66×3=198 (m3/min)
③按爆破后排除炮烟、稀释有害气体至许可浓度计算得Q3
Q3=2.25×[G(AL)2Ψb/P2]1/3/t
式中：Q3为工作面风量，m3/min；
t 为通风时间；
G 为同时爆破的炸药量；
A 为掘进断面积；
Ψ为淋水系数，取0.6；
b 为炸药爆炸时的有害气体生成量,40m3/kg；
P 为管道漏风系数，P=1/（1-βl/100），β为百米漏风率，采用在掘进2000m处增加一台风机串联，因此管道漏风系数通风长度按2000m计：
则P出口=1.35;
L 为临界长度，当通风段长度大于L时，用临界长度代替；
L=12.5Gbk/(AP2)
k-为紊流扩散系数，取0.6；
P-管道漏风系数；
L=12.5×200×40×0.6/(120×1.352)=274m；
则 Q3=2.25×[200×(120×274)2×0.6×40/1.352] 1/3/30=1063 m3/min
④稀释洞内内燃机械设备排放废气所需通风量计算得Q4
洞内同时作业内燃机械主要ZL50装载机2台，功率共308KW；出碴车2台，功率共426KW；共计功率734KW。
Q4= k∑(T i f i N i)
K―为功率通风计算系数，取3.0 m3/min.kw
T i―各设备的工作时间利用率，取0.7；
f i―各设备的平均负荷率，取0.8；
N i―各设备额定功率；
N―各设备台数；
Q4=3×0.7×0.8×734=1233 (m3/min)
⑤风机风量
Q出口需=PQ4=1.35×1233=1665 m3/min
因此，取通风机设计风量Q出口风机=1700m3/min
2.5通风阻力计算
h阻=R f Q需Q4/3600
R f为风阻系数，R f = 6.5αL/D5
L-为通风长度；
D-为风管直径；
R f =6.5×1.5×10-3×3300/1.85=1.7
h阻=1.7×1233×1700/3600=990 Pa
2.6通风方案及设备的选择
本隧道出口独头掘进达3300m，出碴、材料运输为无轨运输，隧道围岩主要为泥岩或泥岩夹砂岩，无地下水渗出，爆破和经车辆碾压后容易形成大量的粉尘，加剧了洞内空气污染程度。同时长距离掘进在没有平导、竖井等辅助坑道进行通风情况下，通风方案和设备的选择至关重要，使之能发挥有效的作用，改善洞内的作业环境，为隧道施工提供有利的施工环境。
2.6.1通风方案
2.6.1.1压入通风
隧道出口采用压入式通风、压排相结合的通风系统，在距洞口大于20m处设一台2×110kw轴流风机，出风口20m范围内使用Ф1.8m刚丝风管，其后采用Ф1.8m软式风管。由于独头掘进长度较长，按风管百米漏风率1.3%计，则风量沿途损耗量较大，使独头压入供风量及风压到达掌子面时已非常弱，对通风效果均不理想。因此在距洞口2000m处时增设一台2×110kw轴流风机与洞口风机形成串联，以满足风量、风压要求，使供风能顺利压入至掌子面，能够保持掌子面的通风效果。在中部串联的通风机进出口20m范围内采用Ф1.8m的刚丝风管代替软式风管，以免软式风管在轴流风机供风入口处被吸瘪堵塞风机。
2.6.1.2排出通风
根据隧道洞内施工作业面主要集中在二衬至掌子面范围的特点，二次衬砌模板台车作业面至掌子面范围内利用压入的供风将有害气体向外排出（二衬至掌子面控制在安全距离120m以内），二衬模板台车作业面往洞口300m范围内采用射流风机向外排气，其余地段同时采用加强保持洞内清洁、洒水降尘等措施达到改善空气的目的。
为保证射流风机工作时的排风效果，射流风机的纵向控制间距需控制在一定有效合理范围内，因此需计算出射流风机合理纵向间距：纵向间距L1主要包括射流风机工作时的吸入段长度L2、诱导段长度L3、均匀流段长度L4（如下图）。
