特長公路隧道施工通風(fēng)技術(shù)

王平孝

（中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032）

1 工程概況

福建南廈高速公路石鼓山隧道全長6005米，雙洞六車道。襯砌內(nèi)輪廓凈寬15.05m，凈高7.68m，最大開挖斷面積120.42 m2。在隧道施工中，由于鉆孔、炸藥爆破、裝渣、噴射混凝土、內(nèi)燃機(jī)械和運(yùn)輸汽車的排氣等因素，使洞內(nèi)氧氣大大減少，且混雜各種有害氣體與巖塵，造成洞內(nèi)空氣混濁。隨著隧道不斷開挖，不斷向山體深處延伸，洞內(nèi)的溫度和濕度相應(yīng)提高，對洞內(nèi)作業(yè)人員的健康造成嚴(yán)重影響。石鼓山隧道出口段為獨(dú)頭掘進(jìn)，人工鉆爆法開挖，無軌運(yùn)輸，施工通風(fēng)難度大。為了更換和凈化隧道內(nèi)的空氣，供給洞內(nèi)足夠的新鮮空氣，稀釋、沖淡和排除有害氣體和降低粉塵濃度，以改善勞動(dòng)條件，保障施工作業(yè)人員身體健康、保證正常的安全生產(chǎn)，并提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，必須進(jìn)行施工通風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)研究。

2 隧道施工中的主要污染源和通風(fēng)防塵標(biāo)準(zhǔn)

2.1 隧道施工中的主要污染源

爆破產(chǎn)生的炮煙；柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣；車輛行駛產(chǎn)生的粉塵。

2.2 通風(fēng)防塵控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 氧氣含量

洞內(nèi)的氧氣含量按體積比不低于20%。

2.2.2 粉塵濃度

每立方米空氣中含10%以上的游離二氧化硅的粉塵不大于2mg；含有10%以下的游離二氧化硅的水泥粉塵不大于6mg，二氧化硅含量在10%以下。

2.2.3 有害氣體

一氧化碳：不大于30mg/m3；當(dāng)施工人員進(jìn)入開挖工作面檢查時(shí)，濃度可為100mg/m3，但必須在30min～35min內(nèi)降至30mg/m3

二氧化碳：按體積不超過0.5%；

氮氧化物換算成二氧化氮控制在5mg/m3以下。

2.2.4 氣溫

隧道內(nèi)氣溫不得超28℃。

2.2.5 空氣量

隧道施工時(shí)，供給每人的新鮮空氣量不低于3m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，1kw的供風(fēng)量不小于3m3/min。

2.2.6 風(fēng)速

隧道開挖時(shí)全斷面風(fēng)速不小于0.15m/s,洞內(nèi)不小于0.25m/s。

3 施工通風(fēng)計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型

3.1 計(jì)算依據(jù)

洞內(nèi)通風(fēng)采用風(fēng)管式通風(fēng)，每循環(huán)進(jìn)尺按3.0m，炸藥用量按290kg。第一階段壓入式通風(fēng)時(shí)間按30min考慮，第二階段混合式通風(fēng)按40min考慮。掌子面所需風(fēng)量按洞內(nèi)要求的最小風(fēng)速、洞內(nèi)人員需風(fēng)量、一次爆破后及時(shí)排除掌子面炮煙、內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備的使用所需的風(fēng)量計(jì)算，取其中的最大值為依據(jù)計(jì)算。

3.2 第一階段施工通風(fēng)計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型及布置

從出洞口向正洞方向掘進(jìn)1400m以內(nèi)壓入式通風(fēng)。

3.2.1 風(fēng)量計(jì)算

1）根據(jù)同一時(shí)間，洞內(nèi)工作人員數(shù)計(jì)算：見《路橋施工手冊》第649頁（21-16）公式：

作業(yè)人數(shù)按60人、風(fēng)量備用常數(shù)取1.2。

2）按照爆破作業(yè)確定風(fēng)量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t—通風(fēng)時(shí)間，取t=30min；G—次爆破的炸藥量，G=290Kg；A—隧道斷面積，A= 120.42m2；Ψ—與隧道的潮濕程度有關(guān)ψ=0.3；b—炸藥爆破時(shí)的有害氣體產(chǎn)生量b=40L/ Kg；p—風(fēng)管的漏風(fēng)系數(shù)，取1.18（見后計(jì)算）；L—臨界長度，按照將CO稀釋到100mg/m3計(jì)算：

式中K為系統(tǒng)擴(kuò)散系數(shù)，與風(fēng)管口距工作面的距離及風(fēng)管直徑有關(guān)，K=0.67

3）內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)廢氣稀釋的需要計(jì)算風(fēng)量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞內(nèi)同時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)作業(yè)的總kW數(shù)；N：洞內(nèi)同時(shí)使用內(nèi)燃每kW所需的風(fēng)量，一般取3.0m3/min；

在隧道工作面開挖至1400m距離內(nèi)，出碴時(shí)重車數(shù)取4輛，空車4輛，柴油機(jī)功率180kW，重車負(fù)荷率80%，空車負(fù)荷率30%，利用率0.9，裝載機(jī)兩臺，每臺150kW，負(fù)荷率70%，利用率0.9，實(shí)際使用功率。

ni=180*4*0.8*0.9+l50*2*0.7*0.9+180*4* 0.3*0.9=901.8kW。

Q3 =3*901.8 = 2705.4m3/min

4）按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-22）公式：Q=60VS

V：洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，m/s；全斷面開挖時(shí)為0.15m/s，其它為0.25m/s，這里取0.15m/s；

S：開挖斷面積120.42m2；

圖1 第一階段風(fēng)機(jī)布置圖

取由以上四種計(jì)算結(jié)果中內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)廢氣稀釋的通風(fēng)的最大值2705.4m3/min作為設(shè)計(jì)控制風(fēng)量。

5）風(fēng)管漏風(fēng)損失修正風(fēng)量

通風(fēng)機(jī)設(shè)在洞口，為工作面供風(fēng)，通風(fēng)計(jì)算取最大通風(fēng)長度L=3152/2=1576米(隧道通風(fēng)考慮風(fēng)機(jī)串聯(lián)，故長度按隧道開挖總長的一半考慮)，風(fēng)管百米漏風(fēng)系數(shù)β為1%，風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Q機(jī)為：

式中：P-風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)。

6）風(fēng)壓計(jì)算

S風(fēng)管=ΠD2/4=1.77m2

式中：ρ-空氣密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3計(jì)；V-風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速；D-風(fēng)筒直徑，取 1.5m；λ-達(dá)西系數(shù)，取0.0078；L-通風(fēng)長度，取1576m；S-風(fēng)筒截面積，單位m2。

系統(tǒng)風(fēng)壓H=h摩+h局+h正+h其他，為了方便計(jì)算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*2658.2Pa=3189.84Pa。

3.2.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)上述Q機(jī)、H的計(jì)算結(jié)果，參靠風(fēng)機(jī)性能曲線選擇風(fēng)機(jī)、要求風(fēng)量、風(fēng)壓處于被選擇風(fēng)機(jī)的高效區(qū)內(nèi)，即η=0.8為佳。

DSF-ⅡNo12.5A型號通風(fēng)機(jī)功率2x38①

115KW， 壓 力 為 2524～6000Pa＞H (3189.84),流量77840～270000m3/h=75m3/s＞Q需（53.21m3/s）。因此選用DSF-ⅡNo12.5A風(fēng)機(jī)，配以Φ1500mm軟質(zhì)分管，可以滿足洞內(nèi)通風(fēng)要求。

3.2.3 通風(fēng)機(jī)布置

通風(fēng)機(jī)安裝在洞外20～30m的位置，向掌子面壓入通風(fēng)。(通風(fēng)布置見圖1)

3.3 第二階段施工通風(fēng)計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型機(jī)布置

圖2 1400m～2500m段通風(fēng)機(jī)布置示意圖

圖3 2500m～3152m段通風(fēng)機(jī)布置示意圖

第二組風(fēng)機(jī)連接處

從出洞口向正洞方向掘進(jìn)1400m～3152m (貫通點(diǎn))壓入式通風(fēng)。

3.3.1 風(fēng)量計(jì)算

第二階段風(fēng)量主要考慮洞內(nèi)爆破、內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)廢氣稀釋需要的風(fēng)量：

1）根據(jù)同一時(shí)間，洞內(nèi)工作人員數(shù)計(jì)算：

Q1=1.2×60×3=216m3/min（同第一階段）

2）按照爆破作業(yè)確定風(fēng)量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t-通風(fēng)時(shí)間，取t=40min；G-次爆破的炸藥量，G=290Kg；A-隧道斷面積，A= 120.42m2；Ψ-與隧道的潮濕程度有關(guān)Ψ=0.3；b-炸藥爆破時(shí)的有害氣體產(chǎn)生量b=40L/Kg；p-風(fēng)管的漏風(fēng)系數(shù)，取1.18（見后計(jì)算）；L-臨界長度，按照將CO稀釋到100mg/m3計(jì)算：

式中K為系統(tǒng)擴(kuò)散系數(shù)，與風(fēng)管口距工作面的距離及風(fēng)管直徑有關(guān)，K=0.67

3）內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)廢氣稀釋的需要計(jì)算風(fēng)量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞內(nèi)同時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)作業(yè)的總kW數(shù)；N：洞內(nèi)同時(shí)使用內(nèi)燃每kW所需的風(fēng)量，一般取 3.0m3/min；在隧道工作面開挖至1400m～3152m距離內(nèi)，出碴時(shí)重車數(shù)取6輛，空車6輛，柴油機(jī)功率180kW，重車負(fù)荷率80%，空車負(fù)荷率30%，利用率0.9，裝載機(jī)兩臺，每臺150kW，負(fù)荷率70%，利用率0.9，實(shí)際使用功率。

4）按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量：見《路橋施工手冊》第650頁（21-22）公式：Q4=60VS

Q4=60*0.15*120.42=1083.78m3/min(同第一階段)

取由以上四種計(jì)算結(jié)果中內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)廢氣稀釋的通風(fēng)的最大值3774.6m3/min作為設(shè)計(jì)控制風(fēng)量。

5）風(fēng)管漏風(fēng)損失修正風(fēng)量

通風(fēng)機(jī)設(shè)在洞口，為工作面供風(fēng)，通風(fēng)計(jì)算取最大通風(fēng)長度L=3152/2=1576米(隧道通風(fēng)考慮風(fēng)機(jī)串聯(lián)，故長度按隧道開挖總長的一半考慮)，風(fēng)管百米漏風(fēng)系數(shù)β為1%，風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Q機(jī)為：

式中：P-風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)。

6）風(fēng)壓計(jì)算

S風(fēng)管=ΠD2/4=1.77m2;

V=Q需/S風(fēng)管=3774.6/1.77=2132.54m3/ min=35.54m3/s

H摩=λ*L/D*ρV2/2=0.0078*1576/1.5*1*3 5.542/2=5175.64Pa

式中：ρ-空氣密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3計(jì)；V-風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速；D-風(fēng)筒直徑，取 1.5m；λ-達(dá)西系數(shù)，取0.0078；L-通風(fēng)長度，取1576m；S-風(fēng)筒截面積，單位m2。

系統(tǒng)風(fēng)壓H=h摩+h局+h正+h其他，為了方便計(jì)算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*5175.64Pa=6210.77Pa

風(fēng)帶與風(fēng)機(jī)連接處

3.3.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)上述Q機(jī)、H的計(jì)算結(jié)果，參靠風(fēng)機(jī)性能曲線選擇風(fēng)機(jī)、要求風(fēng)量、風(fēng)壓處于被選擇風(fēng)機(jī)的高效區(qū)內(nèi)，即η=0.8為佳。

采用2組DSF-ⅡNo12.5A型號通風(fēng)機(jī)功率2*55 110KW進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)后通風(fēng)機(jī)工作壓力為5048～12000Pa＞H(6210.77),流量155680～540000m3/h=150m3/s＞Q需（74.23m3/ s）。因此選用2組DSF-ⅡNo12.5A風(fēng)機(jī)串聯(lián)，配以Φ1500mm軟質(zhì)分管，可以滿足洞內(nèi)通風(fēng)的要求。

3.3.3 通風(fēng)布置

1)當(dāng)隧道開挖到1400～2500m范圍時(shí)，將第二組通風(fēng)機(jī)安設(shè)在局洞口 1300m處（ZK12+330/YK12+352）串聯(lián)通風(fēng)，保證正常通風(fēng)。見圖2

2)當(dāng)隧道開挖到2500～3152m范圍時(shí)，將第二組通風(fēng)機(jī)安設(shè)在局洞口2250m/2300m處（ZK11+380/YK11+352）串聯(lián)通風(fēng)，保證正常通風(fēng)。見圖3

4 經(jīng)驗(yàn)和體會

通過南廈項(xiàng)目石鼓山隧道施工區(qū)段通風(fēng)階段實(shí)踐，總?cè)缦拢?/p>

1）在設(shè)備選型上，應(yīng)該盡可能選擇通風(fēng)量較大的變速節(jié)能風(fēng)機(jī)，DSF-ⅡNo12.5A風(fēng)機(jī)共 6級變速，風(fēng)量從 1294m3/min至45001294m3/min,風(fēng)壓從2524～6000Pa，功率從160kw至220kw,既可適應(yīng)不同施工階段的需要，同時(shí)也可以避免電能虛耗和大風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)風(fēng)壓較高而設(shè)置長距離的硬管。采用直徑1.5mde通風(fēng)軟管，百米漏風(fēng)降低，風(fēng)阻減少，更換較少，節(jié)約了動(dòng)力費(fèi)用。實(shí)現(xiàn)了大風(fēng)機(jī)、大風(fēng)管的合理匹配。

2）加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測和個(gè)人防護(hù)，改善作業(yè)環(huán)境，提高功效，從而縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

3）實(shí)行施工通風(fēng)專業(yè)化管理，從方案設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)置選擇，新產(chǎn)品應(yīng)用及日常施工管理等各個(gè)環(huán)節(jié)都要做細(xì)、做好。

長達(dá)隧道施工通風(fēng)方案是否合理是直接影響經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要條件，是施工技術(shù)人員必須長期研究的一個(gè)重要課題。

[1]公路隧道通風(fēng)防災(zāi)技術(shù).長安大學(xué). 2009.01.01.

[2]公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性研究.廣東省高速公路有限公司.2006.01.01.