論隧道施工通風

張 軍

(中鐵十三局集團電務工程有限公司，天津 300308)

1 國內隧道的建設情況

國內隧道隨著經濟發展的需要，鐵路、公路、水利、地下工程均得到了長足的發展，隧道的建設開始向超長、大跨、立體、水下及城市發展，隧道的建設規模日益加大。以超長隧道為例，目前國內在建的最長隧道為新關角隧道(西格鐵路二線)全長32.6 km，國內最長，長度世界排名第四。正在規劃設計的云南高黎貢山隧道長度將達39 km以上;已經通車的最長公路隧道為秦嶺終南山隧道，長度18.4 km，京福高速公路美菰林隧道，長度11.2 km;國內正在建設的海底隧道如廈門翔安海底隧道，長度6.1 km，膠州灣海底隧道，長度6.17 km;大跨度(廣州繞城公路龍頭山隧道，開挖跨度達22.88 m)、立體交叉(鼓山隧道群由6座隧道和3座橋梁組成的上下交錯、兩兩互通的立體交叉系統，廈門鐘鼓山萬石山隧道由7座隧道構成洞內立交)及城市地鐵隧道(北京、上海、廣州等)的建設也在國內日益興起，施工技術水平也日益成熟。可以預見，隨著社會經濟的不斷發展，各種形式的隧道及地下工程建設將會越來越多，其建設施工水平將會得到更大的提高。

2 施工通風的重要性

隧道施工中，作業人員、機械設備(內燃機)均需要有滿足要求的新鮮空氣，洞內施工爆破、機械設備等產生的有毒、有害氣體均需要有足夠的風量將其排出洞外，以提供良好的施工環境。施工通風作為隧道建設過程中的重要環節，是決定施工能否順利進行的關鍵，尤其是長大隧道、瓦斯隧道、立體交叉隧道，更加需要有良好的洞內施工通風系統。

國內隧道在施工中，有的隧道由于在施工前對洞內施工通風的策劃和考慮不周，導致在施工中出現了作業人員由于缺氧而暈倒，不能繼續施工，內燃機械設備效率降低，廢氣排放量大，洞內施工環境差的情況，影響了施工的正常進行。如何考慮合理有效的施工通風，既確保施工順利進行，又不過于保守而浪費資源，是隧道施工前諸多準備工作中的一項重要工作。

3 施工通風的考慮和計算

3.1 施工通風的滿足對象

1)施工作業人員。

施工作業人員主要為洞內進行開挖、支護、二次襯砌、施工保障人員、現場的施工管理及技術人員，這些人員在洞內進行施工作業和管理時，必須有足夠的氧氣供應，保證所有洞內人員正常工作。人員的數量決定了供風量的多少。按照正常要求，每個人需要的通風量為3 m3/min～4 m3/min，如在高原地區，氧氣含量小于正常值的，則要通過測空氣氧氣含量后確定。

2)洞內施工煙塵的排除。

施工產生的煙塵主要有:爆破產生的炮煙，內燃機械燃燒油料后排出的廢氣，洞內施工車輛產生的塵土，施工人員呼吸產生的廢氣，這些廢氣均需要提供足夠的風量，將其排出洞外，盡可能減少其對設備和人員的影響，同時創造良好的洞內作業環境。按施工規范要求，炮煙的產生按照爆破物質情況確定所需要的風量，同時洞內的回風風速應該不小于0.25 m3/min。

3)內燃機械設備。

內燃機械設備在洞內運轉時，其燃油需要有足夠的氧氣才能夠將額定的功率正常體現，滿足施工的正常需要，因而必須有足夠的新鮮空氣進入洞內。一般內燃設備的需風量為30 m3/min。

4)瓦斯或者其他有害氣體的排除(如有)。

如隧道中含煤層，則需要考慮瓦斯氣體的排出，使其濃度能夠控制在規定的范圍內，避免出現瓦斯爆炸而引起安全事故;如有其他有害氣體則需要有足夠的風量將其稀釋并排出洞外，避免對施工人員的身心健康造成損害。

3.2 施工通風的計算

隧道洞內施工通風的計算要綜合考慮，上述所列的幾個方面均要計算，以最大需風量進行考慮，同時要考慮一定的富余系數;對風機的選擇要同時考慮風量和風壓相匹配。

3.2.1 施工人員的需風量計算

按鐵路施工技術規范要求，洞內作業人員每分鐘的供風量不少于3 m3～4 m3，供風量為:

其中，Q為工作面風量，m3/min;N為隧道內最多作業人數。

3.2.2 洞內煙塵需風量計算

1)按排出炮煙計算:

a.壓入式通風可按下式進行計算:

其中，t為通風時間;G為同時爆破的炸藥量，kg;L為臨界長度，m，L=12.5GbK/(AP2)，b為炸藥爆炸產生的有害氣體，一般巖層中為40 m3/kg，煤層中為100m3/kg，K為紊流擴散系數，取值為0.4～0.74之間，A為隧道開挖斷面積，m2，P為風筒漏風系數。

b.抽出式通風可按下式進行計算:

式中各符號的意義同上所述。

2)按排出洞內粉塵計算:

其中，V為排塵速度，取值為9 m/min～18 m/min;A為隧道開挖斷面積，m2。

3.2.3 瓦斯隧道需風量計算

其中，QCH4為工作面瓦斯的涌出量，m3/min;K為瓦斯涌出量的不平衡系數，取1.5～2.0;B0為工作面允許的瓦斯濃度，取為0.01;BG0為送入工作面風流中瓦斯的濃度。

3.2.4 內燃機械設備需風量計算

其中，按每千瓦需風量30 m3/(min·kW)考慮，∑Ni為洞內同時作業的內燃機總功率之和。

3.2.5 按洞內最低允許風速需風量計算

其中，V為排塵速度，取值為0.15 m/min～0.25 m/min之間;A為隧道開挖斷面積，m2。

以上計算出來的需風量以最大值考慮，施工中由于管道的漏風現象經常造成入風口與出風口的風量差別很大，通過理論所計算出來的風量并不能反映實際情況，必須要考慮一定的需風量備用系數1.1。如隧道位于高海拔地區，還應依據海拔高度進行折減。

3.3 施工通風的風壓計算

為保證將所需風量送到工作面，并在出風口保持一定的風速，風機應該有足夠的風壓來克服管道系統阻力，即要保證h風＞h阻。對于風壓的計算，可以采用以下兩種方法。

式中:h動——動壓損失，一般取55 Pa;

h局——局部阻力損失;

h沿——沿程管道壓力損失。

式中:n——轉彎次數;

c——轉彎阻力系數(轉彎取 0.04，穿越臺車取 0.3);

g——重力加速度，9.81 m/s2;

v——轉彎風速，m/s。

其中，a為風管摩擦阻力系數，取a=3×10－4kg·s2/m3;L為風管長度，m;D為風管直徑，m;g為重力加速度，9.81 m/s2。

方法二:總阻力h總=h1+h2+h局。

風管內摩擦阻力h1=λ×(L/D)×ρ×(V2/2)。

式中:λ——風管摩擦阻力系數，取0.007 8或按風筒實際情況取值;L——風管的最大長度，m;D——風管直徑，m;

ρ——空氣密度，kg/m3，標準值 1.29，按實際海拔高度折減;

V——風管平均風速，m/s。

隧道內摩擦阻力:

式中:λ——洞內摩擦阻力系數，取0.02;

L——隧道的最大長度，m;

D——隧道當量直徑，m;

V——洞內回流平均風速，m/s。

風管內局部阻力:

式中:§——局部阻力系數，轉彎取0.04，穿越襯砌臺車取0.3;ρ——空氣密度，kg/m3，標準值 1.29，按實際海拔高度折減;V——該部位風速，m/s。

4 施工通風方案的選擇

隧道的長短、結構、開挖形式及順序決定了通風方案采用何種方式。國內隧道在建設過程中，通常采用的機械通風方式有:壓入式、抽出式、混合式，并通過計算確定洞內的需風量和風壓要求，選擇合適的配套風機。

4.1 通風方式的選擇

1)對于獨頭掘進長度在200 m以內的隧道，其通風可以考慮自然通風，利用外界的新鮮風流的擴散作用與工作面的空氣摻混，使洞內的污濁空氣排出洞外，但如開挖斷面較大，通風效果不理想，尤其是開挖作業后將需要很長時間才能進行二次作業，應考慮采用小型通風機通風。

2)對于獨頭掘進長度在5 000 m內的單洞隧道，根據國內的施工經驗及風機性能，對于開挖斷面較小的，可以采用壓入式通風，風機采用大功率無級變速節能風機，風機數量可以根據隧道的洞內實際情況采用1臺或者多臺風機串聯供風，風筒的直徑應盡量考慮在不影響施工的情況下采用大直徑風筒;如隧道斷面大(雙線鐵路隧道、公路隧道)，則應采用混合式通風方式，即采用壓入式和抽出式風機共同進行通風，抽出式風機為主風機，其功率較大，將洞內的廢煙、廢氣排出洞外，壓入式風機為輔助風機，功率較小(其主要作用是考慮將炮煙攪混均勻并排離工作面)，壓入式風機進風口距離抽出式風機吸風口的重合距離應該大于10 m，同時抽出式吸風口距工作面的距離應該大于炮煙拋擲長度不應小于30 m。

3)對于隧道長度超過5 000 m的單洞特長隧道，應考慮在隧道中部增加豎井，利用豎井的負壓作用或者在豎井頂部安裝抽出式通風機，同時采用壓入式或混合式通風系統。

4)對于隧道是2座平行的情況，且隧道之間有橫通道連接的，如鐵路隧道正洞和平導平行，公路隧道上下行線路之間有人行和車行橫洞平行的，應視隧道的長度綜合考慮洞內的通風方式，一般前期采用壓入式通風，后期視2座隧道的進度情況改變通風方式，即考慮采用混合式通風，新鮮空氣采用壓入式供風，并通過在橫通道處設置風機，形成局部的通風排煙，封堵橫通道(如橫通道為多個)，避免洞內形成循環風，使洞內的污濁空氣基本上沿固定的路徑排出。如設計或施工需要，可以考慮在2座隧道之間設置豎井，提高通風效率。

5)對于立體交叉的多座隧道，施工通風應根據開挖順序、隧道的平面位置等多種因素進行考慮，必要時可以考慮水幕降塵配合，以確定最經濟合理的通風方式。

4.2 通風機及風筒的選擇

在通風方案確定，并依據計算得出所需的風量和風壓后，需要選擇配套的通風機。國內風機的型號有多種，在風機選擇時應盡量考慮采用無級變速節能的風機。一般國內通風機標定的風量、風壓、電機功率等在實際運轉中并不能夠全部有效發揮，在風機選型時必須要大于所計算的風量和風壓，以確保在施工中通風滿足要求。

對于通風筒的選擇，應根據隧道斷面大小盡量選擇大直徑、高強度、性價比高的優質軟風筒，風筒的接頭宜采用拉鏈式接頭，使風筒內部平順，減少通風阻力和漏風率，提高通風效率。

4.3 通風實例

以西安南京鐵路東秦嶺隧道為例，該隧道正洞和平導長度均為12.2 km，2座隧道平行，線間距30 m，出口段通風長度6 129 m，施工中采用分階段實施不同的通風方案。

第一階段，平導和正洞在2 300 m內采用獨頭壓入式通風，風機采用天津通風機廠生產的93-1型，風機功率2×110 kW，供風量為2 000 m3/min，風壓4 500 Pa，風筒采用河南洛陽生產的直徑1 400 mm的優質軟風筒。此階段內正洞和平導之間的風流不產生聯系。

第二階段，平導過2 300 m后，在正洞和平導之間設置159 m深直徑2.5 m的通風豎井，將洞口的風機移至豎井處進行壓入式通風，利用豎井的負壓將廢氣排出。

第三階段，當從平導施工至5 000 m，且從平導的3 600 m和4 800 m處開橫通道進入正洞施工后，將通風方式調整為混合式通風，即在豎井頂部安裝1臺93-1型風機將平導和正洞內的廢氣排除，安裝1臺88-1型風機(壓入式)(功率2×80 kW，風量1 500 m3/min，風壓3 600 Pa)解決3 600 m處的正洞供風，1臺93-1型風機(壓入式)解決平導和4 800 m處正洞的通風(在4 800 m處設置三通活動風門)。

經施工實踐證明，通風方案可行，取得了較好的效果。

5 實施中影響通風效果的因素

5.1 通風路徑的設置

隧道施工通風方案中，通風路徑如設置不合理將影響通風效果。實施中，如單一隧道，通風路徑應盡量將其設置為沿直線或者隧道方向通向工作面，需要拐彎應保證其角度不小于110°，在通過洞內的襯砌臺車時，應在臺車兩側設置鐵皮風筒進行過渡，盡量減少由于拐彎和風筒直徑變化造成增大風阻，影響通風效果;如為2座以上的相互關聯隧道，則其路徑應綜合考慮，通風路徑需要布置合理，不能隨意變動，如需要做三通接口，三通角度應做成45°，相應的風門必須要做好，避免加大漏風率。

5.2 風筒的質量

風筒的耐久性、密封性等是決定在使用期間其壽命、漏風率的關鍵。實施中應選擇優質的軟風筒，尤其是接頭部位應采用拉鏈式接頭，減少修補的幾率和漏風率;如短距離使用鐵皮風筒，則應盡量使每節風筒的長度不小于6 m，減少接頭數量，鐵皮進行卷筒咬接，并采用密封材料處理，每節接頭采用法蘭連接，連接處采用高性能的橡膠墊。

5.3 風筒的掛設質量

實施中風筒掛設應按方案設計的位置進行掛設，保證掛設順直且在同一個水平面上，不要出現非正常的拐彎、高低不平、未拉直等情況，以減少風筒內部阻力。

5.4 風筒的漏風情況

風筒在使用過程中，不可避免的會出現被掛壞的情況，對于長距離的通風，如不及時修補，則其漏風率將會非常嚴重，按每一百米1%的漏風率計算，2 000 m的管道到出風口的出風量僅為進風口的80%，風量將損失20%，加上沿管道的風阻，通風的效果將大受影響。因此施工中對出現漏風的部位，必須要及時進行修補。

6 施工通風管理

通風方案實施中項目應組建精干高效的施工作業班組，專職負責施工通風的風機維護、風筒掛設及維護工作，施工作業人員通過培訓后上崗，要認真負責，每天24 h有人在洞內巡視通風情況，熟悉隧道內作業的各個工序情況和通風要求，對出現破損漏風的風筒及時修補或更換，對風機的運轉情況隨時掌握，保證通風既滿足洞內施工作業的要求，又達到節省費用的目標。