長隧道施工通風(fēng)計算及應(yīng)用選擇

摘要：獅子爐隧道獨頭掘進(jìn)長度較長，為保證施工人員具備良好施工環(huán)境，保障工程順利施工，在施工過程中隧道內(nèi)需采取適當(dāng)通風(fēng)方式。通過對通風(fēng)方式、通風(fēng)風(fēng)量計算及設(shè)備性能考量，獅子爐隧道采用送風(fēng)式通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備采用對旋軸流式通風(fēng)機(jī)，配套風(fēng)管為維尼龍膠布風(fēng)管，為洞內(nèi)工作面及時供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵。

關(guān)鍵詞：獅子爐隧道；通風(fēng)量計算；送風(fēng)式通風(fēng)；軸流式通風(fēng)機(jī)

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范（JTG F60—2009）》（后簡稱“規(guī)范”）中相關(guān)要求，隧道施工獨頭掘進(jìn)長度超過150米時，必須采用機(jī)械通風(fēng)。通風(fēng)方式應(yīng)根據(jù)隧道長度、斷面大小、施工方法、設(shè)備條件等綜合確定。獅子爐隧道單洞獨頭掘進(jìn)長度最長2317.12米，屬長隧道。施工過程中需采取機(jī)械通風(fēng)，及時為隧道內(nèi)工作面供給新鮮空氣，并排出隧道內(nèi)有害氣體。

1 工程概況

莆永高速公路永春至永定段A9合同段位于福建省泉州市安溪縣與龍巖市交界的云中山省級自然保護(hù)區(qū)，起訖里程為K55+050～K62+881.680，全線長為7.832公里。合同段內(nèi)獅子爐隧道左洞全長2317.125米，右洞全長2303.68米，隧道單洞合計總長8097.59米。圍巖級別Ⅱ～Ⅴ級。開挖方法采用暗洞三臺階法、臺階法和全斷面法。采用光面爆破，無軌出渣。根據(jù)野外地址調(diào)查、鉆探及物探資料，隧址區(qū)地層巖性較簡單，為全-中風(fēng)化粉砂巖及強-微風(fēng)化凝灰?guī)r；洞身圍巖級別為Ⅱ～Ⅴ級。獅子爐隧道開挖后，洞內(nèi)不會有甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有害氣體溢出。隧址區(qū)基巖為粉砂巖及凝灰?guī)r，放射性影響微弱。洞內(nèi)有害氣體的來源主要有鉆眼粉塵、爆破煙塵、運輸汽車尾氣及汽車揚塵、噴射混凝土粉塵、水霧等有害氣體。

2 目的及要求

隧道施工通風(fēng)預(yù)期達(dá)到的目的：

⑴為隧道內(nèi)施工作業(yè)人員提供所需新鮮空氣。

⑵稀釋并排出各種有害氣體和粉塵。

⑶適當(dāng)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)工作面溫度及濕度。

⑷創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，為隧道施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面做好鋪墊。

規(guī)范要求，隧道施工作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)：

⑴空氣中氧氣含量在作業(yè)過程中始終保持在19.5%以上。嚴(yán)禁用純氧進(jìn)行通風(fēng)換氣。

⑵二氧化碳（CO2）最高容許濃度9000mg/m3，短時間（15min）接觸容許濃度18000mg/ m3；二氧化氮（NO2）最高容許濃度5mg/m3，短時間（15min）接觸容許濃度10mg/m3。

⑶含10%以下游離SiO2的礦物性粉塵，總粉塵不得大于4mg/m3。

⑷噪聲不應(yīng)大于90dB。

⑸隧道內(nèi)氣溫不宜高于28℃。

此外規(guī)范還規(guī)定：隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)各項作業(yè)所需的最小風(fēng)量。每人應(yīng)供應(yīng)新鮮空氣3m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時，供風(fēng)量不宜小于4.5m3/（min·Kw）。全斷面開挖時風(fēng)速不應(yīng)小于0.15m/s，但不應(yīng)大于6m/s。

3 機(jī)械通風(fēng)方式

目前我國一般隧道施工通風(fēng)方式主要有機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)等方式，其中機(jī)械通風(fēng)分為排風(fēng)式、送風(fēng)式、巷道式、送排混合通風(fēng)方式等。巷道式通風(fēng)多用于煤礦系統(tǒng)中。在公路隧道施工中，由于經(jīng)濟(jì)等各方面的原因，較少采用巷道式通風(fēng)，多采用排風(fēng)式、送風(fēng)式通風(fēng)等方式。

圖1 隧道施工通風(fēng)主要方式

機(jī)械通風(fēng)方式優(yōu)缺點對比詳見表1 機(jī)械通風(fēng)方式對比。

表1 機(jī)械通風(fēng)方式對比

類型方法優(yōu)點缺點

排風(fēng)式將吸風(fēng)口置于工作面附近，通過風(fēng)機(jī)將灰塵氣體等有害物質(zhì)吸出，排到洞外，新鮮空氣順坑道進(jìn)入洞內(nèi)。及時排出廢棄物工作面需較長時間才能得到新鮮空氣，不利于下一工作循環(huán)的開展。

送風(fēng)式將風(fēng)機(jī)置于洞外，通過管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。及時供給新鮮空氣污染物從洞內(nèi)往外排出，對洞內(nèi)已完成的襯砌造成污染，對后續(xù)的支護(hù)施工有一定影響。

送排混合式一路為送風(fēng)式通風(fēng)，送入新鮮空氣；一路為排風(fēng)式通風(fēng)，吸出廢棄物。兼有排風(fēng)式和送風(fēng)式優(yōu)點需同時在洞內(nèi)鋪設(shè)兩路風(fēng)管，洞內(nèi)空間狹小，會對洞內(nèi)運輸?shù)裙ぷ髟斐梢欢ǜ蓴_；大大增加風(fēng)管管路的續(xù)接、維護(hù)等工作量；增加施工成本。

經(jīng)綜合對比，考慮施工進(jìn)度、施工成本等方面因素，在獨頭掘進(jìn)長度2公里多，采用送風(fēng)式通風(fēng)較為合適。

4 施工通風(fēng)計算

4.1 設(shè)計參數(shù)

管道百米漏風(fēng)率和摩擦阻力系數(shù)等與管道的材質(zhì)、直徑、連接形式、表面狀況、制造及安裝維護(hù)的質(zhì)量密切相關(guān)，只有通過大量工程試驗，才能獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)值。我國所有的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計文獻(xiàn)只能提供直徑800㎜以下通風(fēng)管道的技術(shù)性能數(shù)據(jù)，對長隧道使用的新型大直徑管道，目前尚無確切的實測數(shù)據(jù)，僅可根據(jù)國內(nèi)隧道工程建設(shè)過程中現(xiàn)場測試分析對照取值。

開挖斷面積主洞（Ⅱ級圍巖）：S=76.3m2；

一次爆破用藥量：根據(jù)獅子爐隧道Ⅱ級圍巖光面爆破設(shè)計參數(shù)，結(jié)合實際施工情況，取G=291.2kg，按Ⅱ級圍巖循環(huán)進(jìn)尺3m考慮；

洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)：按每工作面最大45人；

爆破后通風(fēng)排煙時間：t=30min；

通風(fēng)管：采用φ1.3m軟管；

管道百米漏風(fēng)率：一般取β=（1.1～1.5）%，根據(jù)獅子爐風(fēng)管情況取值1.2%；

風(fēng)管沿程摩阻系數(shù)：由流體力學(xué)的沿程阻力公式推導(dǎo)α=λρ/8=3×10-4kg·s2/m4，式中（達(dá)西系數(shù)λ=0.01，空氣密度ρ=1.2）；

炮煙拋擲長度：經(jīng)驗公式Ls=15+G/5，Ls=15+291.2/5=73.24m；

單位炸藥爆破放出放入的有害氣體換算成CO的體積，取a=30×10-3m3/Kg；

最大壓入通風(fēng)長度：按主洞單口最大掘進(jìn)長度2317.12m，通風(fēng)按L=2300m管道長度計算。

4.2 通風(fēng)設(shè)計原則

充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在滿足通風(fēng)效果的前提下，進(jìn)行合理調(diào)配減少新購風(fēng)機(jī)的數(shù)量。在凈空允許的情況下，采用大直徑風(fēng)管，減少能耗損失。通過適當(dāng)增加一次性投入，減少通風(fēng)系統(tǒng)的長期運行成本。

⑴適當(dāng)提高工作面的供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。在風(fēng)量計算中各參數(shù)選取時宜堅持增加風(fēng)量的取值傾向。

⑵為了實現(xiàn)較好的節(jié)能降耗的效果，盡量采用雙級調(diào)速軸流式通風(fēng)機(jī)。當(dāng)要求風(fēng)量大時，風(fēng)機(jī)以高轉(zhuǎn)速運行；當(dāng)要求風(fēng)量較低時，風(fēng)機(jī)可以較低轉(zhuǎn)速運行。

⑶堅持“以人為本、改善環(huán)境、確保安全、節(jié)約能源、節(jié)約投資”的設(shè)計原則。

4.3 通風(fēng)計算

關(guān)于隧道施工通風(fēng)量計算，目前世界各國尚無公認(rèn)統(tǒng)一公式，我國亦無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算公式，本方案所列公式均參照目前國內(nèi)主流施工通風(fēng)量計算公式。

4.3.1 洞內(nèi)施工所需通風(fēng)量考慮因素：

①滿足洞內(nèi)允許最小風(fēng)速要求等條件進(jìn)行計算確定；

②洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)所需要的空氣量；

③使同一時間爆破的最多炸藥用量產(chǎn)生的有害氣體降低到允許濃度所需要的空氣量；

④使同時在洞內(nèi)作業(yè)的柴油機(jī)產(chǎn)生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的空氣量。

以其中最大者選擇通風(fēng)設(shè)備。

4.3.2 通風(fēng)量計算

⑴按洞內(nèi)最小風(fēng)速計算

Q1=60·V·S

式中：Q1—計算風(fēng)量，m3/min；

v—允許最小風(fēng)速，m/s，全斷面開挖時應(yīng)不小于0.15m/s，但均不應(yīng)大于6m/s，取0.2m/s；

S—開挖斷面面積，㎡，取Ⅱ級圍巖斷面76.3㎡。

由此得Q1=60×0.2×76.3=915.6m3/min。

⑵按洞內(nèi)可能的同時作業(yè)的最多人數(shù)計算

Q2=q·N·K

式中：Q2—計算風(fēng)量，m3/min；

q—洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮空氣量，m3/min，按每人每分鐘3m3計算；

N—洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)，取N=45；

K—風(fēng)量備用系數(shù)，取1.10～1.15。

由此得Q2=3×45×1.15=155.3m3/min。

⑶按稀釋爆破煙塵計算

Q3=V1·〔1-（K·V1/V2）1/t〕

式中：Q3—計算風(fēng)量，m3/min；

V1—一次爆破產(chǎn)生的炮煙體積，V1= S·Ls=76.3×73.24=5588.3m3；

V2—一次爆破產(chǎn)生的有害氣體，V2=a·G=30×10-3×291.2=8.74m3；

t—通風(fēng)時間，min，一般在20min—40min，取t=30；

K—允許濃度，ppm，一般取100ppm。

由此得Q3=5588.3×[1-（100×10-6×5588.3/8.74）1/30]=489.4m3/min。

⑷按沖淡機(jī)械作業(yè)排出的廢氣計算

Q4=P·Σm·N

式中：Q4—計算風(fēng)量，m3/min；

P—每Kw每min需提供空氣量P=3m3/min；

N—內(nèi)燃機(jī)械的功率，Kw；

m—內(nèi)燃機(jī)械的數(shù)量。洞內(nèi)掘進(jìn)作業(yè)區(qū)1臺卡特320挖掘機(jī)，功率103Kw；1臺龍工反斗式50裝載機(jī)，功率162Kw；2輛斯太爾8m3自卸車，單輛功率191Kw。

由此得Q4=3×（1×103+1×162+2×191）=1941m3/min。

獅子爐隧道作業(yè)面施工通風(fēng)需求量Q需= Max（Q1，Q2，Q3，Q4）= 1941m3/min。

考慮風(fēng)管漏風(fēng)，則風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量為：

Q機(jī)=Q需/（1-β）L/100=1941/（1-0.012）2300/100=2562.3m3/min。

4.3.3 風(fēng)壓計算

為將所需風(fēng)量送入指定位置并達(dá)到設(shè)定的風(fēng)量，必須克服沿途阻力，并在出口維持一定的風(fēng)速和風(fēng)壓，則通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即h機(jī)>h阻。

h阻=∑h動+∑h局+∑h沿。

式中：∑h動—動壓，取50Pa；

∑h局—局部壓力損失，一般按沿程壓力損失的10%估算。

沿程壓力損失計算：

∑h沿= =

式中：α—風(fēng)道摩擦阻力系數(shù)，取α=3×10-4kg·s2/m4；

L—風(fēng)管長度，m，取2300m；

D—風(fēng)管直徑，m，取1.3m；

U—風(fēng)管周長，m；

S—風(fēng)管截面積，m；

Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s，取2562.3/60=42.705m3/s。

∑h沿=2203Pa。

h阻=∑h動+∑h局+∑h沿=2473.3Pa。

根據(jù)以上計算結(jié)果，洞口選擇風(fēng)量不小于2562.3m3/min、風(fēng)壓不小于2473.3Pa的風(fēng)機(jī)才能滿足主洞施工通風(fēng)需求。

5 機(jī)械通風(fēng)設(shè)備

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的合理性、風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管的能力匹配性等是隧道施工通風(fēng)設(shè)計的關(guān)鍵。無論是單方面追求高效率、大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，忽視風(fēng)管的直徑小、阻風(fēng)系數(shù)高等問題；還是選擇風(fēng)管直徑較大，而風(fēng)機(jī)風(fēng)量偏小、風(fēng)壓偏低，都難以保證施工通風(fēng)取得良好效果。

5.1 通風(fēng)機(jī)

目前市場上通風(fēng)機(jī)的類型主要分為離心式和軸流式，其中軸流式有子午加速式軸流通風(fēng)機(jī)、對旋式軸流通風(fēng)機(jī)、變特性隧道軸流風(fēng)機(jī)等幾種。通過近幾年高速公路隧道施工的實踐，對旋式軸流通風(fēng)機(jī)使用效果較好。

5.2 風(fēng)管

隧道通風(fēng)風(fēng)管一般要求：風(fēng)阻系數(shù)低、漏風(fēng)率低、合適的直徑。

通常風(fēng)管可分為維尼龍膠布風(fēng)管、鍍鋅薄鋼板風(fēng)管、玻璃鋼風(fēng)管等。考慮經(jīng)濟(jì)、實用性等因素，除特別要求，一般較少采用玻璃鋼風(fēng)管、鋁合金板風(fēng)管等。送風(fēng)式通風(fēng)一般采用維尼龍膠布風(fēng)管，它具有存放方便、接長簡單、方便挪移等優(yōu)點。

5.3 獅子爐隧道的施工通風(fēng)

根據(jù)施工組織設(shè)計，經(jīng)過通風(fēng)量計算，結(jié)果顯示洞內(nèi)最小風(fēng)速和內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)排出的廢氣是計算風(fēng)量的控制因素。考慮施工進(jìn)度、施工成本等方面因素，采用送風(fēng)式通風(fēng)；根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓的計算結(jié)果和現(xiàn)場設(shè)備狀況，采用軸流式通風(fēng)機(jī)。獅子爐隧道主洞通風(fēng)：施工作業(yè)區(qū)段長2317.125m，施工供風(fēng)采用SDDY-Ⅲ型軸流式2×110Kw通風(fēng)機(jī)，在洞口配一臺風(fēng)機(jī)，通風(fēng)管為直徑1.3m的軟管，管道布置在隧道左側(cè)，在距離作業(yè)面100m架設(shè)在起拱線以上1.2m處，風(fēng)管在噴護(hù)面段采用錨桿支搭，在錨桿用φ8盤條做吊掛線，并經(jīng)帶接。考慮獅子爐隧道實際施工過程中，管道布置、維護(hù)不理想，掌子面風(fēng)壓偏小，在主洞掘進(jìn)至第二處緊急停車帶（K61+738），串聯(lián)一個SDDY-Ⅲ型串聯(lián)式4×55Kw通風(fēng)機(jī)，以提高風(fēng)壓，管道布置同壓入式通風(fēng)機(jī)。

圖2 獅子爐隧道施工通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置圖

6 結(jié)語

隧道良好的施工通風(fēng)是保障工程施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度不可或缺的一部分。選擇合適的通風(fēng)方式，能及時地為洞內(nèi)工作面供給新鮮空氣，排出有害氣體及煙塵，為洞內(nèi)工作人員提供較好的工作環(huán)境，便于下一循環(huán)工序的開展。獅子爐隧道在選擇施工通風(fēng)方式過程中，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、施工進(jìn)度、現(xiàn)場實際環(huán)境等各方面因素，不片面追求大風(fēng)率、大風(fēng)管設(shè)備，務(wù)實高效，最終選擇軸流式通風(fēng)機(jī)，將風(fēng)機(jī)置于洞外，通過管道將新鮮空氣壓送到工作面附近，從而將污染物排出洞外。在做好施工通風(fēng)的同時，做好其他防塵防污措施，如鉆眼作業(yè)采用濕式鑿巖，放炮后及時進(jìn)行噴霧、灑水等。

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作者簡介

潘嘉泉，男，1987年05月，本科，助理工程師.