隧道長距離獨頭施工通風設備選型探討

孫振川 ，茍紅松

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

SUN Zhenchuan1,GOU Hongsong2

(1.China Railway Tunnel Stock Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China; 2.Technology Center,China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China)

隧道長距離獨頭施工通風設備選型探討

孫振川1，茍紅松2

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

良好的施工通風是長大隧道工程安全施工的前提，也是施工進度和工程質量的保障。以長大隧道獨頭施工通風方案節能環保理念為基點，通過對通風管的性能參數分析，得出施工通風風管選型對通風能耗及風機選型的影響，進而揭示出施工通風設備選型及運行過程中的經濟成本問題。分析結論表明:1)選擇優質的通風管，避免對國外風機的盲目推崇，是當前施工通風中應值得重視的問題；2)與國內大型風機、風管生產企業聯合，生產優質的國產隧道施工通風專用設備，使隧道施工綜合技術、經濟指標更為合理，是實現節能、環保的有效途徑。

長大隧道；施工通風；設備選型；通風管；通風機

0 引言

隨著國民經濟的快速發展和地下工程修建技術的不斷進步，我國公路、鐵路、水利水電等行業修建的長大隧道(洞)越來越多，尤其是水利水電行業。采用掘進機技術修建跨流域調水長大隧洞工程，在我國大江南北均有體現，如已建成的山西萬家寨引黃工程、遼寧大伙房輸水工程、新疆八十一大坂引水工程等，正在建設的引大濟湟調水工程、引紅濟石調水工程、錦屏二級電站引水隧洞工程、引漢濟渭工程等，即將建設的南水北調西線工程、遼西北供水工程等。這些隧洞工程的主要特點是獨頭掘進距離長。為解決長距離獨頭施工通風問題，業內的技術人員在施工中作了大量的科技攻關:茍紅松等[1]對高海拔地區長大隧道的通風要求和風機選型進行了研究；羅占夫等[2]針對如何實現南水北調工程獨頭掘進14 km的通風方案進行了研究；王延民等[3]、吳沛[4]總結了在鉆爆法施工工況下長大隧道的施工通風技術；張建等[5]對TBM施工中的通風和散熱問題進行了研究。通過對施工通風技術的不斷研究，與隧道掘進技術相配套的施工通風技術越來越成熟。與此同時，進一步從設備配置、經濟分析方面研究通風方案，實現隧道通風更為經濟合理、優質高效的目的，并推進技術進步具有重大意義。

隧道獨頭施工通風的主要設備是通風機和通風管。另外，目前變頻調節系統在隧道施工通風中的應用非常廣泛，變頻器也成為施工通風的主要設備之一。隧道獨頭施工通風大多采用壓入式通風，通風機提供通風動力，通風管則是風流通道。筆者通過對通風管的性能參數分析，得出施工通風風管選型對通風能耗及風機選型的影響，進而揭示出施工通風設備選型中的經濟成本問題。

1 通風管性能分析

通風管是隧道行業的叫法，采礦行業一般稱為風筒。隧道施工通風中常用的風管有軟風管、硬風管和伸縮性風管，其中應用最為廣泛的是拉鏈式軟風管。通風管的性能指標主要包括百米漏風率、百米風阻、摩擦阻力因數、耐壓性能和直徑變化率[6]。大部分指標對風機的供風量和工作風壓有著直接影響，開挖工作面風管出口風量是風機與風管匹配性能的直接表現。

其中，百米漏風率是評價風管出廠質量、安裝和維護質量的主要標準，也是風機選型的主要參數之一。評價和計算通風管路漏風的主要理論有平均百米漏風率理論、高木英夫理論、青函隧道理論、沃洛寧理論及末段百米漏風率理論。國內采礦行業一般采用沃洛寧計算公式，而隧道行業則一般采用青函隧道公式，見式(1)。

Q0=Qf(1-β)L/100。

(1)

式中：Q0為管路末端風量，m3/s；Qf為風機供風量，m3/s；β為百米漏風率平均值；L為管路長度，m。

同一臺風機匹配不同的風管向開挖工作面送風，由于風管性能參數的不同，風管出口風量差別各異。圖1為不同漏風率情況下的風量對比。由圖1可知：1)風管百米漏風率越大則風機供風量越大，但掌子面風管出口風量卻反而越小；2)當送風距離達3 000 m時，不同漏風率風管出口風量差值達335 m3/min。

GB/T 18372—2008《玻璃纖維導風筒基布》對以連續玻璃纖維紗為原料的導風筒基布進行了規定，GB/T 9900—2008《橡膠或塑料涂覆織物導風筒》[7]對橡膠或塑料涂覆織物導風筒的分類、結構、技術要求、試驗方法、檢驗規則等進行了規定，其中規定正壓導風筒的百米漏風率不大于4%，負壓導風筒的百米漏風率不大于5%，該項規定對于煤礦掘進巷道是可以滿足其局部通風需要的，但是4%的百米漏風率是很難滿足隧道長距離施工通風需要的。百米風阻和百米漏風率的測定按照GB/T 15335—2006《風筒漏風率和風阻的測定方法》進行，而耐壓性能和直徑變化率的測定可參照HG/T 2580—2008《橡膠或塑料涂覆織物拉伸長度和拉斷伸長率的測定》方法。

Qf為風機供風量，m3/min；Q0為管路末端風量，m3/min。

圖1不同漏風率情況下的風量對比

Fig.1 Air volume under different air leakage rates

當現場通風管理良好時，隧道通風管的百米風阻值及百米漏風率與風管的管材、接頭方式、加工工藝、節長等關系很大，市場上軟風管的百米漏風率差別很大。目前最好的10 m節長拉鏈軟風管的百米漏風率通常在1%以下，隨著節長的增加，最小漏風率已達到0.05%。

(2)

式中：λ為摩阻損失系數；ρ為空氣密度，kg/m3；d為風管直徑，m；L為通送風距離,m。

管路局部風阻

(3)

式中：ξi為局部阻力系數；li為局部阻力產生處距離風機出口的風管長度，m。

由式(2)和式(3)可得到通風管百米風阻

R100=100(Rf+Rl)/L。

(4)

風管段消耗的功率

N=HQ/1 000=RQ3/1 000。

(5)

由式(2),(3),(4),(5)可以看出，對風管段所消耗的功率影響較大的因素為通風距離L、漏風率β及風管直徑，其中風管直徑影響最大。目前國內鉆爆法施工獨頭通風最長送風距離約為5.5 km，設某隧道施工工區平均掘進率為5 m/d，風管最長送風距離為6 km，掘進工作面需風量為1 600 m3/min，配備變頻系統對風機轉速進行調節，以保證掘進工作面風量滿足需風要求而又不存在浪費，對比不同風管直徑及不同漏風率下的管路功率，計算結果如表1及圖2所示。由計算結果可以看出：1)管徑相同時，隨著風管漏風率的增加管路功率呈增大趨勢，并隨著通風距離的增加，功率增大倍數逐漸增大；2)管徑對管路功率的影響最大，管路漏風率一致時，管徑差距對管路功率的影響非常明顯；3)隨著通風距離的增加，大管徑高漏風率的管路功率在達到一定通風距離后可能會大于小管徑低漏風率管路的功率，如d=1.8 m，β=1.5%的管路5 000 m通風距離以內時其管路功率小于d=1.6 m，β=0.5%的管路功率，但當通風距離達到6 000 m時，其管路功率卻又大于后者。

表1 不同風管直徑及不同漏風率下的功率對比Table 1 Power under different ventilation duct diameters and different air leakage rates kW

圖2 不同風管直徑及不同漏風率下的功率對比Fig.2 Power under different ventilation duct diameters and different air leakage rates

2 施工通風中的風管選購分析

施工通風中風管的選擇應遵循以下原則：1)風管直徑能滿足最長送風距離時，風機風量能滿足作業面的需風要求；2)盡可能選擇直徑較大的風管；3)風管百米漏風率和摩擦因數較小的風管；4)易于運輸、安裝及維護，且結實耐用；5)瓦斯隧道應選擇雙抗風管。目前，國內風管一般按1%～1.5%的漏風率進行選型計算，國外風管一般按0.5%的漏風率進行選型計算[8-9]。根據現場通風情況來看，都未達到設計要求，但總體來說，國內風管的漏風程度要大于國外風管漏風情況。然而，可以肯定的是：并不是國內的制造及工藝水平達不到，而是大多數施工單位在選擇通風管時過度地追求低價產品，忽略了產品質量[10]。這和以往隧道施工獨頭送風長度是有很大關系的，因為以往大部分施工隧道獨頭送風長度并不長，通風難度也不是特別大，采用廉價低質的通風管就可以完成施工，風管生產廠家也大多按照此標準進行生產。隨著設計的隧道施工獨頭送風長度的增大，施工方才發現，國內居然很難找到質量優良的通風管，不得不采購國外的高價風管，這也是目前很多施工方選購國外風管的原因所在。但筆者認為，只要有高質量風管的市場需求，國內的高質量風管遲早會涌現出來，如國內現在開始推廣的防爆風筒雖然價格昂貴，但是具有非常好的抗沖擊和耐炮崩性能。

當前，施工通風應如何選擇通風管才能取得較好的經濟效益呢？從表1的計算結果來看，大直徑、低漏風率的優質風管是首選。但是，風管的價格會隨著其管徑的增大而增加，而且掛設風管的巷道的高度也是選擇風管的控制性邊界條件。以國內外相同管徑的風管為例，對選擇不同廠家風管情況下的施工通風成本進行分析。選擇了6個國內廠家，2個國外廠家的報價進行對比，選擇其中具有代表性的2個國內廠家和1個國外廠家的報價作為計算參數。不同廠家風管報價見表2，施工通風成本分析見圖3。由圖3可以看出，選擇優質的通風管雖然前期投入較大，但是可以明顯地減少后期電費支出，可見選擇優質的通風管是控制施工通風成本的有效措施。

表2不同廠家d=1.6 m風管報價
Table 2 Prices of 1.6 m diameter ventilation ducts manufactured by different companies

廠家單價(含稅及運費)/元漏風率/%國內廠家A51．31．5國內廠家B127．51．0國外廠家C166．60．5

圖3 選擇不同廠家風管后的施工通風成本分析Fig.3 Cost of ventilation during tunneling with ventilation ducts manufactured by different companies

3 通風機設備選型

施工通風中風機的選擇應遵循以下原則：1)風機應能滿足最大送風距離的供風需要；2)風機工況點應在合理的工作范圍內并盡可能靠近最高效率點；3)盡量選擇低噪、高效節能風機；4)瓦斯隧道應選擇防爆型風機。通風機的選擇與風管的選擇密切相關，一般在風管選定以后，在風量與管路阻力計算結果的基礎上即可進行。具體步驟如下：1)根據工作面需風量、風管的漏風率和摩擦因數以及最大送風距離，計算出需要的風機出口風量和風壓；2)根據所需要的風機供風量和風壓，計算出需要的風機的有效功率；3)根據所需要的風機供風量和風壓確定備選的風機；4)根據備選風機的特性曲線和風管的特性曲線，確定工況點，確保風機工況點的風量和風壓大于1)中所計算的風機出口風量及風壓。

4 通風管性能對通風機設備選型的影響

長大隧道獨頭施工通風一般選用風機與電機一體式的通風機，故在風量與管路阻力計算結果的基礎上即可進行。由表1及圖2可以看出，在安裝與維護技術水平同條件下，風管的出廠質量不同，最終選擇的風機功率差距非常大，對于長大隧道施工通風尤為明顯。如表1中1.6 m風管，當通風距離為6 km時，漏風率為0.5%的管路選擇的風機功率為289.8 kW，漏風率為1.5%的管路選擇的風機功率為598.0 kW，前者僅為后者的一半。通常，施工單位在采購國外風機的同時也選擇了國外的通風管，最后發現采用相同配置的風機風管進行施工通風時，通風效果好于國內風機風管，所以，當前很多施工人員認為國外風機普遍比國內風機好。這就是因為很多工程技術人員以隧道內通風效果來評價通風機的優劣。而實際上，國內通風管的質量較差才是當前很多施工隧道通風效果不好的主要因素；其次，用國內小廠家的產品與國外大品牌對比，有的施工項目選用的通風機，廠家連風機性能曲線都不能提供，這樣的風機肯定是不能代表國內的風機制造水平的，應該以同樣的價格采購國內知名大品牌的風機與國外風機進行對比；再次，認為國內風機性能不好是因為國內風機大多采用對旋風機的原因，而對旋風機與非對旋風機相比，本身就是一個進步，目前世界上很多風機廠家生產的風機都是對旋的。

圖4與圖5為某隧道進行風機采購不同廠家的報價對比。由圖可以看出，國外風機的價格為國內風機價格的2.5～4倍。針對于某隧道國內報價的風機總功率約為國外風機的2倍以上，國外風機的總報價比國內風機的最低總報價高45%，比國內風機的最高總報價低9.02%。顯然，這主要是由于風管質量的差距造成的，如果采用國外的風管，選擇國內的風機，則采購風機的費用可以減少為原來的50%左右。

圖4 國內外風機單價對比Fig.4 Prices of ventilation fans manufactured by foreign com-panies and those manufactured by domestic companies

圖5 某隧道不同廠家報價及功率單價對比Fig.5 Cost and unit price of a tunneling ventilation project proposed by different companies

國內生產隧道通風機的廠家并不多，多數為中小廠家，大型風機企業基本上未涉足隧道通風機生產，而國外隧道通風機的采購價格又過于昂貴，針對于此，國內大型施工企業可以與大型風機廠家簽訂科研和長期購銷合同，如此不僅利于節約項目成本，也有利于新型高效環保型風機的研發使用，從而提升隧道施工的節能環保水平。

5 結論與討論

長大隧道施工中長距離獨頭通風設備選擇應綜合整個工程施工期全壽命進行技術和經濟比選。對于風管的選擇，應盡可能地選擇大管徑、低漏風率的風管，風管的選擇是控制通風成本的關鍵。選擇優質的通風管，避免對國外風機的盲目依賴，是當前施工通風中應值得重視的問題。

另外，根據當前國內風機及風管生產情況來看，承擔國家重點項目的大型施工企業應該加強與風機及風管生產商的交流，讓國內相關行業的高新技術參與到隧道建設中來，擺脫對國外產品的依賴，才能真正達到節能、環保的目標。

[1]茍紅松，李永生，羅占夫.高海拔地區隧道施工通風風量計算及風機選型研究[J].隧道建設，2012,32(1)：53-56.(GOU Hongsong,LI Yongsheng,LUO Zhanfu.Study on air volume calculation and fan selection for tunneling ventilation in plateau area[J].Tunnel Construction,2012,32(1):53-56.(in Chinese))

[2]羅占夫，肖元平.南水北調西線隧洞獨頭通風14 km方案研究[J].隧道建設,2011,31(S1):354-357.(LUO Zhanfu,XIAO Yuanping.Case study on ventilation for 14 km-long single-direction tunneling on west route of South-to-North water transfer project[J].Tunnel Construction,2011,31(S1):354-357.(in Chinese))

[3]王延民,肖元平.長大隧道獨頭通風技術[J].隧道建設，2007，27(S2):429-432.(WANG Yanmin,XIAO Yuanping.Single-direction ventilation technology in construction of long tunnels[J].Tunnel Construction,2007，27(S2):429-432.(in Chinese))

[4]吳沛.合武鐵路紅石巖特長隧道施工獨頭通風技術研究[J].科技信息，2012(5):466-467，505.

[5]張建，張姣.TBM施工中通風和散熱問題的研究[J].鐵道建筑，2006(2):40-43.

[6]楊立新，洪開榮，劉招偉，等.現代隧道施工通風技術[M].北京：人民交通出版社，2012：135-137.

[7]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 9900—2008橡膠或塑料涂覆織物導風筒[S].1版.北京：中國標準出版社，2008.

[8]張建.TBM施工中的通風和散熱問題研究[D].武漢：武漢大學水工結構工程學院，2004.

[9]陳紅超.長距離引水隧洞TBM施工通風數值模擬[D].天津：天津大學環境工程學院，2007.

[10]朱齊平，劉進志，賴滌全.特長隧洞TBM施工通風系統設計[J].現代隧道技術，2007，44(3):50-53.(ZHU Qiping,LIU Jinzhi,LAI Diquan.Ventilation system design for TBM bored super long tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2007，44(3):50-53.(in Chinese))

敦格鐵路隧道水壓爆破試驗取得成效

2014年4月23日，敦格鐵路塞什騰隧道出口開挖班順利完成隧道掘進水壓爆破法試驗，并在排煙降塵、施工效率和施工成本等方面取得初步成效。

隧道掘進水壓爆破是在裝藥過程中，在炮眼中一定位置注入一定量經過專用設備加工而成的“水袋”，在炮眼口部利用炮泥堵塞。采取該方法，能夠縮短通風時間、降低成本消耗和保護作業人員身體健康。敦格鐵路隧道架子隊水壓爆破法較常規爆破方式取得了初步成效。一是排煙降塵時間縮短，施工效率提高。試驗中，炮響8 min后洞內基本沒有煙塵，較平常排煙降塵時間縮短約20 min，每循環提高進尺30 cm。二是炸藥利用率高，爆破效果好，經濟效益提高。采用水壓爆破法，每循環節約炸藥約14.2 kg(合10%)，且炮砟集中，每延米可節省施工成本250元左右。三是粉塵濃度降低，改善了作業環境，保障了作業人員身體健康。

(摘自 隧道網 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=ef0bd1ed-438b-455e-aa3a-3cb7ea0207f3&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-04-25)

CommentsonEquipmentSelectionforVentilationduringLong-distanceDead-endTunneling

Good ventilation is the pre-requisite for the safe construction of long tunnels and is also the guarantee measures for good construction progress and good works quality.In the paper,the performance parameters of ventilation ducts are analyzed,the influence of ventilation ducts on the ventilation energy consumption and ventilation fan selection is obtained,and the cost efficiency of the ventilation equipment and ventilation operation is analyzed,so as to achieve energy-saving and environment-friendly ventilation for long-distance dead-end tunneling.Conclusions drawn are as follows:1) Instead of ventilation fans made by foreign companies,high-quality ventilation ducts should be used; 2) The tunneling contractors should unite large-scale domestic ventilation fan manufacturers and ventilation duct manufacturer to manufacture high-quality ventilation equipment,so as to achieve energy-saving and environment-friendly tunneling ventilation.

long tunnel; ventilation during tunneling; equipment selection; ventilation duct; ventilation fan

2013-04-18;

2014-02-20

孫振川 (1972—),男,陜西韓城人,1995 年畢業于阜新礦業學院，采礦工程專業,碩士,教授級高級工程師,主要從事隧道及地下工程技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.003

U 45

A

1672-741X(2014)05-0408-05

SUN Zhenchuan1,GOU Hongsong2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China; 2.TechnologyCenter,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)