高原螺旋隧道施工通風設計

張 凱

（山西新世紀交通建設工程咨詢有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

臥龍溝隧道穿越祁連山脈，位于青海省與甘肅省交界處太子山自然保護區內。隧道區屬構造剝蝕高山地貌區，地形起伏大，地質條件復雜，受地形影響，采用螺旋型隧道，總轉角近220°，曲線最小半徑為700 m。集中升坡，進出口高差達58 m，隧道范圍內中線高程2 958～3 025 m。施工難度大、技術含量高，是大循高速公路控制工期的咽喉工程。

2 工程主要特點及技術難點

a）隧洞處在高海拔嚴寒地區。冬季凍土深度達到100 cm，空氣稀薄，洞口含氧量僅為15.9%，洞內更低。施工環境惡劣給施工通風帶來了一系列技術問題，不僅直接影響施工人員的身心健康，而且會使作業人員勞動效率大幅降低。所以在低氣壓、寒冷、缺氧的高原環境下利用隧道外新鮮空氣稀釋和排除隧道內產生的有害氣體和降低粉塵，使其達到隧道作業環境標準，從而改善隧道內施工人員的勞動條件，保證順利施工，是該隧道施工通風的一大技術難題。

b）隧道受地形影響，采用螺旋型隧道，總轉角近220°。在國內，海拔3 000 m以上長度達到2 500 m以上采用螺旋型設計的隧道在西北高原隧洞施工中是僅此一例。由于是曲線螺旋隧洞，單端掘進長度均在1 300 m以上，煙塵只能通過隧洞排出[1]，且自卸汽車廢氣排放量大，沿隧洞分散分布，稀釋較困難，隨著隧洞的加深，通風排煙將十分困難。必須采取有力的通風防塵措施，以保障洞內空氣清新，創造良好的施工環境，保證洞內施工人員的身體健康，提高勞動效率，加快施工速度。

c）根據《海拔高度、氣壓、氣溫、沸點、空氣密度、含氧量、柴油機功率、電氣功率、勞動者體力對照表》[2]勞動力效率為平原的64%；電氣電動機功率為平原地區的88%；空氣密度為平原地區的70%；柴油機功率為平原地區的76%，廢氣排量由于含氧量低，燃燒不充分卻反而增加。

3 隧道內有害氣體的排放

臥龍溝隧道內的有害氣體主要有內燃機械排出的尾氣，隧道爆破、焊接作業產生的有害氣體和作業人員呼吸排放的二氧化碳。

由于Ⅲ級圍巖開挖進尺大，用藥量多，污濁氣體排出量大，故按Ⅲ級圍巖計算。選取最不利組合確定用風量。主要計算參數：Ⅲ級圍巖開挖進尺2.5 m，斷面面積82.28 m2，炸藥用量0.87 kg/m3（中風化花崗巖）。工作面最多人數取45人（鉆爆20人，初支10人，二襯10人，其他5人）。作業人員供風量4 m3/人·min（平原地區為 3 m3/人·min），爆破通風時間40 min（平原地區為 30 min），通風管道直徑1.5 m。管道百米平均漏風率1.7%，管道達西系數0.015，空氣密度0.9 kg/m3（空氣密度為平原的70%），隧道通風需要的最低風速0.15 m/s。

3.1 風量計算

3.1.1 按洞內同時工作的最多人數計算風量

式中：q為作業人員供風量4 m3/人·min；m為工作面最多人數取45人；k為風量備用系數取1.3。

計算得：Q=234 m3/min.

3.1.2 按排出炮煙計算風量

式中：G為同時爆破的炸藥消耗量，G=A·l·q，計算得178.9 kg；A為掘進面積，82.25 m2；l為循環進尺，2.5 m；q為單位耗炸藥量，0.87 kg/m3；b為炸藥爆炸時有害氣體生成量，取40 m3/kg；t為通風時間，取40 min；l0為 炮 眼 拋 擲 長 度 ，l0=15+G/5，計 算 得50.78 m。

計算得：Q=790 m3/min.

3.1.3 按允許最低風速計算風量

式中：V為工作面最小風速，全斷面開挖取0.15 m/s，分部開挖取0.25 m/s；A為掘進面積82.25 m2。

計算得：Q=740.3 m3/min.

3.1.4 按稀釋和排除內燃機廢氣計算風量

洞內內燃設備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應足夠將內燃設備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，計算式為：

式中：K為功率通風計算系數，我國暫行規定為2.8～3.0 m3/min（介于本隧道為高原螺旋隧道取3）；Ni為各臺柴油機械設備的功率（詳見臥龍溝隧道內燃設備配置表）；洞內Ti為利用率系數（詳見表1）。

表1 臥龍溝隧道內燃設備配置表

計算得Q=1 893 m3/min；

Qh=max（Q1，Q2，Q3，Q4）=1 893 m3/min.

3.2 通風機所需供風量

百米平均漏風率B取1.7%（考慮到螺旋隧道比直線隧道漏風率取值增加了10%），管道漏風系數為:

式中：L為循環進尺；故通風機的設計風量為Qj=P·Qh=1.25×1 893=2 366 m3/min，即 39.43 m3/s。

3.3 管道壓力損失及通風機全壓

3.3.1 管道摩擦阻力系數

式中：λ為沿程阻力系數，又稱管道達西系數，取0.015（取值時考慮到螺旋隧道）；ρ為空氣密度，取0.9 kg/m3。

經計算可得α=0.001 69 kg/m3.

3.3.2 管道風阻力系數

式中：a為管道摩擦阻力系數；L為最大通風長度1 300 m；D為管道直徑1.5 m。

代入后計算可得Rf為1.88。

3.3.3 沿程摩擦通風阻力損失

式中：Rf為管道風阻力系數；Q為通風機的設計風量39.43 m3/s；P為管道漏風系數。

代入后計算可得hf=2 572 Pa.

為簡化計算，局部損失取為沿程阻力損失的10%，即ht=0.1hf；通風機工作風壓按通風系統克服局部風阻、沿程風阻之和計算，即：Pt=max（hf+ht）=2 829 Pa.

3.3.4 選擇1臺通風機單管壓入式通風，每臺通風機配用的電動機功率

式中：Q為通風機供風量；Pt為通風機工作風壓；η為通風機工作效率，取60%（電氣電動機功率為平原地區的88%）。

代入后計算可得N=204.5 kW.

3.4 通風機選型及布置

由以上計算可知選擇的通風機的最低技術參數要求為：Q=2 366 m3/min，Pt=2 829 Pa，N=204.5 kW。故初步選定SDF（B）-4-No12.5通風機，轉速1480 r/min，Q=2 912 m3/min，Pt=5 355 Pa，N=2×110 kW 可以滿足要求。采用單管壓入式通風，在進口洞外20 m安裝串聯兩臺通風機，采用φ1.5 m柔性通風管道，通風管隨掌子面的推進接長，接長到距掌子面約50 m處。新鮮空氣通過柔性通風管道壓入到工作面，洞中的污染氣體及粉塵沿隧洞排出洞外[3]。

4 施工過程中應注意的事項

a）該隧道為小半徑螺旋曲線隧道，曲線最小半徑為700 m，半徑小，風筒也隨隧洞曲線布置，彎折處較多，導致風力損失加大；柔性通風管道在通過車行橫洞、二襯臺車時需合理布設及時調整風管架設線性，減少折彎避免加大風力損失。

b）隧道是上坡施工，集中升坡，進出口高差達58 m，隧道進口掌子面洞底高程進洞后高于洞口洞頂高程，因此煙塵不易排出洞外；當隧道進口端通風情況不理想時可在隧道加寬段增設一臺110 kW通風機，通過柔性通風管道與原通風機串聯。保障洞內空氣清新，創造良好的施工環境。

c）在施工過程中施工機械及人為因素會造成風筒破損，導致風力損失增加。需及時派人對風筒破損處進行縫補，并對風袋接頭盡量順直[4]。

5 結語

高原地區高寒缺氧氣壓低，工程機械有害氣體排放量大，為高原隧道施工通風工作增加了難度，尤其是高原螺旋隧道施工通風技術更是一大技術難題。本文結合臥龍溝隧道施工通風實例給出了高原螺旋隧道的施工通風設計方法，可為高原螺旋隧道通風施工提供參考。該類型隧道施工中還應不定期檢測洞內空氣氧含量，在連續通風的開放環境下根據現場實際情況，必要時采用背負氧氣瓶使所有隧道施工作業人員呼吸到醫用氧，從而降低高原病征的發生。