基于洞內空氣質量監測的長大隧道施工通風系統改進

肖粵秀，楊新安，江星宏，何知思

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

基于洞內空氣質量監測的長大隧道施工通風系統改進

肖粵秀，楊新安，江星宏，何知思

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

通風是長大隧道多工作面施工的重要輔助作業系統，是保證施工人員身體健康與機電設備正常運行的必要條件。通過對滬昆客專壁板坡隧道施工通風第五階段的通風質量進行現場監測，分析發現隧道內存在工作面供風量不足、工作面風速偏低、粉塵、CO含量偏高等問題，采取增設射流風機和軸流風機、加強對通風設備的管理與維護等措施改善通風系統。實測結果表明，以上措施改善了施工通風效果，提高了隧道內空氣質量，但還需要根據監測結果進一步改善通風系統。

長大隧道；多工作面施工；通風；空氣質量監測

鐵路新線建設中，長大隧道的施工進度往往決定了全線的工期。為縮短工期，長大隧道工程通常設計輔助坑道如平行導坑、斜井、豎井等以增加工作面、輔助隧道施工、加快施工進度，輔助坑道也是實施施工通風的重要通道。通風是長大隧道多工作面施工中重要的輔助作業系統[1]，是及時為工作面提供新鮮空氣、排出粉塵及有毒有害氣體、創造良好施工環境，保證隧道內工作人員健康與安全、維持機電設備正常運行的必要條件。

苑郁林等[2]對烏鞘嶺特長隧道施工通風階段劃分及其特點進行了總結，分析了施工通風對施工組織的制約，說明施工通風在特長隧道施工中的重要性。辛國平[3]介紹了渝利鐵路長洪嶺隧道施工中采用分隔斜井、設置風倉，聯合壓入式風管實現污風與新鮮風的分離的通風方法，適用于長大隧道斜井工區的長距離獨頭通風。胡根友[4]指出影響長大隧道通風效果的因素很多，應從加強施工現場的通風管理入手整體提高長大隧道施工通風質量。譚信榮[5]分析了油竹山隧道各施工階段的空氣質量測試數據，指出隧道掘進長度超過3 500 m后，粉塵濃度超標，結合數值計算結果，提出了干式除塵機與壓入式通風、巷道式通風相結合的優化措施，有效地降低粉塵含量，保證隧道內空氣質量。明建龍[6]介紹了云頂隧道采用的自動監測與人工監測所結合的嚴密有效的瓦斯監測系統及其通風方案，以提高瓦斯隧道的預測能力和通風效果。

許多學者[7-10]結合長大隧道施工特征對通風方案進行設計，并通過風量、風壓計算對風機、風管進行了選型與配置，強調了長大隧道施工過程中通過現場通風質量監測、數據分析等方法來實時調整并改進通風方案的重要性。但少有長大隧道工程在實際施工中通過通風質量監測結果反饋并改進通風設計方案的實施。

本文通過現場空氣質量監測結果分析得知，滬昆客運專線壁板坡隧道第五階段通風過程中存在工作面供風量不足、工作面風速偏低、粉塵和CO在工區內堆積無法快速排出等問題。針對此情況，對隧道通風系統提出了改進措施，并對改進后通風系統進行了空氣質量監測，證明了改進措施對于改善隧道內空氣質量起到較好作用。

1 工程概況

壁板坡隧道全長14.576 km，是滬昆線最長的隧道，屬I級風險隧道，是全線的重大控制工程。壁板坡隧道進口處受地形限制，采用合分修結構形式；隧道洞身被多條斷層帶切割，節理裂隙發育，地下水豐富，為控制施工風險、保障運營安全，設計為上、下行分離的雙線隧道。貫通平導位于隧道左側，全長14.717 km，作為施工通風和運輸的輔助坑道，并為正洞施工進行超前地質探測和預報。壁板坡隧道采用“平導超前、左線緊跟、右線正常推進”的施工方式，平導與正洞、左線與右線間以橫通道連接，實現多工作面快速施工。

根據壁板坡隧道施工階段特征和通風系統設計與實施方案，主要分為六個施工通風階段，如表1所示。

表1 隧道施工通風階段劃分Tab.1 Stages of ventilation during the tunnel construction

壁板坡隧道進、出口端同時掘進，平導超前掘進迅速貫通，隧道施工通風主要處于第五階段，如圖1所示。此時平導已貫通，左線尚未貫通，通風距離長，左、右線工作面多，工作面污風須經平導引流至已貫通左線內，造成平導內風流紊亂，污風排出不順，隧道內空氣質量下降。

圖1 第五階段施工通風示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fifth stage of ventilation

2 隧道施工空氣質量監測

通過對壁板坡隧道內粉塵及有害氣體含量進行監測，找出通風系統存在的不足之處，改善通風措施，確保隧道內空氣質量滿足規范要求，保證施工人員健康、施工設備正常運行。

2.1 隧道施工通風控制標準

根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2001）、《鐵路隧道施工技術規范》（JTJ 042-94）、《鐵路隧道工程施工安全設計規程》（TB 10304-2009）等技術規范，壁板坡隧道施工環境控制標準如表2所示。

2.2 監測儀器與測點布置

結合工程實際，本隧道重點針對CO、粉塵、風速、溫度等通風指標進行監測，監測儀器如表3所示。

表2 隧道施工通風控制指標Tab.2 Controlling indicators of ventilation during tunnel construction

表3 監測儀器型號表Tab.3 Models of monitoring instruments

隧道施工通風第五階段，平導已經全線貫通，左線1#～8#也已經貫通，8#橫通道成為隧道交通以及通風的關鍵節點，9#～12#橫通道處左、右線有多個工作面，因此在8#～12#橫通道處布置監測點以掌握隧道內空氣質量。監測點如圖2所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points in different sites

2.3 空氣質量監測結果

1）粉塵含量。隧道施工中粉塵主要來源于開挖面鉆孔、爆破噴射混凝土棄渣裝車運輸等施工環節，長時間懸浮于空氣中將嚴重降低隧道內的可見度、危害作業人員健康。

8#～12#工區各監測點粉塵含量如圖3所示。根據《鐵路隧道工程施工安全技術規程》（TB 10304-2009）中的要求，容許的粉塵濃度為每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2 mg。該階段內9#～12#工作面的粉塵含量均嚴重偏高，遠大于規定值，其中，9#工區13號測點為右線大里程處工作面，12#工區9號測點為左線大里程工作面，粉塵含量嚴重超標。

2）CO含量。CO是壁板坡隧道內主要的有害氣體，CO含量主要來源于CO沿開挖面裂隙滲透進入隧道開挖面，爆破完成后，通風風壓、通風風量、通風時間不足等造成CO滯留工作面附近。運輸車輛尾氣的排放也是CO的來源之一。

8#～12#工區各監測點CO含量如圖4所示。8#～10#工區內CO濃度滿足規范要求，而11#與12#工區內CO濃度遠超規范允許值30 mg·m－3（24 ppm），不滿足規范中隧道安全生產的要求。CO的滯留不僅容易起火，存在安全隱患，且作業人員吸入CO過多而易中毒，威脅作業人員安全。

圖3 8#～12#工區監測點粉塵含量分布Fig.3 Dust content in 8#～12#sites

圖4 8#～12#工區監測點CO含量分布Fig.4 CO content in 8#～12#sites

3）工作面風速。8#～12#各工作面風速如表4所示，多數隧道工作面風速小于0.25 m·s－1，其中9#右線大里程以及12#左線大里程兩個工作面風速低于0.1 m·s－1，不滿足規范要求，粉塵、CO易在工作面滯留，含量超標，降低了工作人員工作效率且危害作業人員健康。

4）溫度。8#～12#工區測點的平均溫度如表5所示，由圖可知各工區的平均溫度隨里程的增大而增大，各工區溫度基本滿足隧道洞內施工溫度規定要求。但11#工區處平均溫度28.3℃，最高溫度達到30.2℃，局部高溫將降低工作人員工作效率。

表4 8#～12#各工作面風速監測值Tab.4 Wind speed in working faces in 8#～12#sites

表5 8#～12#工區溫度平均值Tab.5 Average temperature in 8#～12#sites

3 監測結果分析與通風改進措施

由通風質量監測數據圖表可知，該階段隧道施工通風存在的主要問題是：①粉塵含量、CO含量超標，危害施工作業人員健康；②工作面風速偏低，污風無法迅速排出，尤其是8#橫通道與平導交叉處，前方工作面污風在此匯集后引流到左線，風速偏低，嚴重阻礙了污風的排出；③大里程工作面溫度偏高，影響施工人員作業效率。造成通風不暢的主要原因是：①由于風管通風距離長，經二襯臺車時風管未擺放平直、沿程阻力大導致風壓不足，風管在拐角處易出現破損造成漏風，未及時修補等導致隧道工作面供風量不足；②風管出口未隨工作面的推進而及時延長、影響了工作面污風排出；③平導內射流風機數量不足，污風排出不暢。

針對以上通風問題及其原因分析，對隧道該階段施工通風方案進行了調整：①在8#橫通道與平導交叉口處增設一臺射流風機，在通風距離較長的10#～11#橫通道之間的平導內增設一臺射流風機；②在9#左線大里程和12#左線小里程增設一臺射流風機；③在平導空氣質量較差的12#作業區增加一臺跨橫通道引流用軸流式風機；④加強通風設備管理，按時檢查并及時修復破損風管，工作面推進后，及時延長風管。

4 改進后通風監測結果

通風方案調整后，再次對通風質量指標進行了監測，改進后粉塵含量、CO含量、工作面風速如圖5～圖7所示。

改進后，各工區測點粉塵含量均大幅減少，基本滿足規范要求。8#、9#工區內 CO含量略有減少，10#工區內 CO含量反而有所上升，11#、12#工區內仍大于規定值，其中 10#區因風機損壞停止工作、11#工區因監測時段有爆破施工導致CO的濃度值較高。改進措施并未達到有效減少各工區內 CO含量的目的，需進一步調整通風方案。除11#左線大里程處工作面風速低于0.25 m·s－1外，其余工作面風速均滿足要求。

改進前、后8#～12#工區測點的平均溫度如圖8所示，由圖可知各工區的平均溫度隨里程的增大而增大。改進后，8#、9#、11#工區的溫度均明顯降低，12#工區處略高于28℃，基本滿足隧道洞內施工溫度規定要求。

圖5 改進后8#～12#工區監測點粉塵含量Fig.5 Dust content in 8#～12#sites after improvement

圖6 改進后8#～12#工區監測點CO含量Fig.6 CO content in 8#～12#sites after improvement

圖7 改進前、后8#～12#各工作面風速Fig.7 Wind speed in working faces of 8#～12#sites before and after improvement

圖8 改進前、后8#～12#工區平均溫度Fig.8 Average temperature in 8#～12#sites before and after improvement

5 結論

針對滬昆客專壁板坡隧道在平導已貫通，左線尚未貫通，左、右線工作面較多時的通風階段進行了監測分析，指出了該階段內由于風管通風距離長、沿程阻力大、風管未及時隨工作面推進而延長等原因造成工作面供風量不足，平導與橫通道內射流風機不足導致風速偏低，污風不能及時排出，而使隧道內CO、粉塵含量偏高，影響了施工人員工作效率與身體健康。

通過在工作面、平導內增設射流風機、在橫通道內增設軸流風機，引導并加速污風的排出，同時加強對通風設備的管理與維護，對通風系統進行了調整。監測結果表明，這些措施有效地降低了工作面及平導內CO、粉塵含量以及工作面溫度，促進了污風迅速經平導進入左線，排至洞外，極大地改善了洞內施工人員的工作環境，為隧道掘進工作的正常進行及機械設備的保護創造了較好的施工環境。

長大隧道多工作面施工過程中，工作面增減頻繁，工序轉換次數多，通風條件復雜，不僅要求施工通風組織能配合施工工況及時進行調整，也需進行空氣質量監測，對當前的通風系統進行評價并進一步優化通風方案，保證隧道內空氣質量滿足要求，同時保障隧道快速施工滿足工期要求。

[1]王夢?。袊淼兰暗叵鹿こ绦藿夹g[M]．北京：人民交通出版社，2010．

[2]苑郁林，楊木高.烏鞘嶺鐵路隧道施工通風特點及其對施工組織的制約性[J].公路，2003，8（8）：166-169.

[3]辛國平.長大隧道分隔巷道與風管聯合通風施工技術[J].現代隧道技術，2015，52（6）：184-189.

[4]胡根友.長大隧道施工通風技術應用研究[D].成都：西南交通大學，2008：60-61.

[5]譚信榮，陳壽根，張恒.基于洞內空氣質量測試的長大隧道施工通風優化[J].現代隧道技術，2012，49（6）：152-157.

[6]明建龍.高瓦斯隧道監控與施工通風設計[J].鐵道建筑，2009（2）：18-20.

[7]王立琛.長大公路隧道施工通風技術研究[J].山西建筑，2009，35（11）：317-318.

[8]申百囤.長大隧道巷道式通風技術與應用[J].北方交通，2012，10（10）：93-96.

[9]田傳海.長大隧道施工通風方案設計[J].西部探礦工程，2008，12：190-192.

[10]黃強.長大隧道通風施工技術[J].山西建筑，2014，40（9）：187－188.

Improvement of Ventilation System during Large-Tunnel Construction Based on Air Quality Testing

Xiao Yuexiu，Yang Xin’an，Jiang Xinghong，He Zhisi
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Ventilation is an important aided system of the multiple working faces in the long and large tunnel construction,which is the necessary condition to ensure the health of the working staff and the running of electromechanical equipment.By testing air quality of the fifth ventilation stage during Bibanpo tunnel construction in site,this study showed that the short supply of air volume,low speed of wind,and high content of dust and CO were the main problems.Extra jet fan and axial fan were installed and the management and maintenance to the ventilation equipment were reinforced to improve the ventilation system.Measured results showed that those measures improved the effects of ventilation and the air quality during tunnel construction.But further improvements are needed according to the results.

long tunnel；multiple working faces；ventilation；testing of air quality

U25

A

1005-0523（2016）06-0043-07

（責任編輯 王建華）

2016－05－09

肖粵秀（1992—），女，碩士研究生，研究方向為隧道及地下工程。

楊新安（1964—），男，教授，博士生導師，研究方向為隧道工程，城市地下工程。