特長公路隧道施工通風若干技術(shù)問題研究

肖 勇, 徐林生，陳永權(quán), 何光友，左 明(.重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074； .重慶市涪陵高速公路建設(shè)投資有限公司，重慶 408000)

特長公路隧道施工通風若干技術(shù)問題研究

肖 勇1, 徐林生1，陳永權(quán)2, 何光友2，左 明2
(1.重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074； 2.重慶市涪陵高速公路建設(shè)投資有限公司，重慶 408000)

特長隧道施工通風的綜合研究是一項重要技術(shù)課題。文章主要根據(jù)特長公路隧道在施工過程中產(chǎn)生的污染氣體狀況，來探索其施工時應(yīng)采用的合理通風方式，給出了特長公路隧道施工通風需風量的計算方法，詳細論述了通風機與風管的合理選型、布置以及根據(jù)需風量計算來針對性地設(shè)置相應(yīng)施工通風的風機數(shù)量、風機位置等內(nèi)容。

隧道施工通風; 需風量；通風方式；風機

在特長公路隧道建設(shè)快速發(fā)展的大環(huán)境下，由于現(xiàn)代隧道大多以鉆爆法施工和無軌運輸為主，其施工通風問題就成為安全、快速施工的最大障礙。為確保施工人員在洞內(nèi)的安全，考慮到施工進度及成本等因素，特長公路隧道施工通風便成了設(shè)計單位、施工單位及建設(shè)管理單位必須研究的重大技術(shù)難題。

1 特長公路隧道施工污染源

1.1 有害氣體

在特長公路隧道的施工過程中，洞內(nèi)會因為施工設(shè)備、地質(zhì)條件等因素產(chǎn)生各種對洞內(nèi)施工人員造成不利影響的有害物質(zhì)，其開挖方法決定了主要污染物的來源。而特長公路隧道施工一般采用深孔全斷面爆破開挖，所以其主要污染源的產(chǎn)生有：(1)因爆破產(chǎn)生的炮煙中夾帶的有害氣體；(2)內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣；(3)爆破及錨噴過程中產(chǎn)生的粉塵。由于受不同地質(zhì)條件的影響，可能會產(chǎn)生瓦斯和天然氣等可燃氣體、硫化氫及缺氧空氣等，主要有CO、NOX、CO2、H2S、SO2等有毒有害氣體。隧道施工中有害氣體的允許濃度見表1。

表1 隧道施工中有害氣體允許濃度

1.2 粉塵

特長公路隧道施工中的粉塵一般指100 μm以下的巖粉、水泥粉塵、煙塵及焊塵等[2]。粉塵產(chǎn)生的原因主要有：(1)鉆孔鑿巖及爆破作業(yè)；(2)棄砟裝運作業(yè)；(3)隧道內(nèi)混凝土攪拌車的運作；(4)掘進機的開挖作業(yè)；(5)噴混凝土作業(yè)。根據(jù)粉塵防治技術(shù)機理的不同，大體可將隧道內(nèi)粉塵防治技術(shù)措施分為減塵、降塵、排塵、除塵和個體防護5類[3]。隧道內(nèi)粉塵允許濃度值見表2。

表2 粉塵允許濃度值

1.3 其它有害因素

在特長公路隧道施工中，影響施工環(huán)境的其它因素還有很多，如溫度、濕度、風速、氣壓以及含放射性元素的物質(zhì)等。如果這些因素沒有妥當處理好，同樣會危害隧道內(nèi)施工人員的健康，拖延施工進度，從而降低工作效率。

2 特長公路隧道施工通風方式

由于公路隧道修建越來越長，自然通風根本無法滿足特長公路隧道在施工過程中的通風要求，因此在特長公路隧道中，一般考慮采用長大通風管路和巷道式進行施工通風，通風設(shè)備也越來越大。機械通風包括多種方式，一般根據(jù)隧道的長短、是否存在輔助坑道和自然地質(zhì)條件來選擇不同的通風方式[4]。特長公路隧道施工通風方式主要有壓入式、抽出式、混合式和巷道式。

2.1 管道式通風

2.1.1 壓入式通風

壓入式通風的工作原理是由通風機將新鮮空氣經(jīng)風筒壓入隧道施工工作面，使污濁氣體沿隧道排出。這種通風方式有效射程大，沖淡和排出炮煙的作用比較強[5]，污濁氣體在回流過程中不經(jīng)過通風機，因此對通風設(shè)備的污染小。但同時污濁氣體由工作面緩緩排出洞口，使整條隧洞都處于污濁氣體中。此通風方式一般采用成本較低的柔性風管，無軌運輸施工的特長公路隧道可采用此通風方式。

2.1.2 抽出式通風

抽出式通風的工作原理是新鮮風由隧道洞口流入，將污濁空氣從風管吸出洞外。此通風方式優(yōu)于壓入通風式之處在于洞身段處于新風中，有利于隧道后部的工作。由于風口正對隧道內(nèi)的污濁氣體，所以排煙效果較好，相對壓入式通風來說需風量小，且污濁的回風氣流不會污染整條隧道。抽出式通風的缺點是施工工作面得到新鮮風的時間相對較長，施工人員須等到工作面正常通風情況下進行作業(yè)，因此會延長特長公路隧道的施工進度。抽出式通風一般在有軌運輸施工的隧道中采用。

2.1.3 混合式通風

混合式通風則兼具了壓入式通風與抽出式通風的優(yōu)點，它在隧道施工工作面附近采用壓入式，在其后采用抽出式。混合式通風有長壓短抽式和長抽短壓式兩種方式?；旌鲜酵L適用于長大隧道通風，因為需要增設(shè)一套通風設(shè)備，所以隧洞凈空要求較大。

2.2 巷道式通風

巷道式通風主要是針對在長大隧道施工通風中增設(shè)各種輔助坑道的情況，比如平行導(dǎo)坑、斜井、豎井及鉆孔等(圖1)[6]。巷道式通風優(yōu)于其他通風方式的地方在于其充分利用輔助坑道進行施工通風，不致回流廢氣污染隧道，同時也縮短了獨頭通風的距離，使新鮮空氣更快速地到達工作面。但采用這種通風方式的缺點是拖延了施工進度以及加大了施工難度。

圖1 巷道式通風圖示

3 特長公路隧道施工通風需風量計算

在特長公路隧道施工中，為保證隧道掘進的快速安全，通風問題是其研究與落實的重點。在解決隧道施工環(huán)境的問題中，通風不但可以持續(xù)為洞內(nèi)提供新鮮空氣，將粉塵及污染氣體排出到洞外，為隧道內(nèi)施工人員提供一個安全舒適的工作環(huán)境，而且還可以保護洞內(nèi)機電設(shè)備不受腐蝕，從而保持正常運轉(zhuǎn)。在施工通風設(shè)計中，需根據(jù)實際工況、內(nèi)燃設(shè)備以及隧洞內(nèi)工作人員數(shù)量等因素來確定洞內(nèi)所需風量和需安裝風機數(shù)量。

(1)根據(jù)隧道施工中洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備功率和工作人員數(shù)量，其所需風量等于功率通風計算系數(shù)k乘以所有內(nèi)燃設(shè)備功率的總和再加上4n(n為作業(yè)人員數(shù)量)。

(2)根據(jù)沖淡爆破中產(chǎn)生的有害氣體，可以計算所需風量。

①在壓入式通風環(huán)境下，根據(jù)由于爆破原因在施工工作面產(chǎn)生的有害氣體濃度降至允許濃度，可以計算所需風量：

②在吸出式通風條件下，其需風量計算為：

③在混合式通風條件下，由于所使用的兩臺通風機工作方式不同，所以須分別計算其風量。

當采用壓入式通風方式向工作面提供新鮮風時，其所需風量為：

當隧道采用吸出式通風方式由風機從工作面吸出污濁空氣時，風機從施工工作面凈吸風量等于工作面風量與隧道掘進斷面積乘以隧道允許最低平均風速之和。

以上計算式中，t為散煙通風時間(min)；G為一次爆破炸藥總量(kg)；A為隧道掘進面的斷面積(m3)；L為隧道全長或臨界長度(m)；b為洞內(nèi)爆炸時產(chǎn)生的有害氣體總量；L0為抽出式風管管口與施工工作面之間的距離(m)；φ為淋水系數(shù)。

(3)根據(jù)經(jīng)驗風速來計算需風量。假如過風斷面在40 m2以下其風速取值為1.5～2.0 m/s；過風斷面在40～100 m2之間其風速取值為1.0～1.5 m/s。其需風量等于隧道允許最小風速乘以隧道凈空斷面，變斷面按最大斷面取值。

4 特長公路隧道施工通風設(shè)備的選擇與布置

4.1 特長公路隧道施工風機的選擇

4.1.1 風機選擇參數(shù)

(1) 計算風機工作風量Q0。在管道通風中，風管漏風是主要問題。通風管道漏風率是直接評判管道安裝及管道維護質(zhì)量好壞的標準。洞內(nèi)工作風量的計算公式為：

Q0=ηQ

式中：η為漏風系數(shù)；Q為計算風量(m3/min)。

(2) 計算風機工作風壓hf。

在選擇風機時，其工作風量與工作風壓應(yīng)滿足Q0和hf的要求，但hf不應(yīng)大于風管的允許工作壓力。

4.1.2 風機選擇原則

在通風機型號的選擇方面需遵循3個原則：通風機產(chǎn)生的風量不能小于理論計算風量，通風機直徑與選取通風管直徑不能差別太大，風機全壓值不小于管道總阻力[7]。特長公路隧道施工通風設(shè)計中，根據(jù)通風方案計算出施工通風所需的風量及風壓，由此選擇最合適、最經(jīng)濟的通風機類型。

考慮到通風系統(tǒng)的控制及節(jié)能，應(yīng)盡量考慮選用無級變速節(jié)能的風機。一般國內(nèi)通風機標定的風量、風壓、電機功率等在實際運轉(zhuǎn)中并不能夠全部有效發(fā)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[8]。

4.2 特長公路隧道施工風機的安裝布置

4.2.1 特長公路隧道施工風機安裝

在特長公路隧道施工中，需利用風機排出隧道內(nèi)污濁氣體所含有的主要成分是內(nèi)燃機釋放的廢氣和開挖時爆破產(chǎn)生的炮煙。因此可以將風機根據(jù)其主要作用分別安裝，將抽風機安裝在隧道的中上部，主要是為了抽出洞內(nèi)污濁廢氣；壓風機安裝在隧道的偏下部，主要是為了將低溫的新鮮空氣送入洞內(nèi)，以此為洞內(nèi)施工人員提供一個良好的工作環(huán)境。為減少施工通風中風機的振動，必須將風機支架安裝牢固，以免影響風機安裝質(zhì)量。風機應(yīng)安裝在一定的高度，與風管連接平順。

4.2.2 特長公路隧道施工風機布置

在特長公路隧道施工時，可以在進風洞和無軸流風機段布置較少射流風機，在污風洞和有軸流風機段多布置射流風機。在特長公路隧道施工通風時，為了加速風流速度，可在軸流風機后方200 m處布設(shè)一臺射流風機。風機的布置可根據(jù)風機數(shù)量及布設(shè)方式的區(qū)別分為集中布置和串聯(lián)布置。集中布置是將滿足隧道通風要求的所有風機集中布設(shè)在隧道內(nèi)或隧道外，串聯(lián)布置則是將通風機分散布置在隧道內(nèi)以形成串聯(lián)的布置方法。

4.3 特長公路隧道施工風管布設(shè)

風管的質(zhì)量與適用性以及風管的安裝與維護在特長公路隧道施工通風中都起著重要作用，一般在特長公路隧道中都采用的是長管路通風?？紤]到風管安裝的技術(shù)性和經(jīng)濟性，軟風管比硬風管更便于安裝，但須通過風管漏風率、風阻、接頭氣密性、安裝條件等方面綜合考慮選擇合適的風管。在確定風管直徑時，應(yīng)根據(jù)隧道斷面、通風量以及風管長度綜合考慮。風管的吊掛應(yīng)安裝主引鋼絲作為風管吊裝的主索，風管采用安裝活動掛鉤懸掛于主引鋼絲上，這樣不僅方便該段風管的安裝，而且可有效防止因外力作用被損壞[9]。

5 特長公路隧道施工通風管理

特長公路隧道施工通風管理是完善施工方法、提高工作效率、減少能耗、降低施工通風成本的關(guān)鍵因素[10]。由于許多施工單位對施工通風工作不夠重視，在施工通風技術(shù)和管理方面的缺失，直接影響施工通風的效果，以及隧道開挖與通風管理工作的不協(xié)調(diào)，造成拖延施工進度，甚至損害施工人員的健康，所以必須加強通風管理和完善通風控制系統(tǒng)，在負責技術(shù)和管理方面配備專業(yè)的工作人員。為合理優(yōu)化施工通風管理系統(tǒng)，為隧道提供一個安全健康的工作環(huán)境，施工通風管理應(yīng)從通風技術(shù)、通風管路、風機管理和通風監(jiān)測方面入手。

5.1 通風技術(shù)管理

對負責通風工作的人員進行必要的崗前培訓(xùn)，傳授必要的專業(yè)知識，經(jīng)嚴格考核合格后持證上崗。不定期地對隧道施工通風管理人員及技術(shù)人員進行安全意識培訓(xùn)，提高通風技術(shù)水平。通風技術(shù)管理要全面完善通風設(shè)計方案，它是隧道施工通風的前提保障。

5.2 通風管路管理

確保通風管道與風機的合理匹配，要做到風管連接平順且不漏風。若發(fā)現(xiàn)風管破壞或漏風嚴重時，應(yīng)及時對其養(yǎng)護與維修。

5.3 風機管理

對隧道內(nèi)風機定期檢查與維修，確保風機正常運轉(zhuǎn)。如風機因故停轉(zhuǎn)，應(yīng)及時養(yǎng)護維修，保持其良好的運行狀態(tài)。風機是施工通風的動力源，要保證其正常運行，才能得到最佳的通風效果。

5.4 通風監(jiān)測

定期地對隧道進行一次全面風量測定，監(jiān)測通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證通風系統(tǒng)的合理性與可靠性。通風監(jiān)測是為了及時將隧道施工通風效果反饋給工作人員，若通風效果不佳，須及時安排處理，保證隧道內(nèi)施工人員的工作環(huán)境。因此通風監(jiān)測是隧道安全施工的保障。

6 結(jié)束語

綜上所述，特長公路隧道施工通風與洞內(nèi)施工人員的安全與身體健康緊密聯(lián)系，還關(guān)系到機械設(shè)備的使用效率等問題。隧道內(nèi)施工通風的效果直接影響到施工環(huán)境的好壞，做好特長公路隧道的施工通風，仍然需要我們從工程建設(shè)管理、人身安全與健康等多方面來綜合、系統(tǒng)地做進一步的針對性專題研究。

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重慶市涪陵區(qū)科委與重慶市交通科技項目(JK2015-03)

肖勇(1992～)，男，碩士研究生，研究方向為隧道工程。

U453.5

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[定稿日期]2016-07-13