通風節能技術之分離式公路隧道巷道式通風技術研究

陳進明

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

長大隧洞施工中，通風問題一直是制約施工進展的重大難題［1］。但目前施工單位普遍對通風問題重視不足，通風技術長期停滯不前，多采用經驗類比法，通風方案選擇沒有進行理性分析。

在“平導＋正洞”的鐵路隧道施工中，常規通風方案一般為巷道式［2］。但在公路隧道施工現場，仍較多采用壓入式通風。而采用巷道式通風，既可以提高隧道內空氣質量，改善洞內運輸條件，還能大幅降低通風成本。

2 通風技術與節能的思考

2.1 通風成本因素

通風成本主要分為4個方面：風機購置成本、風管購置成本、電費投入及通風管理。對長隧道而言，因施工期較長，各類通風成本中，電費投入為最大部分，一般占比在80%以上，其余3項支出約在20%以內［3］。因此，降低風機的總裝機功率，對施工企業將帶來巨大的經濟效益。

2.2 降低風機功率的思路

根據風機功率計算公式［4］W＝QHK/（60η），風機工作效率η及功率儲備系數K均為常數，變數為風機供風量Q和工作風壓H。無論是降低風機的供風量Q還是工作風壓H，均能達到降低風機功率的目的。

風管沿程阻力［5］hf＝a·L·U·Q2/S3，局部阻力 hx＝0.612εQ2/S2，總阻力 H＝hx＋hf。根據以上公式，除摩擦阻力系數a＝0.002 N·s2/m4為常數外，無論縮短供風段落長度L，還是降低風道流量Q或增加風管直徑使風管面積S增加，均可達到降低摩擦阻力hf并最終降低工作風壓H的目的。

風管百米漏風率［6］則其漏風系數風機供風量Qm＝PL·Q。根據以上公式，在工作面需求風量Q一定時，降低管道漏風系數PL是降低風機供風量Qm的唯一辦法，但通過降低百米漏風率P100或縮短供風段落長度L，也可達到降低管道漏風系數PL的目的。

2.3 降低風機功率的方法

（1）在隧道凈空尺寸允許的情況下，盡可能選擇大直徑風管。

（2）采用巷道式通風或洞內接力等措施，將長距離通風變為逐級供風，縮短單級供風段落長度。

（3）選用優質供風風管，降低漏風率。

（4）加強通風管理，破損的風管及時更換。

3 背景案例簡介

平天高速公路關山隧道（K79＋826～K84＋396.944）為分離式雙車道斷面，出口段作業長度4 570 m，合同工期3年。洞內每700 m左右設有車行、人行通道可供利用。

鄭西高速公路伏牛山隧道（K82＋363～K91＋546）為分離式雙車道斷面，全長9183m，合同工期3年。隧道共設置車行橫洞11處，人行車行橫洞23處；在K84＋918.3處設置1#通風斜井，在K88＋425.5處設置2#送風斜井，在K88＋462.7處設置3#排風斜井，施工時作為施工輔助通道使用。

以上案例隧道均采用鉆爆開挖，無軌運輸。

4 通風設計

4.1 設計參數

正洞最大開挖面積A＝82 m2，爆破深度4 m；巖石炸藥用量0.9 kg/m3；排煙通風時間t＝20min；風管百米漏風率P100＝1.5%；自卸車洞內車速12 km/h，柴油機用風指標［7］4.5 m3/min·kW。

4.2 工作面風量計算

（1）按洞內作業人數計算

人均新鮮空氣需求［7］q＝3 m3/min，同時工作人數m＝90人。則Q1＝m·q＝90×3＝270 m3/min。

（2）按最低允許風速計算

υ≥0.15 m/s［7］，則 Q2＝60·υ·A＝60×0.15×82＝738 m3/min。

（3）按最多炸藥用量計算

一次爆破炸藥用量G＝0.9×（82×4）＝295 kg，則炮煙拋擲長度L0＝15＋G/5＝15＋295/5＝74 m。但實際應用時，考慮到通風區段要滿足掌子面到二襯區間的通風需求，取L0＝100 m。工作面新鮮風量［8］需求為：

工作面設計風量取值Q＝1 100 m3/min。

4.3 工作面風量計算及風機選型

擬對壓入式、巷道式方案比選后擇優選用。不同通風方式中，各部位通風設計距離見表1、表2。

表1 關山隧道通風設計距離

采用24 t紅巖自卸車（功率225 kW）出渣、ZL50型裝載機（功率150 kW）裝渣。重車負荷率為0.8，空車負荷率0.3，裝載機負荷率0.7，設備利用率0.8［1］。裝渣循環時間 Δt＝6 min/車，按及 Q＝4.5計算各施工部位機械布置及供風量，見表3。

表2 伏牛山隧道通風設計距離

表3 各部位機械布置及供風量計算

經計算，各段漏風系數見表4，風機風量選擇見表5。

表4 漏風系數計算值

表5 不同工況下的風機供風量計算

根據規范［9］，風管設計風速宜為 6～14 m/s，掌子面需求風量Q＝1 100 m3/min，推算風管直徑d≈＝1.3～2 m，實際選用值見表6。

采用 hf＝a·L·U·Q2/S3、hx＝0.612εQ2/S2及h＝hf＋hx，計算各通風段沿程阻力及局部損失，見表6。

式中，h為總阻力，Pa；a為摩擦阻力系數，取值0.002 N·s2/m4；L為供風長度，m；U為風管周長，m；Q為風道流量，m3/s；S為風管面積，m2；hx為局部阻力，Pa；hf為摩擦阻力，Pa。

表6 不同工況下的風壓損失計算結果

根據 W＝QHK/（60η）［5］，可得各方案風機需求功率及各作業面風機型號，見表7、表8。

表7 關山隧道不同工況下的風機配置（含左右幅）

5 通風布置

常規方案一般在洞口布置1臺風機，直接向掌子面壓入式通風［10］。考慮2個案例隧道施工周期較長，以及伏牛山隧道作業面多的特點，電能消耗是通風中首要考慮的問題，故關山隧道及伏牛山隧道1#斜井設計了單獨壓入式（伏牛山隧道1#斜井增加接力式）和巷道式方案予以比較，擇優選用，伏牛山隧道2#、3#斜井直接選用巷道式通風方案。

表8 伏牛山隧道各施工作業面風機配置（含左右幅）

5.1 關山隧道

5.1.1 方案Ⅰ：全隧道壓入式通風

左、右洞洞口外30 m處各安裝1臺4×110 kW軸流風機，直接向掌子面壓入通風，通風距離4 600 m，通風布置見圖1。該方案中，風管直徑均為1.8 m，主風機1、2功率均為440 kW，設計風量4 000 m3/min，全壓5 000 Pa。

圖1 全隧道壓入式通風系統布置

5.1.2 方案Ⅱ：壓入式通風結合巷道式通風

該方案分兩階段實施。第一階段，在前期2 100～2 400 m掘進時，通風布置與圖1同，左、右洞各安裝1臺軸流風機，直接向掌子面壓入通風。

第二階段，在完成2 100～2 500 m掘進后，改用巷道式通風，如圖2所示。左洞作為新鮮空氣通道，洞外風機移至K82＋420車行橫洞處，1臺55 kW軸流風機直接向左洞掌子面供風，另1臺55 kW軸流風機通過車行橫洞向右洞供風。同時，利用K82＋420處車行通道將左洞出渣通道改至右洞，并封閉其余人行橫洞及車行橫洞，在K82＋430處設置1臺20 kW射流風機，引導左洞污濁空氣流向右洞方向。該方案中，最大通風距離2 600m，風管直徑均為1.8m，主風機1、2功率均為90 kW，風量2 400 m3/min，全壓2 000 Pa。

圖2 第二階段洞內巷道式通風系統布置

5.1.3 方案Ⅲ：分階段洞內巷道式通風

洞內車行橫洞間距約為700 m，考慮到每次完成前方車行橫洞施工后，將風機前移至該車行橫洞靠洞口方向。1臺2×55 kW軸流風機直接向左洞掌子面供風，另1臺2×55 kW軸流風機通過車行橫洞向右洞供風，該車行通道同時作為左洞出渣通道，最大通風距離按1 000 m考慮。右洞設1臺20 kW射流風機，引導污風方向，已施工段橫洞予以封閉，防止形成小循環。通風方案布置方式與圖2相同。該方案中，風管直徑均為1.8 m，主風機1、2功率均為55 kW，風量2 400m3/min，全壓1 200 Pa。

5.2 伏牛山隧道

伏牛山隧道進、出口通風方案與關山隧道相同，主要闡述其1#斜井、2#斜井、3#斜井通風方案。

5.2.1 1#斜井通風方案

（1）方案Ⅰ：壓入式通風

1#斜井小里程方向僅掘進100 m，可利用斜井段通風解決，壓入式通風只考慮大里程段。在斜井洞口30 m外設2臺軸流風機，直接向2個掌子面壓入通風，風管直徑1.8 m。主風機1為2×110 kW三級對旋式軸流風機，最大通風距離3 600 m，前1 800 m施工段（含斜井1 226m，正洞約5 00m），低檔（55 kW）供風，風量2 400 m3/min，全壓1 200 Pa；1 800～2 400 m段，中檔（2×55 kW）供風，風量2 400 m3/min，全壓2 000 Pa；掘進超過2 400 m后，高檔（2×110 kW）供風，風量 3 000 m3/min，全壓3 200 Pa。通風布置見圖3。

圖3 1#斜井壓入式通風系統布置

（2）方案Ⅱ：接力式通風

交匯段頂部利用彩鋼瓦封閉作為蓄風房；斜井洞口30 m外設2臺軸流風機，通過2條直徑2 m風管向蓄風房供風；再通過蓄風房內的2臺軸流風機和直徑1.8 m風管分別向大里程2個掌子面接力續風。主風機1為單級軸流風機，最大通風距離1 300 m，功率75 kW，風量3 000m3/min，全壓1 200 Pa；主風機2為單級軸流風機，最大通風距離2 400 m，功率47 kW，風量2 000m3/min，全壓1 300 Pa。斜井設1～3臺20 kW射流風機組引導污風方向，根據需要開啟，防止因掘進深度不同引起的風壓不均衡。通風布置見圖4。

圖4 1#斜井接力式通風系統布置

（3）方案Ⅲ：巷道式通風

左、右洞間橫通道予以封閉，將右洞作為蓄風房；斜井洞口30m外設2臺軸流風機，通過2條直徑2m風管向蓄風房供風；每個車行橫洞施工后，將風機安裝在車行橫洞靠交匯段側，1臺風機直接向右洞掌子面供風，另1臺風機通過車行橫洞向左洞供風，風管通過的車行通道作為右洞出渣通道，最大通風距離考慮1 000 m，風管直徑1.8 m。左洞及斜井共設2臺20 kW射流風機，引導污風方向，已施工段車行橫洞均予以封閉。通風布置見圖5。該方案中，主風機1功率75 kW，風量3 000m3/min，全壓1 200 Pa；主風2功率37 kW，風量2 000 m3/min，全壓800 Pa。

圖5 1#斜井巷道式通風系統布置

5.2.2 2#、3#斜井通風方案

3#斜井及左洞作為進風通道，2#斜井及右洞作為污風及出渣通道。在左洞2#斜井與3#斜井間，安裝1臺單級軸流風機，直接向左洞掌子面供風（右洞較短不考慮），最大供風距離500 m。大里程施工時，隨著大里程橫通道的打開，在左洞每個橫通道靠交匯段方向，設2臺單級軸流風機，1臺直接向左洞掌子面供風，另1臺通過橫通道向右洞掌子面供風，最大供風距離按1 000 m考慮。通過設置在右洞及2#、3#斜井的4臺20 kW射流風機，引導新鮮空氣自3#斜井進入，污風自2#斜井流出，見圖6。該方案中，風管直徑均為1.8 m，主風機1、2功率55 kW，風量 2 400 m3/min，全壓 1 000 Pa。

圖6 2#、3#斜井巷道式通風系統布置

6 經濟效益分析

各方案經濟指標如表9所示。

表9 各比選方案經濟指標

從表9可知，選用巷道式通風，經濟性遠高于壓入式和接力式。

7 結束語

通過研究，得出通風節能技術的具體措施，并在關山隧道、伏牛山隧道選用了3種不同類型的巷道式通風技術。該技術與傳統的獨頭壓入式通風相比，具有顯著優點：一是洞內小功率風機替代了洞口大功率風機，大幅降低了風機功率，節約了長距離通風的電能消耗；二是降低了通風距離，使得風管漏風量大幅降低，顯著改善了作業環境，進而可縮短通風時間，利于提高工效，加快進度；三是在降低風機功率的同時縮短了風管長度，降低了通風系統采購成本。