通風(fēng)豎井在紅石巖隧道中的應(yīng)用

（中冶貴州建設(shè)投資發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

一、工程概況

某工程位于廣西和云南省境內(nèi)，起于廣西南寧市，終止于云南省昆明，正線全長(zhǎng)710km。紅石巖隧道位于云南省文山州廣南縣境內(nèi)，紅石巖隧道全長(zhǎng)1.458萬(wàn)米，進(jìn)口里程DK375+865，出口里程DK390+445。隧道內(nèi)縱坡設(shè)置為“人”字坡，隧道洞身最大埋深約450m。隧道以可溶性碳酸鹽巖為主，主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r等，約占全隧75%，其余約3.4lkm為泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。紅石巖隧道輔助坑道方案為“3個(gè)橫洞+橫洞間平導(dǎo)+1個(gè)斜井”，均設(shè)計(jì)為無(wú)軌單車(chē)道+錯(cuò)車(chē)道運(yùn)輸，單車(chē)道內(nèi)輪廓采用5.0m*6.0m（寬*高），錯(cuò)車(chē)道內(nèi)輪廓采用7.5m*6.0m（寬*高），進(jìn)口段預(yù)留泄水洞，長(zhǎng)度為2515米，與平導(dǎo)順接，斷面尺寸2.5m*2.5m（寬*高）。平導(dǎo)設(shè)置于線路左側(cè)，距離左線線路中線30m，全長(zhǎng)9800m。1#橫洞與隧道洞身交于DK378+300，與平導(dǎo)交于DK378+330，長(zhǎng)度為1200m，位于線路右側(cè)。2#橫洞與平導(dǎo)交于DK388+130，長(zhǎng)度為1445m，位于線路左側(cè)。斜井與平導(dǎo)交于DK381+770長(zhǎng)度為1568.24m，位于線路左側(cè)。3#橫洞與正洞交于DK390+310，全長(zhǎng)244m，位于線路左側(cè)。紅石巖隧道于2010年9月開(kāi)工建設(shè)，2016年12月通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

根據(jù)指導(dǎo)性施工組織設(shè)計(jì)安排，紅石巖隧道2#橫洞施工任務(wù)最長(zhǎng)，紅石巖隧道正洞施工區(qū)間里程為DK383+662～DK388+090，總長(zhǎng)度為4428m；平導(dǎo)施工區(qū)間里程為PDK388+130～PDK383+675，總長(zhǎng)度為4455m。因橫洞斷面高度只有6米，不能匹配獨(dú)頭供風(fēng)風(fēng)管直徑和行車(chē)安全總高度的要求，且距離過(guò)長(zhǎng)風(fēng)量損失過(guò)大，為了確保通風(fēng)效率，擬將18#橫通道向小里程方向平移30m（橫通道由原來(lái)的設(shè)置里程：平導(dǎo)PDK386+380，正洞DK386+350改為平移后的里程：平導(dǎo)PDK386+350，正洞DK386+320）。通風(fēng)豎井位置位于平導(dǎo)和正洞中間的橫通道上，其中1#通風(fēng)豎井中心里程為DK386+335，距主線中心15.0m,2#通風(fēng)豎井中心里程為PDK386+339，距平導(dǎo)中心11.0m，兩通風(fēng)豎井間距為5.66m。

二、通風(fēng)豎井位置選擇

（一）豎井段落選擇

豎井選擇考慮在中間段落，前后誤差500m以內(nèi)，選擇范圍為DK386+106～DK387+106。

結(jié)合紅石巖隧道DK386+080～DK387+310縱斷面情況，豎井施工盡量選擇在圍巖級(jí)別較好的段落，即Ⅲ級(jí)圍巖段落，可選擇范圍為DK386+290～DK386+390、DK386+490～DK386+850、DK386+950～DK387+106。

DK386+290～DK386+390豎井高度在100m～120m之間，DK386+490～DK386+850豎井高度在140m～176m之間，DK386+950～DK387+106豎井高度在140m～291m之間，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，豎井段落盡量選擇在DK386+290～DK386+390。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，DK386+290～DK386+390段落中DK386+360處于沖溝中，為了避免受沖溝的影響，沖溝前后20m不考慮進(jìn)行豎井施工，同時(shí)考慮到不同圍巖級(jí)別搭接處可能存在破碎帶，搭接處20m不考慮進(jìn)行豎井施工，豎井段落選擇在DK386+310～DK386+340。

（二）豎井與正洞、平導(dǎo)的關(guān)系

工程對(duì)隧道防水要求比較嚴(yán)格，豎井施工在正洞上方后期防水難以處理，且因豎井先于正洞施工，避免正洞施工到豎井位置時(shí)因意外事故而影響正洞正常掘進(jìn)，同時(shí)考慮兼顧正洞、平導(dǎo)同時(shí)通風(fēng)的原則，將豎井位置選擇在正洞、平導(dǎo)之間，通過(guò)橫通道與正洞、平導(dǎo)相通。

考慮到長(zhǎng)距離通風(fēng)送風(fēng)困難，洞內(nèi)廢氣排放同樣困難，同時(shí)施工兩個(gè)豎井，一個(gè)用于送風(fēng)，另一個(gè)用于排煙。

統(tǒng)籌考慮各種因素后，選擇將18#橫通道向小里程方向平移30m（橫通道由原來(lái)的設(shè)置里程：平導(dǎo)PDK386+380，正洞DK386+350改為平移后的里程：平導(dǎo)PDK386+350，正洞DK386+320）。通風(fēng)豎井位置位于平導(dǎo)和正洞中間的橫通道上，其中1#通風(fēng)豎井中心里程為DK386+335，距主線中心15.0m,2#通風(fēng)豎井中心里程為PDK386+339，距平導(dǎo)中心11.0m，兩通風(fēng)豎井間距為5.66m。

三、通風(fēng)豎井凈空斷面與布置

通風(fēng)豎井組成部分為井口鎖口圈、井身、井壁、馬頭門(mén)等，上部通過(guò)鎖口圈、井口通風(fēng)建筑物（風(fēng)塔）與新鮮空氣連接，下部通過(guò)送排風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與巷道、排煙入口連接。

風(fēng)塔采用C20混凝土塔式結(jié)構(gòu)，壁厚350mm。在塔側(cè)設(shè)Φ20mm扶梯，施工時(shí)設(shè)預(yù)埋件，后焊接爬梯，其間距300mm；在距離排風(fēng)口1.2m處沿風(fēng)塔一周設(shè)工作平臺(tái)，寬1.0m，欄桿扶手高1.2m，欄桿豎向埋筋間距300mm，平臺(tái)支架用L75×75mm角鋼，平臺(tái)鋪設(shè)3mm厚花紋鋼板。

進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口的方向按當(dāng)?shù)貐^(qū)域風(fēng)向主導(dǎo)風(fēng)向布置，將進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于靠正洞一側(cè)，其高差控制在4m左右。

豎井井口設(shè)鎖口圈，防止施工過(guò)程中雨水流入井口及渣土掉入井內(nèi)。由于現(xiàn)場(chǎng)豎井口為原狀土，為確保能夠承受風(fēng)塔荷載，鎖口圈底應(yīng)置于堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖面層上或置于地基承載力不小于200MPa的地基上，且鎖口圈應(yīng)較豎井凈空直徑大60cm。

綜合結(jié)構(gòu)受力、施工難易程度及通風(fēng)效率等方面，豎井?dāng)嗝嬉詧A形斷面最為合適，因此通風(fēng)豎井?dāng)嗝娌捎脠A形斷面。豎井設(shè)計(jì)為2*Φ2.0m，其中一座為進(jìn)風(fēng)口，一座為排風(fēng)口，兩通風(fēng)豎井間隔5.66m。

四、豎井貫通前后通風(fēng)方式及通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

（一）通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

1.計(jì)算通風(fēng)量

根據(jù)《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》（QCR9604-2015）要求，施工通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)分別按排除炮煙（）、洞內(nèi)最大工作人數(shù)（ Q2= q km ）、最低風(fēng)速要求（ Q3= 6 0VS）、瓦斯涌出量（）、稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)械廢氣（）等因素計(jì)算，取最大值（）。

2.通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量

Q供=PQ算

Q供—通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，m3/min。

P—漏風(fēng)系數(shù)。

3.風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》要求，風(fēng)機(jī)供風(fēng)壓力必須大于風(fēng)流受到的總阻力。

h摩—?dú)饬鹘?jīng)過(guò)各種斷面的管道時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力，Pa；

h局—?dú)饬鹘?jīng)過(guò)斷面變化，拐彎分岔等處分別產(chǎn)生的阻力，Pa；

h正—巷道通風(fēng)時(shí)受運(yùn)輸車(chē)輛阻塞而產(chǎn)生阻力，Pa。

4.通風(fēng)機(jī)選擇

Q機(jī)≥1.1Q供（1.1為風(fēng)量?jī)?chǔ)備系數(shù)）

h機(jī)≥h總阻

（二）豎井通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

1.豎井貫通前通風(fēng)計(jì)算

通風(fēng)方式。豎井未貫通前，采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)，因平導(dǎo)和正洞兩個(gè)作業(yè)面同時(shí)施工，受橫洞高度限制，無(wú)法采用兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行通風(fēng)。為了滿足通風(fēng)需要，采用壓入式接力通風(fēng)，即在橫洞與平導(dǎo)交叉處布置一個(gè)三通鐵質(zhì)風(fēng)箱，通過(guò)橫洞洞口軸流通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣送入風(fēng)箱，然后通過(guò)風(fēng)箱用軸流風(fēng)機(jī)將新鮮空氣送至平導(dǎo)、正洞掌子面。

風(fēng)量計(jì)算。

1）計(jì)算參數(shù)確定

a.單次開(kāi)挖斷面面積：S平導(dǎo)=35m2，S正洞=140m2；

b.一次爆破耗藥量：考慮開(kāi)挖進(jìn)尺3m，平導(dǎo)炸藥單耗0.9kg/m3，正洞炸藥單耗0.6kg/m3，炮眼利用率90%，算得A平導(dǎo)=105kg，A正洞=280kg；

c.最大通風(fēng)距離：L=1800m；

d.風(fēng)量備用系數(shù)：k=1.1；

e.爆破后通風(fēng)時(shí)間：t≤30min；

f.洞內(nèi)同時(shí)工作的最大人數(shù)，m平導(dǎo)=20人，m正洞=50人；

g.洞內(nèi)每人每分鐘需要新鮮空氣量，q=3m3/min；

h.1kg炸藥折合成CO體積，b=40L/kg；

i.各內(nèi)燃機(jī)功率，挖掘機(jī)取220kW，裝載機(jī)取150kW，自卸汽車(chē)取180kW，輸送泵取90kW，混凝土罐車(chē)取250kW；

j.同時(shí)工作柴油機(jī)設(shè)備利用率系數(shù)，挖掘機(jī)取0.65，裝載機(jī)取0.65，自卸汽車(chē)取0.45，輸送泵取0.5，混凝土罐車(chē)取0.5；

k.洞內(nèi)允許最小風(fēng)速：全斷面開(kāi)挖時(shí)V=0.15m/s，其他V=0.25m/s；

l.漏風(fēng)系數(shù)，P100取1%，P=1.22；

n.風(fēng)管直徑，d平導(dǎo)、橫洞=1.6m，d正洞=1.8m；

o.空氣容重，γ=1.2kg/m3；

p.風(fēng)管周長(zhǎng)，U平導(dǎo)、橫洞=5.024m，U正洞=5.652m；

q.風(fēng)管面積，S平導(dǎo)、正洞=2.01m2，S正洞=2.54m2。

2）平導(dǎo)風(fēng)量計(jì)算

h摩=2881Pa，因平導(dǎo)供風(fēng)為直線，且為壓入式通風(fēng)，h局=0Pa,H正=0Pa，h機(jī)≥2881Pa。

3）正洞風(fēng)量計(jì)算

h摩=3999Pa，因正洞供風(fēng)存在轉(zhuǎn)角，取ζ=0.5，h局=156Pa，因正洞為壓入式通風(fēng),h正=0Pa，h機(jī)≥4155Pa。

風(fēng)機(jī)選型。

為平衡平導(dǎo)和正洞的通風(fēng)壓力，兩者盡量避免同時(shí)達(dá)到通風(fēng)高峰，即將兩個(gè)掌子面開(kāi)挖時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合侯馬風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓曲線表，選定風(fēng)機(jī)型號(hào)、功率。平導(dǎo)軸流風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（C）NO11.5型（風(fēng)量1180m3/min～2300m3/min，風(fēng)壓730Pa～4650Pa，電機(jī)功率75*2KW），正洞風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（B）NO13型（風(fēng)量1700m3/min～3330m3/min，風(fēng)壓920Pa～5950Pa，電機(jī)功率132*2KW），橫洞軸流風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（B）NO14型（風(fēng)量2121m3/min～4140m3/min，風(fēng)壓1090Pa～6900Pa，電機(jī)功率185*2KW）。

2.豎井貫通后通風(fēng)方式

通風(fēng)方式。該階段利用平導(dǎo)、豎井，采用巷道式、壓入式通風(fēng)、豎井排煙綜合通風(fēng)方式，利用進(jìn)風(fēng)豎井、平導(dǎo)作為進(jìn)風(fēng)巷道，巷道利用風(fēng)門(mén)進(jìn)行封堵，在靠近正洞的第一個(gè)橫通道處設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，將巷道里的新鮮空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送至掌子面，圬風(fēng)通過(guò)排煙豎井排出，為加快圬風(fēng)排出速度，按500m處設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，保證空氣質(zhì)量良好。

風(fēng)量計(jì)算

1）計(jì)算參數(shù)確定

a.最大通風(fēng)距離：因采用巷道通風(fēng)，L正洞=500m，考慮平導(dǎo)超前正洞500m，L平導(dǎo)=1000m；

b.漏風(fēng)系數(shù)：P平導(dǎo)=1.11，P正洞=1.05。

2）平導(dǎo)風(fēng)量計(jì)算

h摩=2385Pa，因平導(dǎo)供風(fēng)為直線，且為壓入式通風(fēng)，h局=0Pa,H正=0Pa，h機(jī)≥2385Pa。

3）正洞風(fēng)量計(jì)算

h摩=2963Pa，因正洞供風(fēng)存在轉(zhuǎn)角，取ζ1=ζ2=0.5，h局=232Pa，因正洞為壓入式通風(fēng),h正=0Pa，h機(jī)≥3195Pa。

風(fēng)機(jī)選型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，平導(dǎo)軸流風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（C）NO11.5型（風(fēng)量1180m3/min～2300m3/min，風(fēng)壓730Pa～4650Pa，電機(jī)功率75*2KW），正洞風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（B）NO13型（風(fēng)量1700m3/min～3330m3/min，風(fēng)壓920Pa～5950Pa，電機(jī)功率132*2KW），射流風(fēng)機(jī)布置按照每500m、轉(zhuǎn)角處布置一臺(tái)的原則布設(shè)，平導(dǎo)中段布置一臺(tái)，平導(dǎo)轉(zhuǎn)正洞布置一臺(tái)，正洞按500m直線距離布置，正洞轉(zhuǎn)排煙豎井布置一臺(tái)。

（三）巷道式通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

1.通風(fēng)方式

利用軸流風(fēng)機(jī)將新鮮空氣從洞外運(yùn)送至平導(dǎo)巷道中，利用風(fēng)門(mén)將巷道進(jìn)行封堵，在靠近正洞的第一個(gè)橫通道處設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，將巷道里的新鮮空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送至掌子面，圬風(fēng)通過(guò)正洞從隧道出口排出，為加快圬風(fēng)排出速度，在500m處設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，保證空氣質(zhì)量良好。

2.風(fēng)量計(jì)算

巷道式通風(fēng)和豎井貫通后平導(dǎo)、正洞掌子面需風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算一樣，不同之處在于需要從洞口將風(fēng)引入平導(dǎo)巷道，為平衡平導(dǎo)和正洞的通風(fēng)壓力，兩者盡量避免同時(shí)達(dá)到通風(fēng)高峰，即將兩個(gè)掌子面開(kāi)挖時(shí)間錯(cuò)開(kāi)。

3.風(fēng)機(jī)選型

全過(guò)程平導(dǎo)軸流風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（C）NO11.5型（風(fēng)量1180m3/min～2300m3/min，風(fēng)壓730Pa～4650Pa，電機(jī)功率75*2KW），正洞風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（B）NO13型（風(fēng)量1700m3/min～3330m3/min，風(fēng)壓920Pa～5950Pa，電機(jī)功率132*2KW），橫洞軸流風(fēng)機(jī)選用1臺(tái)SDF（B）NO14型（風(fēng)量2121m3/min～4140m3/min，風(fēng)壓1090Pa～6900Pa，電機(jī)功率185*2KW）。射流風(fēng)機(jī)布置按照每500m、轉(zhuǎn)角處布置一臺(tái)的原則布設(shè)，平導(dǎo)中段布置一臺(tái)，平導(dǎo)轉(zhuǎn)正洞布置一臺(tái)，正洞按500m直線距離布置，正洞轉(zhuǎn)橫洞布置1臺(tái)，橫洞按500m直線距離布置。

五、利用豎井通風(fēng)后的效果

通風(fēng)效果明顯：采用豎井通風(fēng)后，大大縮短了送風(fēng)、排煙距離，風(fēng)損降低明顯，放炮后炮煙排出速度由30min降至15min以下。

經(jīng)濟(jì)效益顯著：增加了兩個(gè)豎井，深度約220m，每米單價(jià)按2000元,總費(fèi)用約44萬(wàn)元。節(jié)約了1臺(tái)185*2kW軸流風(fēng)機(jī)用電量投入，豎井位置到隧道出口長(zhǎng)約4km，節(jié)約射流風(fēng)機(jī)（電機(jī)功率30kW）8臺(tái)，工期約2年，電費(fèi)按1元/度，（370+30*8）*2*1*12*2*24=70.3萬(wàn)元，射流風(fēng)機(jī)考慮2萬(wàn)元/臺(tái)，節(jié)約16萬(wàn)元，合計(jì)節(jié)約70.3-44+16=42.3萬(wàn)元。

施工環(huán)境大大改善：洞內(nèi)空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，洞內(nèi)溫度下降約5℃，工效明顯提升。

六、結(jié)語(yǔ)

紅石巖隧道是難點(diǎn)工程，要確保全線通車(chē)運(yùn)營(yíng)，紅石巖隧道按時(shí)貫通是關(guān)鍵。通過(guò)增加通風(fēng)豎井，改善了洞內(nèi)施工環(huán)境，確保了現(xiàn)場(chǎng)施工人員身心健康，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約了費(fèi)用。