高原深埋長大隧道巷道式通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

史永鋒

摘 要：本文以在建工程鷓鴣山隧道巷道式通風(fēng)情況下不同施工工序通風(fēng)參數(shù)為研究對象，通過對當(dāng)下通風(fēng)設(shè)備參數(shù)在考慮高原氣候條件下含氧情況、隧道圍巖情況、洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、洞內(nèi)不同工序工作人員數(shù)量情況、通風(fēng)管道通風(fēng)損耗等情況下選擇最佳的通風(fēng)配合參數(shù)，改變之前僅依據(jù)經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)或者無規(guī)律隨意調(diào)整參數(shù)導(dǎo)致的隧道通風(fēng)時好時壞，確定了針對該隧道通風(fēng)參數(shù)在不同工序下的最優(yōu)化設(shè)計方案，在一定程度上改善了通風(fēng)設(shè)備用電無節(jié)制，得出在保證洞內(nèi)施工安全的情況下用該種方案平均每天節(jié)省電能1693.12度。同時保證洞內(nèi)空氣在不同工序都能保證符合設(shè)備和人員需求，從而科學(xué)的進(jìn)行指導(dǎo)施工。

關(guān)鍵詞：隧道;巷道式通風(fēng);參數(shù)優(yōu)化;研究

為促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)，近年來，國家大力投資西部道路建設(shè)，成為連接中西部的經(jīng)濟(jì)命脈，由于西部屬多山地區(qū)，長大隧道在西部并不少見。在建鷓鴣山隧道屬于交通部規(guī)劃的汶川至馬爾康高速公路段的控制性工程，屬于高原氣候稀薄地區(qū)，隧道自開工以來一直采用鉆爆法開挖，保證良好的通風(fēng)情況下能降低通風(fēng)能耗長期以來是隧道建設(shè)的難題，目前國內(nèi)外有很多專家對長距離隧道施工關(guān)于通風(fēng)方案、風(fēng)機(jī)選型、控制粉塵等方面作了大量的科學(xué)研究，很大程度上改善了隧道通風(fēng)，有效的節(jié)省了能源。

本文以在建鷓鴣山隧道現(xiàn)行巷道式通風(fēng)方案為研究對象，通過對通風(fēng)設(shè)備性能綜合分析，結(jié)合高海拔地區(qū)隧道施工不同工序特點，以確保隧道安全施工為前提，通過風(fēng)速檢測儀、粉塵檢測儀、氧氣含量檢測儀現(xiàn)場檢測，確定了該隧道最佳通風(fēng)配合參數(shù)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、科學(xué)經(jīng)濟(jì)通風(fēng)的目的，避免了盲目調(diào)整參數(shù)，通風(fēng)時好時壞的情況，可以為今后施工通風(fēng)指導(dǎo)施工。

1 工程概況

鷓鴣山隧道地處四川省阿壩州理縣米亞羅鎮(zhèn)山腳壩村境內(nèi)。設(shè)計為雙洞單向行駛雙車道公路隧道，本標(biāo)段施工鷓鴣山隧道進(jìn)口左線隧道4300m、右線隧道4270m，隧道洞口海拔高度為3200m，隧道穿越鷓鴣山最高峰海撥高度4431m，最大埋深為1350m。隧道平均開挖斷面面積為90m2，左右線隧道直線段線間距為35m，隧道內(nèi)設(shè)計6處汽車橫通道及緊急停車帶，兩汽車橫通道之間平均距離695m。施工采用鉆爆法開挖，獨頭掘進(jìn)，裝載機(jī)裝碴，無軌運輸出碴。

2 現(xiàn)行通風(fēng)方法簡介

隧道單洞掘進(jìn)深度已經(jīng)超過2100m，已通過2#車行橫通道，3#人行橫通道、2#車行橫通道均已開挖貫通，采用巷道式通風(fēng)。將兩臺風(fēng)機(jī)移到右線汽車通道向洞口方向20～30m處（隨通道開挖不斷跟進(jìn)），一臺通風(fēng)管直達(dá)右線開挖面對右線隧道進(jìn)行供風(fēng)，另外一臺風(fēng)機(jī)通風(fēng)管通過車行通道，直達(dá)左線開挖面向左線隧道供風(fēng)，隧道右線作為進(jìn)風(fēng)洞，左線作為出風(fēng)洞。在已開挖完的車行橫通道布設(shè)射流風(fēng)機(jī)使右線污濁空氣引入左線。左洞每隔600米布設(shè)射流風(fēng)機(jī)將洞內(nèi)污風(fēng)排出洞外。同時對通風(fēng)機(jī)至洞口方向的人行通道、車行通道進(jìn)行封閉。具體通風(fēng)方案見“圖1：巷道式通風(fēng)方案圖”。

3 通風(fēng)量計算

3.1 通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

在隧道施工過程中，由于鉆爆、裝運、噴砼產(chǎn)生有害氣體和粉塵及開挖揭露地層釋放的有害氣體使隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境受到污染，必須采用機(jī)械通風(fēng)的方法向洞內(nèi)供給新鮮空氣，以稀釋有害氣體降低粉塵濃度從而確保隧道內(nèi)施工環(huán)境良好，保護(hù)施工人員的身心健康。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》要求隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境要達(dá)到下列衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)：

1）空氣中的氧含量在作業(yè)過程中始終保持在19.5%以上。嚴(yán)禁用純氧進(jìn)行通風(fēng)換氣。

2）粉塵允許濃度：每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg;含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6mg;二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物質(zhì)的礦物性和動植物性的粉塵為10mg。

3）有害氣體濃度：高原地區(qū)海拔大于3000m一氧化碳含量不大于15mg/m3，當(dāng)施工人員進(jìn)入開挖面檢查時，濃度為100mg/m3，但必須在30min內(nèi)降至15mg/m3;二氧化碳按體積計不超過0.5%;氮氧化物（換算為NO）5mg/m3以下。

4）洞內(nèi)風(fēng)量要求：隧道施工時供給每人的新鮮空氣量不應(yīng)低于4m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時供風(fēng)量不應(yīng)低于4.5m3/（min·kw）。

5）洞內(nèi)風(fēng)速要求：全斷面開挖時不小于0.15m/s，在分部開挖的坑道中不小于0.25m/s，并滿足巷道排煙的要求。

6）隧道內(nèi)氣溫不超過28℃。

3.2 供風(fēng)量計算

1）按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量：

Q1=60×A×V=60×94×0.25=1410（m3/min）

式中：V—洞內(nèi)最小風(fēng)速 0.25m/s;A—整洞開挖斷面，取 94m2

2）按洞內(nèi)作業(yè)人數(shù)計算需風(fēng)量

Q1=4×90Q1=41.2=432（m3/min），安全系數(shù)k=1.2

3）按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計算需風(fēng)量

在鷓鴣山地區(qū)，考慮到氣壓低、含氧量低的因素，內(nèi)燃機(jī)的排污量增大，加大了1.5～2.0的系數(shù)。根據(jù)隧道內(nèi)海拔高度計算隧道內(nèi)空氣含氧量為15.7～15.83%左右，空氣含氧量下降25%。

按內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)所需風(fēng)量計算時應(yīng)滿足供風(fēng)量不小于4.0m3/（min/KW），并按下式計算：

式中：Q1—內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)所需風(fēng)量，m3/min;Hs—裝碴機(jī)械總功率，KW;αs—裝碴機(jī)械的工作效率;HD—運輸類汽車總功率，KW;αD—運輸類汽車的工作效率;HE—其他類機(jī)械總功率，KW;αD—其他類機(jī)械的工作效率;q—內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量，m3/（min/KW）。

隧道內(nèi)內(nèi)燃動力在出渣時期有WA380-6側(cè)卸式裝載機(jī)和25T自卸汽車。其中側(cè)卸式裝載機(jī)2臺，最大功率146kw，計算功率146kw;2臺自卸車，滿載功率按246kw。則需要風(fēng)量為：

Q1=4.0×（146×2+246×2）=3136m3/min

經(jīng)計算所需風(fēng)量為3136m3/min左右。

4）按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計算

采用壓入式通風(fēng)：工作面需要風(fēng)量

式中：Q2—爆破排煙所需風(fēng)量，m3/min;t—通風(fēng)時間，取t=30 min，A—次爆破炸藥消耗量A=240Kg;F—開挖斷面積85m2;L—通風(fēng)換氣長度，取100m。

經(jīng)計算開挖面排煙需風(fēng)量為673m3/min。

根據(jù)上列計算取最大值3136m3/min，為隧道工作面所需新鮮風(fēng)量。供風(fēng)長度1200m考慮風(fēng)管漏風(fēng)，漏風(fēng)率按1.5%考慮，則風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量應(yīng)分別為：

3.3 風(fēng)壓的計算

1）風(fēng)管直徑選擇。根據(jù)以前的施工經(jīng)驗、隧道斷面以及目前常用性能穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)選定通風(fēng)管直徑，本標(biāo)段隧道施工通風(fēng)管直徑采用 2.0m。

2）通風(fēng)阻力計算。通風(fēng)阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在風(fēng)流的全部流程內(nèi)存在，如拐彎及風(fēng)流受到其他阻礙的地方。為保證將所需風(fēng)量送到工作面，并達(dá)到規(guī)定的風(fēng)速，通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即。

（1）局部壓力損失：在通風(fēng)方案中，主要有轉(zhuǎn)彎引起的局部壓力損失，按下列公式計算：

拐彎局部阻力系數(shù)計算公式如下：

ξ=0.008α0.75/n0.6

n=R/D? 式中：R為拐彎半徑（取10m），D為風(fēng)管直徑，取2m，α為拐彎角度。拐彎局部阻力系數(shù)計算得：

ξ=0.008×900.75/50.6=0.089

局部阻力得：

h局=0.089×1.2×302/2=48.1Pa

（2）沿程壓力損失計算：

風(fēng)管內(nèi)摩擦阻力

λ——摩擦系數(shù)，根據(jù)使用經(jīng)驗、取λ=0.01;風(fēng)管平均流速

V=30m/s。

L——通風(fēng)管長，取1200m

D——風(fēng)管直徑，取D=2m

ρ——空氣密度，取1.2

h——沿程摩擦阻力pa

h=λ（L/D）ρ（V2/2）=0.01×（1200/2）×1.2×（302/2）=3240Pa

風(fēng)壓計算：Pa

3.4 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)對各開挖工作面的供風(fēng)量及風(fēng)壓計算，鷓鴣山隧道風(fēng)機(jī)選型如表2：

右線隧道為進(jìn)風(fēng)洞，左線隧道為排風(fēng)洞，每隔600m安設(shè)37KW射流風(fēng)機(jī)一臺，將洞內(nèi)污風(fēng)吹出洞外。

3.5 現(xiàn)場檢測結(jié)果

通過現(xiàn)場對各個工序含氧量、風(fēng)速、粉塵等檢測結(jié)果如表3。

通過對比分析，各項數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，其中噴砼、打鉆工序通風(fēng)參數(shù)均有較大優(yōu)化空間，立拱（出渣）工序則不予調(diào)整。

經(jīng)調(diào)整后，各項數(shù)據(jù)指標(biāo)如表4。

經(jīng)過分析比選，噴砼、打鉆工序均采用30Hz頻率，在滿足通風(fēng)規(guī)范要求以及作業(yè)需要的同時，又預(yù)留一定安全空間，以保證洞內(nèi)空氣質(zhì)量。

3.6 通風(fēng)量校核

為了使通風(fēng)管理更加科學(xué)合理，同時能夠盡量的節(jié)約能源，在結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果的情況下，得出一套科學(xué)完整的適合本隧道施工工作的通風(fēng)技術(shù)方案，具體參數(shù)對比分析如表5。

將原參數(shù)與現(xiàn)在的參數(shù)對比可知，每道工序都有一個合適的范圍可供調(diào)整。

經(jīng)統(tǒng)計每天24小時中噴砼、打鉆工序約占用13小時，經(jīng)過原有參數(shù)與現(xiàn)有參數(shù)計算，得出平均日耗電量節(jié)省了（56.32kw×2-23.76kw×2）×2臺×13小時=1693.12度。在安全上符合高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)技術(shù)要求。

4 總結(jié)

本文通過對在建高海拔地區(qū)鷓鴣山隧道現(xiàn)行通風(fēng)方案進(jìn)行了不同工序情況下的參數(shù)分析，結(jié)合現(xiàn)場實驗檢測結(jié)果，采用數(shù)據(jù)對比分析，得出一套適合高海拔地區(qū)隧道施工的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理、安全的通風(fēng)方案，為本隧道今后的施工做了有力的指導(dǎo)作用，為類似的工程提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].