高原深埋長大隧道巷道式通風參數優化設計研究

史永鋒

摘 要：本文以在建工程鷓鴣山隧道巷道式通風情況下不同施工工序通風參數為研究對象，通過對當下通風設備參數在考慮高原氣候條件下含氧情況、隧道圍巖情況、洞內機械設備運轉情況、洞內不同工序工作人員數量情況、通風管道通風損耗等情況下選擇最佳的通風配合參數，改變之前僅依據經驗調整參數或者無規律隨意調整參數導致的隧道通風時好時壞，確定了針對該隧道通風參數在不同工序下的最優化設計方案，在一定程度上改善了通風設備用電無節制，得出在保證洞內施工安全的情況下用該種方案平均每天節省電能1693.12度。同時保證洞內空氣在不同工序都能保證符合設備和人員需求，從而科學的進行指導施工。

關鍵詞：隧道;巷道式通風;參數優化;研究

為促進西部經濟基礎建設，近年來，國家大力投資西部道路建設，成為連接中西部的經濟命脈，由于西部屬多山地區，長大隧道在西部并不少見。在建鷓鴣山隧道屬于交通部規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，隧道自開工以來一直采用鉆爆法開挖，保證良好的通風情況下能降低通風能耗長期以來是隧道建設的難題，目前國內外有很多專家對長距離隧道施工關于通風方案、風機選型、控制粉塵等方面作了大量的科學研究，很大程度上改善了隧道通風，有效的節省了能源。

本文以在建鷓鴣山隧道現行巷道式通風方案為研究對象，通過對通風設備性能綜合分析，結合高海拔地區隧道施工不同工序特點，以確保隧道安全施工為前提，通過風速檢測儀、粉塵檢測儀、氧氣含量檢測儀現場檢測，確定了該隧道最佳通風配合參數，實現優質高效、科學經濟通風的目的，避免了盲目調整參數，通風時好時壞的情況，可以為今后施工通風指導施工。

1 工程概況

鷓鴣山隧道地處四川省阿壩州理縣米亞羅鎮山腳壩村境內。設計為雙洞單向行駛雙車道公路隧道，本標段施工鷓鴣山隧道進口左線隧道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，隧道內設計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，裝載機裝碴，無軌運輸出碴。

2 現行通風方法簡介

隧道單洞掘進深度已經超過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。將兩臺風機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），一臺通風管直達右線開挖面對右線隧道進行供風，另外一臺風機通風管通過車行通道，直達左線開挖面向左線隧道供風，隧道右線作為進風洞，左線作為出風洞。在已開挖完的車行橫通道布設射流風機使右線污濁空氣引入左線。左洞每隔600米布設射流風機將洞內污風排出洞外。同時對通風機至洞口方向的人行通道、車行通道進行封閉。具體通風方案見“圖1：巷道式通風方案圖”。

3 通風量計算

3.1 通風設計標準

在隧道施工過程中，由于鉆爆、裝運、噴砼產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作業環境受到污染，必須采用機械通風的方法向洞內供給新鮮空氣，以稀釋有害氣體降低粉塵濃度從而確保隧道內施工環境良好，保護施工人員的身心健康。根據《公路隧道施工技術規范》要求隧道內施工作業環境要達到下列衛生安全標準：

1）空氣中的氧含量在作業過程中始終保持在19.5%以上。嚴禁用純氧進行通風換氣。

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：高原地區海拔大于3000m一氧化碳含量不大于15mg/m3，當施工人員進入開挖面檢查時，濃度為100mg/m3，但必須在30min內降至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）洞內風量要求：隧道施工時供給每人的新鮮空氣量不應低于4m3/min，采用內燃機械作業時供風量不應低于4.5m3/（min·kw）。

5）洞內風速要求：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）隧道內氣溫不超過28℃。

3.2 供風量計算

1）按洞內允許最低風速計算風量：

Q1=60×A×V=60×94×0.25=1410（m3/min）

式中：V—洞內最小風速 0.25m/s;A—整洞開挖斷面，取 94m2

2）按洞內作業人數計算需風量

Q1=4×90Q1=41.2=432（m3/min），安全系數k=1.2

3）按稀釋內燃機廢氣計算需風量

在鷓鴣山地區，考慮到氣壓低、含氧量低的因素，內燃機的排污量增大，加大了1.5～2.0的系數。根據隧道內海拔高度計算隧道內空氣含氧量為15.7～15.83%左右，空氣含氧量下降25%。

按內燃機械作業所需風量計算時應滿足供風量不小于4.0m3/（min/KW），并按下式計算：

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

隧道內內燃動力在出渣時期有WA380-6側卸式裝載機和25T自卸汽車。其中側卸式裝載機2臺，最大功率146kw，計算功率146kw;2臺自卸車，滿載功率按246kw。則需要風量為：

Q1=4.0×（146×2+246×2）=3136m3/min

經計算所需風量為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：工作面需要風量

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

經計算開挖面排煙需風量為673m3/min。

根據上列計算取最大值3136m3/min，為隧道工作面所需新鮮風量。供風長度1200m考慮風管漏風，漏風率按1.5%考慮，則風機提供的風量應分別為：

3.3 風壓的計算

1）風管直徑選擇。根據以前的施工經驗、隧道斷面以及目前常用性能穩定的風機選定通風管直徑，本標段隧道施工通風管直徑采用 2.0m。

2）通風阻力計算。通風阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在風流的全部流程內存在，如拐彎及風流受到其他阻礙的地方。為保證將所需風量送到工作面，并達到規定的風速，通風機應有足夠的風壓以克服管道系統阻力，即。

（1）局部壓力損失：在通風方案中，主要有轉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為風管直徑，取2m，α為拐彎角度。拐彎局部阻力系數計算得：

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：

風管內摩擦阻力

λ——摩擦系數，根據使用經驗、取λ=0.01;風管平均流速

V=30m/s。

L——通風管長，取1200m

D——風管直徑，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

風壓計算：Pa

3.4 風機選型

根據對各開挖工作面的供風量及風壓計算，鷓鴣山隧道風機選型如表2：

右線隧道為進風洞，左線隧道為排風洞，每隔600m安設37KW射流風機一臺，將洞內污風吹出洞外。

3.5 現場檢測結果

通過現場對各個工序含氧量、風速、粉塵等檢測結果如表3。

通過對比分析，各項數據指標均符合規范要求，其中噴砼、打鉆工序通風參數均有較大優化空間，立拱（出渣）工序則不予調整。

經調整后，各項數據指標如表4。

經過分析比選，噴砼、打鉆工序均采用30Hz頻率，在滿足通風規范要求以及作業需要的同時，又預留一定安全空間，以保證洞內空氣質量。

3.6 通風量校核

為了使通風管理更加科學合理，同時能夠盡量的節約能源，在結合現場檢測結果的情況下，得出一套科學完整的適合本隧道施工工作的通風技術方案，具體參數對比分析如表5。

將原參數與現在的參數對比可知，每道工序都有一個合適的范圍可供調整。

經統計每天24小時中噴砼、打鉆工序約占用13小時，經過原有參數與現有參數計算，得出平均日耗電量節省了（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隧道施工通風技術要求。

4 總結

本文通過對在建高海拔地區鷓鴣山隧道現行通風方案進行了不同工序情況下的參數分析，結合現場實驗檢測結果，采用數據對比分析，得出一套適合高海拔地區隧道施工的科學、經濟、合理、安全的通風方案，為本隧道今后的施工做了有力的指導作用，為類似的工程提供了參考。

參考文獻

[1]JTG D70—2004 公路隧道設計規范[S].