淺析巷道式施工通風在牛巖山特長隧道的應用

唐增健

（福州長福高速公路有限責任公司，福州 350001）

1 工程概況

1.1 工程特點

京臺線建甌至閩侯高速公路（福州段）牛巖山隧道為雙洞分離式特長隧道，隧道左線起終點里程ZK115+167-ZK124+419，長度9225m，右線起終點里程YK115+186-YK124+387，長度9201m，為福建省內最長的公路隧道。隧道設置車行通道12 個， 人行通道24 個， 隧道最大縱坡±3.0%，由A4、A5 兩個施工合同標段共同施工，分界里程樁號為K120+500, 施工方式為單頭掘進，距離長，施工難度大，通風要求高，為本工程重難點；為建成運營期間排煙通風考慮，設計在A4 標段內設置2 座凈寬為5m、 凈高為5.2m 的斜井，A5 標段內在樁號ZK121+930 位置左側35m 處設置1 座高328m 的類似 “煙囪”的豎井通風。 本文主要針對A5 合同段單頭掘進隧道的通風方案應用進行分析，A5 合同段右線洞口里程YK124+387，長度為3887m；左線洞口里程ZK124+419，長度為3919m。

1.2 隧道施工過程中主要的粉塵污染源

隧道施工過程中主要的粉塵污染源有新奧法鉆爆作業產生的污染尤其是爆破產生的毒害氣體和粉塵 （煙量）；裝載機、運渣車等機械設備產生的有害氣體及機械行走產生的粉塵；噴射混凝土作業產生的粉塵；電焊、混凝土硬化水化熱等。

2 通風方式的選擇

根據風機布設的位置及通風通道的類型， 隧道施工過程中的通風方式可分風管式和巷道式兩種， 第一種通風方式是通過風帶（管道）輸送，又可分為壓入式（送風式）、抽出式（排風式）、混合式。而第二種通風方式又分為射流巷道式和主扇巷道式。A5 合同段的豎井施工要等左洞從出口端開挖至ZK121+930 處時采用反井法施工，工期與主隧道貫通時間相差無幾， 在施工中通風中未起到任何作用。 根據現場施工情況，當開挖施工掘進較深，尤其是1.5km 之后，由于管路的阻力增大，風壓不夠，還有可能由于接頭處漏風等因素造成隧道通風不暢， 常規的壓入式送排通風效果差。

牛巖山隧道為雙洞分離式平行隧道， 左右線之間設有一定數量（如上工程特點中所述）的車行、人行通道（橫洞），具備采用射流巷道式通風的條件。 射流巷道式通風主要利用隧道已成洞段及車行或人行橫通道 （或平行導坑、斜井等）連接組成的通風管道系統，運用通風設備（例射流風機）的增壓作業，在組合的通道通風系統中形成主風流，使新鮮空氣從一個洞進入形成固定送風流，流進橫通道時，通過送風管道至開挖掌子面；污濁空氣從開挖掌子面面流回橫通道形成固定的回風流， 再從另一個洞排出，其特點是不需要主扇、風機房、風門及很長且功效不高的送風管路。

3 通風方案設計的原則

隧道通風是隧道施工過程中的重要環節， 尤其在特長隧道施工更為重要，是保證安全施工的前提也是關鍵。能夠應用良好的通風方案， 具備較好的通風效果既能夠改善作業人員施工環境、 又能夠保質保量的快速推進施工進度。 結合本項目牛巖山隧道實際情況以及其他特長隧道施工通風經驗， 綜合考慮開挖施工較深時的通風情況，調整修編制定牛巖山隧道通風方案。

3.1 通風設計依據

通風設計主要依據以下幾個規范要求：《京臺線建甌至閩侯高速公路福州市境A5 合同段兩階段施工圖設計施工圖第四冊隧道》；《公路隧道工程施工技術規范》；《福建省高速公路施工標準化管理指南第五分冊隧道工程 （第二版）》；《鐵路隧道工程施工安全技術規程》。

3.2 編制原則

(1) 嚴格執行設計單位福建省交通規劃設計院出版的施工圖設計文件，隧道工程施工技術規范以及分部分項質量檢驗、評定（驗收）標準；（2）本著安全可靠、實事求是、科學合理、經濟適用為出發點，堅持各施工過程全面嚴格監控監測、施工作業人性化管理的原則。

3.3 通風設計標準

（1)按體積計空氣中氧氣含量不得小于20%；（2）粉塵容許濃度值分別為含有10%以上的游離粉塵狀二氧化硅不得大于2mg/m3，含有10%以下的游離粉塵狀二氧化硅不得大于4mg/m3；（3） 有害氣體容許濃度值分別為一氧化碳不得大于30mg/m3； 按二氧化碳體積換算不得大于其體積的0.5%；換算成二氧化氮為代表的氮氧化物不得大于5mg/m3；（4） 隧道洞內各項施工作業人員每人應滿足供應每分鐘3m3的新鮮空氣， 即每人所需的最小風量。

4 通風風量及設備系統理論計算

4.1 需風量計算

洞內施工過程所需通風風量計算分為四種類型情況計算，即各項同時施工作業人員最多情況、單次放炮排煙量、洞內可行的最低風速、機械設備全功率運作情況， 取四種中計算得出的最大值作為理論所需風量，得出按機械設備全功率運作情況下計算的值最大作為理論所需風量，四類計算方法及過程具體如下。

(1)按各項同時施工作業人員最多情況計算

式中： q 為每人施工作業人員在滿足供應新鮮空氣最低值基礎上增加20%，即取值3.6m3/min；

n 為同時施工作業人員人數最多時的數量，即暫按80人。計算得出類型一情況下的理論所需風量為288m3/min。

(2)按單次放炮排煙量計算

式中：G 為單次放炮所使用的炸藥量按Ⅱ、 Ⅲ級圍巖全斷面爆破計算，取值252kg；

t 為通風計算所需時間取值30min；

L0為通風的計算長度取值250m；

A 為隧道掌子面按Ⅱ、Ⅲ級圍巖等級下的平均斷面面積取值81.43m2。

計算得出類型二情況下的理論所需風量為1224m3/min。

（3）按洞內可行的最低風速計算

式中: S 為隧道掌子面按Ⅱ、 Ⅲ級圍巖等級下的平均斷面面積取值81.43m2；

V 為洞內施工過程中允許可行的最低風速取值每秒0.25m。 計算得出類型三情況下的理論所需風量為1221m3/min。

（4）按機械設備全功率運作計算

式中：H 為機械設備全功率運作計算，即取Z50 型裝載機一臺162kW 加上運渣車一臺273kW 計算；q 為機械設備全功率運作下單位時間需要供風量取值7m3/(min·kW)；α 為機械設備全功率運作下工作效率系數取值0.5。

計算得出類型四情況下的理論所需風量為1523m3/min。

4.2 通風設備選型

軸流風機選型計算：

通風風管直徑的大小、輸送新鮮空氣的風管距離、通風風機類型及功率均能影響風管沿程通風阻力， 其曲線計算公式如下。

式中：p 為風管沿程通風阻力,Pa；λ 為風管材料摩阻系數取值0.02；ρ 為洞內施工環境空氣密度取值1.29kg/m3；d為通風風管直徑的數值取1.6m；β 為每百米風管平均的漏風率取值1.6%；L 為輸送新鮮空氣的風管距離, 單位：m；Q0為風機作業點輸出風量,單位：m3/s。

采用壓入式射流風機通風計算， 當送風管路最長不超過1500m， 輸送至開挖掌子面需風量為1523m3/min，該值亦是風管出口風量， 按照每百米風管平均漏風率取值1.6%計算， 得出需要風機提供理論輸出風量為1889m3/min，風管沿程通風阻力為2353Pa，選用2×110kW 軸流風機（高速轉速風壓860～5355Pa，風量1550～2912m3/min）與直徑1.6 米風管（平均百米漏風率1.6%，摩阻系數0.02，每節長度20m）組合可以滿足通風需求，且是最不利狀態下的簡單布設， 在后續調整階段中結合射流風機 （風量3727m3/min，功率55kW）與軸流風機的數量、位置等應用，通風條件亦能滿足需求。

5 通風布置

5.1 橫斷面管線布設

隧道洞內施工通風三管兩線布置應嚴格按圖1 要求執行，做到既符合安全要求，又符合文明施工要求。

圖1 隧道施工通風三管兩線布置示意圖

5.2 縱斷面風機風管等布設

JTA5 標段牛巖山隧道大樁號至小里程樁號施工通風方案風機及風管布置可分為三種階段類型執行。

(1)第一階段

在完成洞口有序開挖進洞后，即主洞正常施工伊始，隧道開挖均采用單洞單頭掘進， 左右洞每單洞可2 臺110kW 功率的軸流風機搭配1.6m 直徑的風管布置通風方案，如圖2 所示，該方案設置條件應是輸送新鮮空氣的風管距離在1.5 公里內， 待行車或人行橫通道貫通后進行階段調整。

圖2 第一階段通風布置圖

(2)第二階段

當2# 橫通道開挖貫通后， 把1# 橫通道圍堵封閉起來可以做一個阻風風墻， 設置兩臺軸流風機在左線左右兩側（距2# 橫通道50m 處），通過風管分別向每單洞掌子面送風，增設一臺射流風機（平齊1# 橫通道處）、一臺射流風機在右線一側（距2# 橫通道50m 處）形成射流巷道式通風，左引新風，右排污風，如圖3 所示。施工過程運渣車以及其他車輛行駛必須從右洞主洞進出隧道， 若去左洞主洞則經過2# 橫通道穿過往返。

(3)第三階段

當緊挨隧道合同段內終點位置最近的橫通道開挖貫通，假設是5# 橫通道貫通后，往大里程樁號的所有橫通道（1#、2#、3#、4#）圍堵封閉起來可以分別做一個阻風風墻，兩臺軸流風機繼續前移至同等比例位置，通過風管分別向每單洞掌子面送風，再增設一臺射流風機（平齊5#橫通道處）、一臺射流風機在右線一側（距5# 橫通道50m處）形成射流巷道式通風，如圖4 所示。風流方向和交通管制方式與二階段相同，保持此方式直到本標段隧道終點。

圖3 第二階段通風布置圖

6 通風方案日常施工管理中需注意的事項

風管安裝應盡可能做到平直順暢， 在通過橫通道等位置管路需要急轉彎，為了減小沿程送風阻力、彎度更加平緩，盡可能布設鈍角彎且可設置一定剛性的彎頭；爆破后不間斷指定專人對掌子面、 主洞通道進行空氣質量檢測， 加強日常施工自檢巡查風管的破損情況， 并及時修補，加強通風風管保護，避免破壞而增大漏風率；風機配專人負責操作，并作好運轉記錄，及時發現并解決故障，保證風機正常運轉。

7 配合隧道通風施工過程的其他要求

為風機提供較好的適合的供電設施以保證風機正常運行；要求通風管每節長度大部分為20m，接近掌子面位置可以配置少量一節十米的風管搭配使用； 洞口風機需要安設在距離洞口20m 以外的上風向，避免發生污風循環； 風管出風口距開挖工作面的距離按施工技術規范或者標準化指南要求設置，因為所選擇的風管直徑較大，過往車輛和機械設備應避免刮破風管， 隧道洞內需保證有足夠的凈空；由于采用非軌道運渣，后八輪運渣車尾氣排放口應安設凈化裝置，以降低對洞內污染程度；行人和運輸車輛按照上述制定的方案行走； 圍堵封閉起來做阻風風墻的橫通道，其阻風效果要保證，避免粉塵大的污風在左右洞之間惡性循環。

8 結語

經對比， 在特定條件下采用射流巷道式通風比采用別的通風方式更具有送風斷面大、耗電量少、風管需要量小、 費用低等特點， 當隧采用單頭掘進開挖較深時候（大于1.5km）采用射流巷道式施工通風最合理。 目前牛巖山特長隧道已建成通車， 本項目施工過程所采用的前期壓入式通風，后期巷道式通風的方案，其經驗是實現長大隧道施工作業人員身心健康及隧道正常快速循環作業的重要保證。隨著山地丘陵地區的基礎建設力度加大，穿山隧道長度不斷增加，施工通風難題可能更加突出，本文希望能給其他新建項目有所借鑒。