高海拔特長山嶺隧道施工通風技術

張文坤

（中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000）

1 引言

近年來，我國建設項目逐年增多，隧道建設處于飛速發展的新時期，其中山嶺隧道的數量在不斷增加，建設規模也不斷增大。就國內現狀而言，相較于中部及東部地區，西部地區隧道發展相對落后，以長遠眼光來看，加速規劃西部公路建設將成為發展重點。由于西部地區獨特的地理位置，特高、特長隧道似乎已經成為西部山嶺隧道建設的必然選擇。

由于地理和氣候的差異，在高原地區和平原地區特長山嶺隧道中的施工要求有所不同。高原地區有害氣體排放量大，同時施工人員需求新鮮空氣量大，由于是在特長山嶺隧道中施工，隨著隧道長度的增加，在施工中對隧道的通風要求也越高，從而需要加大特長山嶺隧道施工中通風設備的功率。高原地區的氣候與平原地區相比，隧道內的空氣循環規律也存在差異，在高原地區山嶺隧道施工中不能運用平原地區的通風技術［1］。因此，亟需一種適用于高海拔地區的特長山嶺隧道專項施工通風技術。

2 工程概況及施工通風重難點

2.1 工程概況

九綿高速平地螺旋隧道工程位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣勿角鄉境內，設計為雙線四車道分離式特長隧道。左幅長3 727 m，右幅長3 600 m，縱坡2.4%，平曲線半徑左線 R783.615/Ls200/R860/Ls200，右線 R830/Ls250，拱頂最大埋深約436 m。洞門進口左、右幅均為抗偏壓端墻式洞門，出口左、右幅分別為抗偏壓端墻式洞門和柱式洞門。

在隧道的出口后段位置處設計長449 m、最大埋深110 m、縱坡為6.39%的斜井一處，洞門設計為端墻式。

2.2 隧道施工通風重難點

（1）平地螺旋隧道處于高海拔山嶺地區，隧址海拔最高可達3 300 m，溝谷地貌發育，地形切割強烈，山坡較陡，平均坡度 30°～50°。

（2）隧址區海拔高，含氧量較少，氣壓偏低，隧道內外存在氣壓偏差，通風效果難控制。

（3）隧道線形為螺旋線形，使隧道內空氣流通不暢，隧道送風與排風易受阻，風速受線形原因損耗大。

（4）隧址位于野生大熊貓保護區域，對通風除塵環保要求較高。

3 高海拔特長山嶺螺旋隧道施工通風方式

常見的隧道通風方式通常分為兩種：第一種是機械式通風，第二種是自然式通風。其中機械式通風又通過其實施方式的區別細分為壓入式、巷道式、抽風式、混合式四種通風方式。但是選取何種通風方式應用在實際隧道工程中必須要考慮很多因素，如隧道的地理環境和施工環境，必須講究因地制宜。自然式通風大都在短隧道中應用，而對于長大山嶺隧道，一般選擇機械式通風［2］，其在海拔高、隧道長的條件下能否有效通風需要進一步深入研究。

（1）壓入式通風

通過位于隧道外部的風機，將隧道外的新鮮氣體運輸至隧道內部，并將渾濁氣體擠壓至隧道外部，這就是壓入式通風的原理［3］。該通風方式有很多優點，送風距離長、效果好、對風機的損害小等。但也存在很多缺點，比如風阻隨著風筒長度增加而增加，接頭處不容易密封等，見圖1。

圖1 壓入式通風布置示意

（2）抽出式通風

抽出式通風原理與壓入式通風原理截然不同，隧道內的污濁氣體由負壓風管抽出，新鮮氣體則以自然通風的方式于洞口處灌入［4］。采用抽出式通風，其負壓風管風口與隧道內的有毒有害氣體在同一空間，排出污濁氣體效果更好、所需通風量更少，并且不會讓隧道整體烏煙瘴氣，能保持良好的施工環境。但由于負壓的原因，只能采用塑料硬管或鋼管，對材料的要求比較高，導致其造價較高，且存在裝卸不便的問題，從而洞內形成良好施工環境所需時間較長，影響下一步工作的展開，對工期影響較大，見圖2。

圖2 抽出式通風示意

（3）混合式通風

壓入式、抽風式相互融合即為混合式通風。這種通風方式工作時間短，效率高、施工進度快［5］。但混合式通風所用儀器復雜、設備占用面積大，且噪聲污染較為嚴重，所以僅適用于大斷面長距離隧道，見圖3。

圖3 混合式通風示意

（4）巷道式通風

布設輔助坑道亦為一種較好的隧道通風方式，并且輔助坑道、施工方法以及設備條件對巷道式通風裝置、通風方式的選擇影響很大，選擇巷道式通風在很大程度上減少了施工成本的支出。由于風管只在局部布設，使得裝置不僅在操作方面變得相對簡單，而且在通風效率方面也有所提高［6］。但此通風方式由于需要輔助坑道，增加了工程量，對隧道整體施工進度產生一定的影響，見圖4。

圖4 巷道式通風示意

平地螺旋隧道獨頭掘進約1 800 m，需要綜合考慮各種情況，不僅需要考慮隧道內通風除塵的效果，還需分析現場實際狀況，平地螺旋隧道通風方案擬采用獨頭壓入式通風［7］。

4 高海拔山嶺螺旋隧道施工通風技術方案

4.1 通風計算和風機選擇

4.1.1 風量計算

（1）按隧道內施工人員（施工人員≤100人，每人按3 m3/min）計算

Q＝100×3＝300 m3/min

（2）按允許平均風速（正洞vp＝0.15 m/s，輔助坑道vp＝0.25 m/s）計算

正洞截面積＝90 m2，則：

Q＝0.15×60×90＝810 m3/min

（3）按照排除炮煙（有害物質按100 PPm）計算

取一次掌子面爆破炸藥用量，以隧道正洞最大量計算單耗Q＝1.0 kg/m3，一個循環長度l＝3 m，則：1×90×3＝270 kg。

炮煙拋擲長度：

L0＝15＋G/5＝15＋270/5＝69 m

通風時間t＝20 min（可根據實際情況選取）。

（4）按照洞內稀釋內燃設備產生的廢氣（用額定功率系數法，CO按50 PPm）計算

取一個掌子面出洞渣時的最大運距s＝1 800 m，即功率P＝170 kW，自卸車3臺，按照功率3 m3/（min·kW）計算。

運輸車Q＝170×5×3＝2 550 m3/min。

（5）通風機風量

按隧道允許最低風量vp＝810 m3/min和排除掌子面炮煙所需送風量850 m3/min，掌子面風量按照850 m3/min選取。計算結果見表1。

表1 隧道掌子面所需最大風量

4.1.2 風機風壓計算

管道風阻系數Rf＝6.5αL/D5

α為摩阻系數，一般取0.001 9～0.002 4，本文取0.002 2；L為風管長度；D為風管直徑。通過計算，掌子面風壓見表2。

表2 隧道施工掌子面風壓計算值

4.1.3 風機型號選擇

為了滿足隧道內所需要的風壓和最大通風量，通過計算最終選用風機型號見表3，具體為天津同創152BD-2SE132型對旋式隧道風機。

表3 各工區風機型號及參數

4.2 通風節能管理

（1）實施變風量送風管理

隨著隧道掘進長度逐漸增加，運渣車數量及排放廢氣的時間也相應增加，不同施工階段所需風量也不相同，即便是隧道施工全過程的同一作業循環過程中，各不同的施工工藝所需風量也不同，即通風量需隨工藝和現場情況而確定［8］。

（2）實施變風量、雙風管通風及排煙系統

對長大輔助坑道的通風而言，通過對比選擇，最終選用雙管壓入通風，避免了在一開始就采用大風機、大通風管進行通風導致風量過剩的問題［9］，減少了電量不必要的浪費，有利于施工的節能控制。

5 通風效果分析

采用CFJD5型和CFJD25礦用電子式風速表來檢驗獨頭壓入式通風的工程效果［10］。依據現場施工狀況，對隧道內部的風速、粉塵濃度、有害氣體濃度開展監測和數據研究，共設置了3處監測點，距離洞口由近到遠依次為監測點3、監測點2、監測點1，監測點2處于監測點1和監測點3的中間位置，監測點1距洞口為150 m，監測點3距洞口為50 m。3監測點位置均相差50 m，且在隧道的軸心對稱線上，設計高度為2 m。在爆破完成后，測量15 min與30 min時各監測點的氣體流動速度、粉塵與各有害氣體的密度等各項數據的變化率，見圖5～圖8。

圖5 通風15 min后不同距離處有害氣體濃度

圖6 通風15 min后不同距離處風速

圖7 通風30 min后不同距離處有害氣體濃度

圖8 通風30 min后不同距離處風速

由圖5與圖6可知，隧道通風15 min后，隨著與洞口距離的增加，各有害氣體以及粉塵濃度逐漸降低，而風速逐漸增大。風速v＞10 m/s時，監測點2處CO濃度最高，為26 mg/m3＜30 mg/m3，符合有害氣體濃度規范［11］。在監測點3位置處，CO含量為129 mg/m3，粉塵和其他氣體含量都處于超標狀態，通過分析最終結論為污濁氣體在通風作用抵達監測點3處所致。隧道襯砌及其他阻力作用對氣體流動產生影響［12］，從而導致v≈0.3 m/s。

根據圖7和圖8可知，隧道通風30 min之后，距離隧道洞口150 m到掌子面處粉塵與有毒有害氣體濃度可忽略不計，且v≈10 m/s。監測點2處的風速v≈0.7 m/s，空氣粉塵和有毒有害氣體含量也可以忽略不計，即距離隧道洞口100 m處的有害氣體及粉塵濃度趨近于150 m處，說明在通風30 min以后，隧道內的污濁空氣基本排凈；在洞口50 m附近空氣粉塵和有害氣體含量也可忽略不計，風速v≈0.1 m/s。通過數據分析可知，30 min后隧道內的有毒氣體基本已排空，且氣流穩定。

6 結論

本文依托位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣勿角鄉境內的山嶺隧道項目，對高海拔山嶺隧道施工通風進行討論與分析，并得出以下結論：

（1）通過對比研究的方式，并結合現場情況，對諸多高海拔隧道通風方式進行對比論證，最終選定獨頭壓入式通風的通風方式。

（2）通過對高海拔山嶺隧道施工各項通風參數進行計算分析，制定出采用獨頭壓入式通風的高海拔山嶺隧道通風專項技術方案。

（3）通過在施工現場對隧道爆破施工后的粉塵與風速進行監測，證明了高海拔山嶺隧道施工通風專項技術方案的可行性和有效性，為其他類似隧道施工通風技術提供了寶貴經驗。