高原鐵路某隧道長斜井施工智能通風供氧技術

吳燕升

(中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 高原長大隧道施工通風現狀

長大隧道鉆爆法施工中，不僅鑿巖、爆破、出渣、混凝土噴射等作業過程會產生大量的粉塵和有害氣體，而且隧道中眾多的施工機械(如挖掘機、裝載機、出渣車等)也會排放有害氣體。

在高海拔地區，空氣稀薄，氣壓低、晝夜溫差大、空氣密度和含氧量降低，人機工作效率降低，風機性能、內燃機車燃燒和排放與平原有很大區別。尤其在半密閉的隧道施工環境中，爆破尾氣和內燃設備工作排放廢氣，隧道空氣成分和氣壓變化使得施工通風設計與平原存在較大差異。由于缺乏對高原隧道施工中有害氣體分布規律的認識，高原通風常常依據平原通風經驗進行，普遍存在通風效果不佳現象[1－2]。

目前，長大隧道常用的施工通風主要有壓入式、隔板式和巷道式等通風技術。通風方式一般為風機＋風管配置。長距離通風一直是隧道施工中的難題，而高原特長隧道的施工通風具有極大的挑戰性。

2 工程概況

某隧道為單洞雙線隧道，全長20 792.8 m，設貫通平導，最大埋深1 215 m。隧道進口海拔3 220 m，出口海拔約3 720 m，1號橫洞洞口海拔3 262 m(長1 854 m)，2號斜井洞口海拔3 820 m(長3 905 m)，3號斜井洞口海拔3 825 m(長3 205 m)。

2號斜井施工任務:向進口方向正洞掘進1 440 m，向出口方向正洞掘進2 166 m，總長3 606 m，隧道正洞斷面面積100 m2，平導斷面面積30 m2，斜井斷面面積40 m2，依次為12% ＋3% ＋12%的連續下坡，隧道截面(7.5×7.5)m。隧道采用鉆爆法施工、無軌運輸方式。

3 隧道施工通風條件

2號斜井采用鉆爆法施工，海拔高、晝夜溫差大，含氧量不到平原地區的63%。洞內局部有37℃～50℃和50℃ ～60℃溫熱水及瓦斯涌出。掌子面有裝載機、挖機、出渣車、砼車等內燃設備，斜井和平導施工總裝機功率約1 500 kW，正洞約1 750 kW。

為保證施工人員的健康和安全，作業環境應符合《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2019)和《客貨共線鐵路隧道工程施工技術規程》(QC-R 9653—2017)的相關標準規定。

4 通風及供氧方案

考慮隔板式通風施工的材料成本高及施工過程會中斷隧道施工等因素，經研究比選采用一站壓入式通風方案。

4.1 通風布置

按整體施工組織安排，2號斜井施工通風分三個階段。

第一階段:斜井自身掘進，鉆爆法施工，采用一臺KD2X-1風機進行獨頭壓入式通風，最大通風長度為3 905 m，施工通風布置見圖1。

圖1 第一階段施工通風布置

第二階段:斜井施工完成，正洞和平導同時掘進，鉆爆法施工，采用獨頭壓入式通風。兩臺KD2X-1、KD2X-2風機各負責兩個作業面通風，施工通風布置見圖2。

圖2 第二階段施工通風布置

第三階段:平導超前開挖，五個工作面同時工作，鉆爆法施工，采用獨頭壓入式通風。KD2X-1風機各負責兩個作業面通風，KD2X-2負責有超前的三個作業面施工通風，通風布置見圖3。

圖3 第三階段施工通風布置

以上施工階段，另設1臺同型號的KD2X-3風機備用，保持良好狀態，10 min內可正常運行[3]。KD2X-1、KD2X-2、KD2X-3均為無極調速變頻軸流風機。掌子面附近布置環境傳感器，實時監測洞內氣體、粉塵狀況自動反饋控制通風風量，實現智能自動運行。

4.2 通風量計算

鉆爆法施工通風風量應分別按最低風速要求、洞內最大工作人數、爆破排煙、稀釋和排除內燃機械廢氣等因素的方法進行隧道通風量計算并確定通風方式，同時根據多年的施工經驗對計算結果進行修正[4]。隧道工作面最小風速為0.25 m/s。

4.2.1 作業面需風量計算

需風量計算參數如表1所示。

表1 需風量計算有關參數

工作面需風量按以下因素考慮[5]:

(1)按洞內同時作業人數計算

式中:Q1為洞內同時作業最多人數的需風量(m3/s)；q為每個作業人員的需風量，取4 m3/min；m為作業面同時作業人數；k為備用系數，取1.25。

(2)按洞內允許最小風速計算

式中:Q2為洞內允許最小風速計算的需風量(m3/s)；V為回風速度(m/s)；A為隧道截面積(m2)。

(3)爆破排煙通風量計算

式中:Q3為洞內爆破排煙通風量計算的需風量(m3/s)；t為爆破排煙時間(min)；G為單次炸藥最大使用量(kg)。

(4)按稀釋內燃機廢氣計算

式中:Q4為洞內稀釋內燃機廢氣計算的需風量(m3/s)；k為功率通風計算系數；Ni為某類內燃設備總臺數(臺)；Mi為單臺柴油設備功率(kW)；Ti為各臺柴油機設備工作時柴油機利用率系數。

(5)按瓦斯涌出量計算

式中:Q5為瓦斯涌出量計算的需風量(m3/s)；q為絕對瓦斯涌出量(m3/min)；n為洞內瓦斯最大容許量，取0.5%；n0為進風中瓦斯百分數，取0%；k為瓦斯涌出不均衡系數，取1.6。

工作面需風量掌子面取最大值，Q＝MAX{Q1、Q2、Q3、Q4、Q5}，各工區作業面風量取值見表2。

表2 工作面需風量匯總

4.2.2 風機需風量計算

按照通風最不利情況，進行設備選型，并兼顧其他階段。選用單節長風管以及良好的管理，百米漏風率可以降低0.5%以下，按0.5%計，見表3。

表3 風機風量計算

4.3 風壓計算

通風最困難階段為第三施工通風階段，斜井布置兩根2.4 m直徑風管，正洞布置2.2 m直徑風管，平導布置1.8 m直徑風管。

風機的風壓用來克服沿途所有阻力，在數值上等于風管的沿程摩擦阻力和局部阻力之和。風壓計算應考慮沿程摩擦阻力和局部阻力[6]，見表4。

式中:P為風管阻力(Pa)；λ為沿程阻力系數；ρ為空氣密度(kg/m3)；d為風管直徑(m)；β為風管平均百米漏風率；L為管路長度(m)；Qf為風機工作點風量(m3/s)。

表4 管路阻力計算

4.4 風機選型

根據上述計算的風量、風壓進行設備選型，見表5。風機初擬選擇TV(H)-系列高原型變頻軸流風機，效率在84%以上[7]。

表5 風機選型

4.5 風管配置

施工完成的隧洞內風管單節長度選用200～300 m。靠近工作面的鉆爆段，風管可選單節20～50 m。風管連接采用內外襯雙密封及雙拉鏈連接，以減少接頭漏風，減小漏風率。

4.6 隧道富氧

2號斜井處于高原低氣壓環境中，隧道施工過程中粉塵多，柴油機械設備、運輸設備耗氧多，洞內含氧量更低，燃燒不充分后未燃碳氫化合物、CO等含量劇增。在嚴重缺氧環境下施工，不僅工作效率低，工程進度和安全無法保證，而且作業人員的身體健康也將受到嚴重危害，甚至生命安全受到嚴重威脅。

資料表明[8]:海拔高度平均每上升1 000 m，柴油機車功率將損失10%，燃油消耗率上升9%左右。因此，在斜井洞口考慮增設低能耗制氧站以提高送入洞內空氣的氧氣濃度，達到富氧狀態。

若提高隧洞內氧濃度2%，需要產氧500 Nm3/h，配置一套高原低能耗UPSA-500/80制氧裝置，即可滿足要求[9－10]，可等效降低海拔600 m左右，柴油機車功率將較只通風時增加6%，同時燃油消耗率下降5.4%左右[11－12]。相當于同樣功率輸出，油耗降低近12%。

隧道富氧后，無需鼻吸管式吸氧或氧療站，人員工作狀態能大幅改善，工作效率提高。

4.7 智能化控制

2號斜井采用隧道智能化通風供氧控制系統，在洞內工作面布設環境監測傳感器，收集洞內氣體成分、瓦斯、溫度、濕度、風速等各類數據，經智能化終端處理，控制軸流風機、制氧站工作狀態。

隧道通風、供氧智能化控制系統由施工環境監測、通風供氧智能化設備、設備運行參數監測、視頻監控系統、智能管理云平臺等組成，見圖4。

圖4 智能化控制原理

通風、制氧站具有一鍵啟停功能，帶有手機端智能控制。智能管理系統可根據隧道內氣體、粉塵狀況自動反饋控制通風和供氧量，實現節能運行。通過系統自身的自適應優化調節，可顯著改善隧道內部施工環境，并節電30%以上。

5 通風供氧管理

以“合理布局、優化匹配、防漏降阻、嚴格管理、確保效果”為方針，作為隧道施工通風管理的指導原則，強化通風管理。

采用雙電路的風機通電，成立專業通風維護班組，及時對通風管路、制氧站運行狀態進行檢查、維護，確保施工期間高效運轉。

6 通風效果監測

為掌握2號斜井通風、供氧和智能化控制系統的運行效果。將洞內的采集傳感器嚴格校準后，對比智能平臺所收集的洞內環境信息和能耗情況，見圖5。

圖5 智能控制時隧道內CO和粉塵監測

現場環境監測結果表明:智能控制能保證洞內施工環境良好，且節能27%左右。

7 結束語

高原某隧道2號斜井改隔板通風為三階段獨頭壓入通風方式和隧道整體富氧方案，通過電動風閥和智能化控制系統，根據作業面環境參數做風量調節，同時進行多個工作面施工。加強通風管理，提升洞內氧濃度，以增加內燃機車輸出功率，降低油耗和廢氣排放，降低了通風和燃油消耗量，效益明顯。