隧道獨頭掘進長距離通風施工技術研究

陳孝松

（中鐵廣州工程局集團第二工程有限公司，廣東 廣州 510899）

1 工程概況

貴南鐵路斗篷山二號隧道位于貴州省黔南州都勻市境內，設計時速350km，單洞雙線，隧道全長7805m。全隧為單面坡，坡度為20.5‰，最大埋深約287m。隧址區屬侵蝕、溶蝕中低山地貌，隧道穿越山脈，山脊呈北東向延伸。洞身穿越石英砂巖夾灰巖、頁巖偶夾赤鐵礦以及灰巖夾砂巖、頁巖偶夾赤鐵礦地層。

斗篷山二號隧道分進口工區、橫洞工區和出口工區三個工區，進口工區承擔正洞施工長度2021m，橫洞工區承擔正洞施工長度4071m 及橫洞通道532m，出口工區承擔正洞施工長度1713m，該隧道各工區具體劃分見圖1。

圖1 隧道各工區具體劃分

2 通風方案選擇

隧道通風是隧道施工過程中的一項重要工序，通風質量決定施工效率和施工安全。斗篷山二號隧道橫洞工區最長獨頭通風距離為3100m，科學的通風設計、合理的設備選擇是實現良好通風效果的基礎，而良好的通風效果是保證隧道施工進度、施工安全和作業人員身心健康的關鍵。目前，國內隧道通風一般采用管道通風和巷道通風技術，巷道通風必須具備平行通風巷道（該項目不適用）。管道通風一般采用壓入式、吸出式和混合式等三種方式。

上述三種通風方式的優缺點見表1。

表1 三種通風方式優缺點

隧道施工主要作業區域為隧道掌子面開挖處和距掌子不足200m 處（采用二次襯砌施工方法），其余區域為車輛運輸通行，對空氣質量要求不高，采取壓入式通風可滿足通風需求，而且可以采用柔性風筒降低施工成本。

為便于對通風設備的安裝及維護，該項目采用一站式通風系統，一站式通風是指僅在洞口設置1 個通風站，中途不安裝接力風機，直接將新鮮風送至工作面。一站式通風設備安裝簡便，但對洞口風機的風壓要求較高，其布置見圖2。

圖2 通風設備布置圖

3 隧道通風風量計算

因為有2 個掌子面，計算風量時獨頭掘進長度取最大值，即3100m。

3.1 按允許回風風速計算風量

式（1）中：Q——計算風量，單位為m/s；

S——最大斷面面積，取154m；

V——洞內允許最小風速，根據規范取0.25m/s。

則：Q＝154×0.25＝38.5m/s

3.2 按內燃機械設備總功率計算供風量

使用內燃機動力設備時，隧道的通風量應足夠將設備所排出的廢氣全部稀釋和排出。目前多按照內燃機額定系數計算，該工程洞按每kW 供風量不小于3m/min 計算。

式（2）中：N——內燃機功率，單位為kW；

K——洞內出碴時使用內燃機每kW 所需風量，取3m/min；

結合隧道斷面、地質水文條件，綜合考慮各種工況組合情況，洞內出碴時掌子面使用的內燃機最多，按4 臺自卸汽車（150kW）、2 臺ZLC50B 裝載機（160kW），3 臺罐車（200kW），重載100%、空載50%、怠速30%三種工況計算，總功率約為912kW。

則：Q＝3×912kW=2736m/min/60=45.6m/s

3.3 風機供風流量及掌子面供風量確定

由前面計算結果知：Q=Q=45.6m/s，

式（3）中：Q——風機供風量，單位為m/s；

Q——掌子面供風量，單位為m/s；

L——通風管長度，3100m；

β——百米漏風率，取1.0%；

則：Q=45.6/(1-0.01)=62.3m/s=3738m/s

結論：根據計算結果，選擇供風量為3738m/min的風機才能滿足正洞施工通風需求。

4 風機風壓

通風機應有足夠的風壓以克服管道系統阻力，即h＞h，按下式計算：

式（4）中：①管口動壓h一般可考慮為50Pa。

②沿程壓力損失計算：

式（5）中：α——風管摩擦阻力系數，取α =3×10kg.s/m；

L——風管長度，取3100m；

U——風管周邊長，π×D=6.9115m；

Q——計算掌子面所需風量，取45.6m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s；

S——風管截面積，π×D/4=3.8013m；

D——風管直徑，2.2m；

③局部壓力損失，按沿程壓力損失的10% 估算：h=h×10%=326Pa

結論：供風壓力超過3632Pa 的風機能滿足施工要求。

5 風筒選擇

該項目中的風筒采用瑞典SWEDFAN 進口原材料，風筒直徑φ2.2m，風筒基布采用聚酯材質（表面涂塑化PVC），風筒所有接縫、接頭均全密封式焊接（見圖3）。風管采用拉鏈式接頭，接頭處內外層均有密封保護層，管內壓力越高接頭處密封越緊密，確保不漏風。經現場試驗測量，風機出口流量和掌子面風管末端（見圖4）流量完全一致。

圖3 破碎處快速修補帶

圖4 風筒末端縮口

在供風量相同的情況下，大直徑的風筒阻力遠小于小直徑的風筒。因此，根據隧道斷面大小，在保證隧道下部空間合理的情況下，盡可能選擇直徑較大的風筒。在風機的選擇上，可選擇供風風壓小、設備功率小的風機，長期運行能夠節約大量電費，使用費用也相對較低。

6 風機選擇

根據風量、風壓計算結果和現場設備情況，斗篷山二號隧道橫洞工區在洞口安裝一臺瑞典SWEDFAN 型 號2×AVH-R160.160.4.8（2×160kW）高壓軸流通風機（見圖5），最大風壓可達5400Pa，最大供風量67m/s。

圖5 高壓軸流通風機

7 單臺風機負責兩個作業面

一般來說，鉆爆的隧道可以通過以下工作形成一個循環：爆破之后是出渣、出渣完成后進行打眼撬矛和裝藥。爆破之后，風機調至全速，確保炮煙盡快排出（通常需要20～40min），炮煙一旦清除，出渣時風機全速運行來稀釋洞內的柴油尾氣及其他污染物（此過程通常需要90～150min）。出渣后是打眼裝藥的工作，此項工作需求風量很小。在打眼撬矛裝藥時，風速可以降低一些（此過程通常需要180～240min），見圖6。

圖6 風機工作循環時間

一臺風機負責兩個作業面：一個作業面爆破、出渣；另一個作業面鑿巖、裝藥、打眼等；在橫洞與正洞交叉口位置安裝兩個控制、調節流量的風門，實現兩個作業面交替作業，以大大降低成本。

鑿巖、裝藥、打眼等輔助工作對風量的需求很低，風量能需滿足作業人員的安全即可。鑿巖、裝藥作業人員按照100 人考慮，每人消耗新鮮空氣3m/min，總計消耗新鮮空氣為100×3=300m/min。

8 關鍵技術及取得的成果

當前，我國的長大隧道數量急劇增加，且多采用無軌運輸施工技術，無輔助坑道條件下的長距離獨頭掘進施工通風則成為制約施工進度的難題。由于長距離獨頭掘進施工的特殊性，對通風效果、用電量與隧道開挖長度的臨界值的研究尚有較大空間。因此，國內外研究者對隧道獨頭掘進長距離通風進行了廣泛的研究。

8.1 關鍵技術

采用先進的新型通風設備和風管保證掌子面的風壓和風量，以改善掌子面作業環境，減少有害氣體、粉塵等對施工作業人員身體的危害，減少施工機械設備磨損，提高機械設備運轉效率、有效提高電能利用率；節能減排、環境保護；降低施工成本。

8.2 取得成果

改善施工環境，提高施工效率，縮短工序循環時間，加快施工進度。風機調至全速，將炮煙排出僅需30min，較傳統風機節省20min，平均每循環較傳統方式快48min。

通過自動調節不同工序的供風量及供風時間，大大節約了成本。對比斗篷山二號隧道進口（1 個掌子面，通風距離2021m）和斗篷山二號隧道橫洞（2 個掌子面，通風距離3100m、2036m）同周期采集的用電量：

表2 貴南2 標斗篷山二號隧道通風對比

斗篷山二號隧道橫洞工期為42 個月，電費價格按0.85 元/度計算，采用柯迪發一站式通風系統，累計可節省費用142.9 萬元。

9 結語

總而言之，采用隧道通風新設備，可為隧道施工提供行之有效的隧道獨頭掘進長距離通風解決方法和經驗，幫助企業和項目部贏得良好的社會聲譽及業主的好評。