特長高速公路隧道高效通風的施工管理與控制分析

臧浩宇 蓋明

摘要：高效通風可改善隧道施工環境，提升空氣質量，保障人員健康。但特長隧道施工通風難度大、風險隱患多，需結合項目所處區域、結構設計，建設高效通風體系，加強施工管理，使通風效果符合施工需求。本文以某高速公路特長隧道項目為例，分析特長高速公路隧道高效通風的施工管理、通風施工風險控制的具體思路，以優化長距離隧道掘進、建造時的通風方案，科學選用風機，完善隧道施工組織保障機制和隧道通風技術體系。

關鍵詞：特長隧道；高速公路；施工；施工管理

DOI：10.12433/zgkjtz.20240742

高速公路特長隧道施工技術復雜，內部施工間距長，施工環境特殊，通風不暢會含有大量有害物質，危及施工人員健康安全。為建立高效通風體系，應根據特長隧道施工特點，合理設計通風系統，優化通風參數，使通風施工管理標準化，有效控制長隧道施工風險，提高高速公路特長隧道的建設效率。

一、項目概況

某高速公路隧道項目，全長7.56km，最大埋深

0.76km，屬于高海拔特長隧道。隧道主洞樁號為K00+

120～K18+150，平行導洞樁號為PK00+120～PK18+

150，施工長度分別為3567m、3712m，包括土石方開挖作業、洞內防護工程、隧道支護施工等子項目。主洞凈寬10m，凈高5m，側向寬度0.5m，行車道為3.5×2m，設計速度60km/h，公路等級為二級公路。

二、特長隧道通風方式

（一）機械通風

基于通風系統設置形式，機械通風分為壓入式、壓出式、混合式三種。

第一，壓入式。應用風機稀釋開挖面氣體、粉塵，傳送新鮮空氣，排放有害氣體及污染物。通風期間，通風管道內新鮮空氣、污染混合物會相互作用，降低風速后，增加射流斷面，新鮮空氣壓入后污染混合物反向流出。壓入式通風稀釋效果良好，可全面排放洞內污染物。但需考慮風機、通風管損失和動能，預防污染物回流。

第二，壓出式。風機可設置于隧道洞室外、洞室內，風機啟動后抽出有害氣體，加壓促進新鮮空氣流動。壓出式通風排污效果好，需風量小，無回流風險，通風施工管理方便。但吸程短，通風管要求高，常用于有軌隧道。

第三，混合式通風。組合應用壓入、壓出式通風技術。壓出式風機為主風機，通風組合為大功率風機+柔性風管。配合壓入式風機，輔助通風，集成通風優勢，延長通風長度。但需控制通風管道搭接長度，不小于20m。主機風量應大于輔機風量，通風管、洞口間距符合要求。

（二）既有通道輔助通風

基于“長隧短挖”目標，應用斜井、豎井、平行導洞等既有通道設置通風體系，縮短通風距離。第一，洞口安裝風機，平行導洞側挖通風區，洞口設置風門，作業面臨近通道作為通風通道，促使風流循環。主風機啟動后，平行導洞內負壓值增加，新鮮空氣流入，進入主洞掌子面，實現通風供氧。第二，應用“無風門巷道式射流通風技術”更換風機，布設射流風機，增大風量，改變風機壓力，直接導入風流。第三，分別在斜井、豎井安裝風機，利用鉆孔、井道流出有害氣體，建立自然風壓，利用隧道高差輔助通風除塵。

三、特長高速公路隧道高效通風施工設計

項目采用壓入式通風方案，主洞、平行導洞通風參數設計如下：

第一，壓入式通風長度分別為3570m、3720m，主洞通風管直徑1.8m，平行導洞通風管徑1.5m。

第二，隧道斷面75m2、37m2，通風管均為單管。

第三，需風量分別為主洞2300～3612m3/min，平行導洞1900～2960m3/min，風壓為8500Pa、13850Pa。主洞風機為變頻節能對旋軸流通風機，設有2臺，最大功率180kW。平行導洞風機最大功率為2×110kW，轉速1480r/min，風機型號SDF（c）N13，設有4臺。

第四，主洞、平行導洞洞口10m處需設置軸流風機，均實施壓入式通風。主洞洞口軸流風機為2臺180kW風機，平行洞口風機為110kW風機4臺。

四、特長高速公路隧道高效通風施工管理與控制思路

（一）優化通風參數

1.需風量

隧道施工過程中，各類工況通風所需風量有所差異，需準確計算隧道施工需風量，確定“最小風量值”。項目采用壓入式通風方案，壓入式通風需風量計算公式如下：

（1）

其中，Q為施工作業面風量（m3/min），t為隧道施工所需通風時間（min），G為隧道開挖、掘進爆破藥量（kg），L為隧道臨界長度（m），A為隧道掘進斷面面積（m2），φ為淋水系數。P為1.5、1.8柔性通風管漏風系數，b為隧道施工時污染混合物總量。對于特長隧道，掘進長度較大，爆破后隧道內炮煙需稀釋至標準值，炮煙流動時，掌子面稀釋、標準值產生時炮煙流動距離為臨界長度。計算公式如下：

（2）

其中，K為隧道紊流擴散系數。隧道通風管徑、壓入式通風有效射程是影響紊流擴散系數的主要數據，取值范圍約為0.4～0.8。

2.通風阻力

隧道施工通風阻力包括局部阻力、摩擦阻力。其中，摩擦阻力存在于隧道施工全過程，為通風主要阻力，包括層流摩擦阻力、紊流摩擦阻力兩種。

第一，層流阻力為通風過程中，空氣分子流動時，阻止空氣分子運動的摩擦力。隧道通風量為Q時，層流摩擦阻力為每平方米空氣需消耗的能量，該數值與隧道通風風速、風量變化成正比關系。

第二，紊流阻力是空氣質點相互作用后的阻力，計算公式如下：

（3）

其中，hf為紊流阻力（Pa），L為通風管長度（m），D為管徑（m），λ為達西系數，ρ為流體密度（kg/m3），v為平均風速（m/s）。為保障隧道通風效果，改善施工環境，需提前計算通風阻力，優化通風設計參數，保障特長隧道通風質量。

3.風機參數

項目屬于特長隧道，基于壓入式通風方案，安裝軸流風機時，應確保風機風量、風壓的合理性。

第一，風機轉速、安裝角度明確后，產生的風流量為恒定值，計算公式為：

（4）

其中，QZ為通風機風量（m3/min），P為風管漏風系數，Qmax為需風量（m3/min），D、d為通風設備動輪外徑、直徑（m），ca為通風機出氣口氣流分速度（m/s）。

第二，風壓為隧道通風機全壓，根據公式計算：

（5）

其中，公式中，γ為空氣重率（N/s2），η為通風機全壓通風效率，g為重力加速度，?為通風機輪速。高海拔地區，通風機全壓值會變化，施工時應及時監測通風機特性曲線、海拔高度值，調整風壓。

（二）明確通風施工要求

1.主洞通風施工

第一，單頭壓入時，通風間距低于1500m，計算平均風速時，應嚴格遵守隧道通風施工管理規范，確保最低平均風速取值合理。項目主洞壓入式通風時，隧道土方開挖斷面面積為80m2，計算后平均風速取值0.23m/s。

第二，持續開挖后，隧道兩側開挖長度大于1500m，通風距離長、難度大。為保障通風效果，應移動風機，設于主洞右洞內，配合該區域既有巷道優化通風設計。左洞需實施排煙處理，具體施工時應封閉左右洞前側人行通道，沿線安裝通風機、射流風機。通風機安裝位置應根據隧道開挖、施工點位靈活調整，確保隧道內空氣質量符合要求。

2.斜井輔助壓入通風

部分區域利用斜井輔助壓入通風，斜井通風管道與主洞連接。施工時可基于隧道進口方向布設3～4個通風斷面。

第一，設置4個通風斷面，斷面沿隧道進口方向開挖，開挖長度大于150m、小于300m時，直接啟動通風機，壓入計算風量，供氧通風。斜井兩側通風裝置獨立運行，通風管道負責方向不同，可結合隧道施工設計，合理調整通風管道供風區域，預防通風高峰。斜井兩側開展爆破作業時，應安裝射流風機，及時處理爆破作業后的環境問題。

第二，從斜井出口區域兩側開挖，主洞、進口區域未貫通前，連接斜井兩側排風管道，建設風室，風室密閉，設有軸流式通風機。正式施工后壓入新鮮空氣，同時向多個作業面供風。為保障通風效果，需增加通風管道直徑。

（三）完善隧道通風施工設計

1.合理布局

為預防隧道通風系統產生循環風、回流風，出風口位置應與洞口保持一定距離，間距大于30m。作業過程中，通風管需設于隧道拱腰處，便于推進流水作業。通風管、掌子面間距合理，符合通風輻射要求。為減少通風作業量，可配合使用其他降塵、排煙設備，降低通風難度。

2.優化配置

優化隧道內通風機配置，增強通風機性能。

第一，施工作業為開挖、掘進，需貫通人行通道。施工通風采用壓入式通風設計，主洞設置2臺軸流風機，風機型號為SDF（P2）－N017/2，2臺射流風機。平行導洞配置4臺軸流風機，1臺射流風機，軸流風機型號為SDF（C）N012.5/2。設立風機型號均為SSF－N014/30kW。

第二，進尺1600m后，調整通風方案，貫通行車通道。可將平行導洞作為輔助送風巷道，在車行道后55m處布設軸流風機，共安裝4臺，通風機功率分別為180kW、110kW。主洞、平行導洞連接后，橫通道處需布設風門，阻隔污染混合物，預防污濁空氣回流。平行導洞排污時，通道需安裝射流風機引流、排污，經主洞回風巷道排出隧道洞口。為保障新鮮空氣供應量，平行導洞洞口處壓入送風設備可采用110kW軸流風機，洞內均勻布設射流風機。例如，距離洞口約200m處安裝3組6臺射流風機，風機功率為30kW，每組風機間距100m。

3.加強管理

第一，防漏降阻。對于特長隧道通風施工，應基于防漏降阻目標，降低通風管道漏風率、減小通風摩阻系數，確保風機輸送距離長、通風效果好。首先，控制風管接頭數量，采用柔性風管，風管接長后嚴格檢驗接口處密封性。風帶破損后應立即修補，并移動風帶至掌子面，必要時應更換風帶。其次，風管表面、內壁干凈，材質老化時間長，具有防水、抗燃特點。最后，適當增加風管節長度，控制風量損失，項目風管各節長度設計為30m。

第二，合理控制通風時間。隧道爆破后，通風時間應大于15min。隧道掘進深度增加后，可適當增加通風時間，確保廢氣、廢煙及時排出。

第三，重視通風系統維護管理。持續監測軸流通風機、射流通風機等通風設備運行狀態，記錄運行參數。定期檢查、檢修通風設施，發現故障后立即處理，降低通風質量風險。通風施工過程中加強安全培訓、施工管理，通過統一安全教育、技術培訓活動，增強施工人員安全意識，提升通風技術能力，確保隧道通風效果。

例如，可安排專業通風管道施工管理小組，使其及時維修、保養、檢查風管，調整不順、不平區域，發現風管存在漏風現象后及時處理。通風管道破損長度、寬度小時，可采用補縫工藝修補。管節破損嚴重、難以修補時需立即更換，控制管道漏風系數，確保通風管道密封度。操作風機時，應組織專業技術人員值守，嚴格按照規定操作風機，確保風機狀態良好、穩定。

第四，做好排煙處理。通風期間，可應用大循環無風門排煙技術，輔助排煙，或應用水幕降塵器排煙、降塵，確保隧道爆破、掘進時，土石方出渣時不揚塵，通風效果良好。項目采用鍍鋅鋼管作為降塵裝置，鋼管上鉆入小孔，套裝閘閥，一端堵死后緊靠掌子面安裝。安裝后開閘，釋放水霧，以此降塵、輔助排放炮煙。

隧道行車洞每60m可設置3m×2m排煙口，安裝組合風閥。排煙時采用單側、雙側組合排煙方式，保證隧道各區段排煙效果，使通風機送風、排風曲線保持穩定，減少近端排煙量過大、遠端排煙量不足問題。

第五，排查隧道通風隱患。首先，結合特長隧道通風系統設計，監測風機電能傳輸路徑。排查風機控制箱、配電室線路連接情況，保證風機電流傳輸穩定性。其次，檢查風機預埋件、連接點的固定情況。風機自重、隧道內滲水、爆破施工等因素會導致風機設備、風管元件松動問題，影響通風效果。可采用專用儀器，檢查、加固風機，使其穩定性、安全性符合要求。再次，控制風機電阻，使風機電機絕緣正常，電流平衡穩定，葉片正常旋轉。例如，運用萬用表測量風機外殼、電機絕緣情況，測試電機運行時的電流值，觀察葉片旋轉狀態。第四，隧道施工環境較差，作業面灰塵、濕度會影響風機設備運行狀態。施工期間應結合隧道風機設備運行需求，加強環境管理，做好通風機清、查、測、檢的維保工作，全方位排查通風設備安全隱患，保障隧道通風質量。

五、結語

綜上所述，通風是隧道施工關鍵內容，高效通風效果可改善隧道內施工環境，保障施工人員安全。高速公路特長隧道項目中，建設方應基于隧道長距離、工藝復雜等特點，滿足內部通風需求，模擬通風技術，對比隧道通風方案，篩選最佳通風設計，及時排出隧道內污染物、有害氣體，保障工人健康，提升特長隧道施工進度，為高速公路隧道交通體系的完善創造有利條件。

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作者簡介：臧浩宇（1989），男，內蒙古自治區烏蘭察布市人，工程師，本科，主要研究方向為特長隧道施工現場管理；蓋明（1987），男，內蒙古自治區巴彥淖爾市人，工程師，本科，主要研究方向為山區高速公路橋梁隧道施工管理。