隧道施工通風系統的設計研究

中圖分類號：U453.5 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.WCcst.2025.03.038

文章編號：1673-4874（2025）03-0134-05

0 引言

隧道施工時，通常會釋放高溫、粉塵以及有毒有害氣體，如果隧道通風系統設計不合理，隧道內將長期處于高溫環境，且無法有效排出粉塵和二氧化碳等有毒有害氣體，將直接影響施工效率以及作業人員的身體健康[1]。合理設計隧道通風系統，對于保證施工進度和質量，以及確保人員安全具有重大意義[2。在通常情況下，隧道施工經常采用一條通風管道直接對施工面進行壓入式或抽出式通風。采用此通風方案不僅通風效率低，而且還會造成施工區域溫度高、粉塵無法排除、二氧化碳濃度高等結果[3]。另外，該方案并不適用于隧道斜井（橫洞）進入隧道主洞后往主洞進出口挖掘這一段的施工。國內多名學者對特長隧道施工通風需要進行了研究。唐偉超[4設計了多種利用斜井布置管道的通風方案。孫鵬[5]提出了兩種不同的隧道橫向通風方式，但需要另外從斜井施工橫向通道，增加了工程量。蔣鴻彬改進了傳統通風技術，提出采用壓入式接力通風來設計特長隧道施工通風系統，但需要設置多臺射流機。以上通風系統設計并未考慮對空氣降溫，而洞外空氣常處于高溫狀態，將熱空氣輸入隧道未能有效改善工作環境。另外，空氣監測和通風系統并未結合，不能及時根據洞內環境進行動態調控。

基于此，本文基于隧道施工斜井（橫洞）進主洞，提出了一種改進型通風系統。該系統的主要改進措施包括：

（1）引入制冷設備對洞外空氣進行預冷處理，然后向洞內輸送經過降溫的冷空氣，以降低洞內溫度。

（2）實時監測洞內空氣的溫度、粉塵和二氧化碳濃度等關鍵空氣質量指標，根據監測結果動態調整制冷設備和通風設備的運行功率，以優化空氣質量。

（3）將送風和排風相結合，排風管口設置在送風管口的下方，利用熱空氣上升將熱空氣排出，提高通風效率。

（4在通風管道的轉角處，采用金屬波紋管替代傳統的聚乙烯材質，減少通風過程中的流量損失，同時在金屬波紋管上焊接金屬薄片均勻分配風流，提高通風效果。

本文提出的隧道施工通風系統可實現對隧道快速通風降溫，保障施工面的工作環境良好，以期為類似工程施工提供技術參考。

隧道通風系統設計

隧道施工通風系統布置如圖1所示，包括送風裝置、排氣裝置、降溫裝置和監控設備等。

其中，送風裝置包括送風主管、兩根送風支管以及鼓風機。兩根送風支管水平設置在隧道主洞內遠離隧道橫洞的一側，出風口分別朝向隧道主洞的兩端。送風主管穿設隧道橫洞，其一端與兩根送風支管相連，另一端連接鼓風機的出風口，鼓風機的進風口與降溫裝置相連，降溫裝置位于隧道橫洞之外。經降溫處理的空氣通過鼓風機輸入送風主管、支管，最后到達隧道主洞，達到通風降溫的目的。

排氣裝置包括排氣主管、兩根排氣支管以及抽風機。兩根排氣支管水平設置在隧道主洞內靠近隧道橫洞的一側，并分別朝向隧道主洞的兩端。排氣主管穿設隧道橫洞，其一端與兩根排氣支管相連，另一端連接抽風機的進風口，抽風機位于隧道橫洞之外。當抽風機工作時，隧道主洞內粉塵和熱氣隨著排氣支管進入排氣主管，接著排出隧道主洞外。

由于冷空氣的密度比熱空氣大，在隧道中，熱空氣向上流動，冷空氣向下流動。為使降溫通風效果更好，將送風支管安裝于主洞的下部，排氣支管安裝于主洞的上部，這樣能更快地排出熱空氣和輸入冷空氣。

在送風主管和排氣主管與支管的連接位置分別設置分流擋板，確保空氣平均分流。主管和支管在轉角位置采用金屬波紋管連接，使拐彎處保持圓順，不會出現過度彎折的情況，避免形成折角而減少通風流量。同時加裝金屬流擋板與金屬波紋管焊接，以平均分流空氣。

降溫裝置對輸向隧道主洞內的空氣進行降溫，將其設置在隧道橫洞外。如圖2所示，降溫裝置包括儲水容器、冷卻管以及水泵。儲水容器設置有對箱內水進行降溫的制冷器。水泵用于抽水至箱體內，箱體還設置有排水管和排水閥，方便進行排水管理。冷卻管設置在箱體內，其兩端分別穿出箱體的相對兩側，一端與鼓風機相連。為增大接觸面積，提高降溫效果，冷卻管螺旋設置在金屬內模中。制冷器工作時，對儲水容器內的水進行降溫，形成冷卻水，再通過冷卻水對經過冷卻管內的空氣進行降溫，經過降溫的冷空氣在鼓風機的驅動下被傳送至隧道主洞內。降溫裝置需要用水，可設在沖溝水源旁邊或者打井取水，如不具備這些條件可采用外部水源。

為實時監測隧道內的空氣狀況，在隧道主洞內設置溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器以及粉塵濃度傳感器。在隧道橫洞之外設置監控室，監控室內設置有控制器和顯示器。溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、制冷器、鼓風機、抽風機以及顯示器均與控制器進行電性連接，如圖3所示。

控制器管理鼓風機、抽風機和制冷器，根據隧道內溫度和空氣質量調整功率。當溫度過高或二氧化碳及粉塵濃度超標時，會增大設備功率以快速調節溫度和改善空氣質量。所有監測數據都會顯示在屏幕上，方便工作人員監控和調整。

2 工程實例

2.1 工程概況

本文隧道通風方案應用于某山區高速公路隧道施工。該隧道為雙洞單向交通行車兩車道分離式小凈距特長隧道，設計長度為 5.6km ，單洞凈寬 11.5m ，凈高 5m. 0受地形限制，無法直接從兩端開挖。施工進洞方案為先橫向施工斜井，接入主洞后再縱向開挖隧道主洞。斜井長度為 162m ，縱坡為 -2.2% ，凈寬7.25m，凈高5m。洞口附近有山谷地表水匯集所成的河流，滿足通風系統用水，如圖4所示。

2.2 通風系統布置

斜井施工完成后，在隧道主洞施工時采用本文設計的通風系統。送風主管和排氣主管直徑為 1.8m ，送風支管和排氣支管直徑為 1.2m ，所有管道均為柔性管道，主管和支管采用金屬波紋管連接。所有管道采用可調整高度支架立于洞中，排氣管道在上，送風管道在下。溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器以及粉塵濃度傳感器采用移動式支架放置在掌子面附近，離地1. 5m 。根據《公路隧道施工技術規范》JTG/T3660一2020）（以下簡稱技術規范）計算得到隧道施工最小風量為 1200m³/min 鼓風機、抽風機、制冷器相關的技術參數如表1所示。

3實測數據與分析

3.1降溫效果

本節對通風系統的降溫效果進行研究。此時隧道主洞左右兩側進洞 30m ，因變化規律相同，只針對大樁號方向開挖施工時的溫度變化進行研究。比較制冷設備開啟前后的通風效果，并且在開啟通風裝置前，先將制冷器功率設置為最大，待冷卻水降溫至5℃后，再開啟鼓風機和抽風機并以最大功率運行。排氣口和送風口距離施工面分別為9m和1m，送風管道位于地面，排氣管道離地高度為3m。斜井外環境溫度為29.4℃，每隔1min記錄施工面溫度。

如圖5所示為在兩種不同通風條件下，即開啟制冷設備和未開啟制冷設備的情況下，施工面溫度隨時間的變化情況。未制冷時，施工面在開始通風前的溫度為37.6° ；開啟通風后，施工面溫度在3～18min逐漸降低，最后溫度穩定在31.1℃。開啟制冷后，在開始通風前，施工面溫度為37.6℃；在開始通風后，施工面在 ：0～3min 降溫較緩慢，在 3～14 min快速降溫，15min后降溫效果減弱，隨后逐漸達到穩定溫度 。未開啟制冷而對隧道輸送空氣時，輸送給隧道的空氣為外界環境空氣，盡管排風管道帶走了隧道洞內的一部份熱量，但并不能充分降溫。經熱量交換達到平衡后，隧道溫度保持在稍大于外界環境溫度，降溫幅度受外界環境溫度影響。相比之下，開啟制冷設備后，輸送冷空氣與排出熱空氣形成氣流循環，能快速將熱空氣排出洞外。因此，本文提出的通風方案能夠顯著提高施工面的降溫效率。

3.2除塵和二氧化碳排放效果

當隧道采用機械開挖時將產生大量粉塵和有毒有害氣體。如圖6和圖7所示分別記錄了某次隧道爆破施工完成后立即進行通風，二氧化碳和粉塵濃度隨時間的變化情況。爆破后，測得二氧化碳濃度達到32500ppm，而粉塵濃度為 183mg/m³ 。隨著通風系統的運行，兩者的濃度均迅速降低。在12min時二氧化濃度為8600ppm，在17min時為3700，滿足技術規范中的要求。

同樣，粉塵濃度在21min時為 4mg/m³ ，在23min時為1.8mg/m³ ，達到規范要求。這些數據表明本文提出的通風方案能夠有效地在短時間內降低粉塵和二氧化碳的濃度，達到快速減少隧道內部污染物含量的目的。

3.3金屬波紋管連接效果

本文提出的通風系統在通風管道的轉角部位采用金屬波紋管進行連接。如圖8和圖9所示，相較于傳統的聚乙烯材料，金屬波紋管能夠支撐截面不變形，使管道拐彎處的設計更為圓滑，有效避免了因折角導致的通風阻力增加。另外，這種設計確保了通風管道在拐角處的截面不會產生較大變化，從而維持了通風面積和送風量的穩定，進而提高了空氣輸送的效率。設置排氣口和送風口距離施工面分別為9m和 1m ，送風管道位于地面，排氣管道離地高度為 3m ，深入比較兩種不同連接形式在實際應用中的性能差異。

如圖10所示，對比了兩種不同管道連接方式在降溫效果上的差異。使用金屬波紋管時，洞內溫度在20min內從36.1℃下降至22.7℃。相比之下，使用聚乙烯管時，在20min降至25.3℃，在25min后進一步降至24.5℃并且不再下降，可見降溫效果不如采用金屬波紋管。如圖11和圖12所示，記錄了兩次初始二氧化碳和粉塵濃度相近時，通風后兩者濃度隨時間的變化情況。使用金屬波紋管時，二氧化碳和粉塵濃度分別在16min和17min內降至安全標準以下。而使用聚乙烯管時，這一過程分別需要24min和27min，說明其除塵和二氧化碳排放的效率也低于金屬波紋管。經研究分析和現場觀察，聚乙烯管材在轉角處出現了折角，導致通風截面減小，影響了通風量，造成降溫、除塵和二氧化碳排放效果不如采用金屬波紋管。

3.4管道布置影響

在隧道主洞中，排風管道布置在送風管道上方，便于排出熱空氣。排風口與進風口的布置影響洞內空氣流動，若兩者太靠近，輸送的冷空氣可能直接順著氣流向排氣管道流走，若兩者離開太遠則不能形成有效的空氣循環。另外，送風口和排風口離施工面的距離也將影響降溫效果。合理布置進風口和排風口可以確保空氣流動方向合理，形成有效的通風路徑，避免空氣在隧道內形成死角或短路，繼而可以有效調節隧道內的溫度，減少施工過程中的粉塵和有害氣體，甚至可以減少通風系統的能耗，實現節能。因粉塵和二氧化碳初始濃度不易控制，本節對不同風口布置時洞內溫度隨時間的變化情況進行研究。將溫度傳感器置于施工面中心，每一次試驗30min后結束通風，待溫度回升至試驗前同一溫度再進行下一次試驗。

（1）研究排風口高度對通風效果的影響，此時排風口距離施工面9m，送風口距離施工面1m。如圖13所示，初始溫度為35.1℃，當送風口離地1m，排風口離地4m時，洞內溫度可降至24.1℃，比其他幾種布置方式都低，而且降溫時間也更短，采用此種搭配的降溫效果最好。

（2）將送風口和排風口離地高度分別調整為1m和4m ，進一步研究送風口距離施工面1 m，2m，4n n時的降溫效果，此時排風口固定于距送風口8m。由圖14可知，當送風口距離施工面為1m時，離施工面近，冷空氣能更快到達，通風降溫效果最好。

（3）將送風口離地高度調整為1m，排風管口分別距送風口4m、8m、12m、16m、20m的降溫效果如圖15所示。由圖15可知，當排風口距離送風口為4m時，送入的冷空氣容易被直接抽走，降溫效果最差。相反，當排風口距離送風口為20m時，洞內空氣流通不暢，降溫效果也較差。當排風口距離送風口8～16m時，具有較好的通風效果。

4結語

本文設計了一種用于隧道施工的通風系統，該系統由送風裝置、排氣裝置、降溫裝置和監控設備組成。通風管道分為主管和支管，利用斜井或橫洞安放送風和排氣主管，將相應支管置于隧道主洞。降溫裝置放置于斜井或橫洞外，用于對空氣進行降溫。經降溫處理的冷空氣由送風管道輸送至隧道主洞施工作業面，同時施工作業面熱空氣由排氣管道排出隧道。

（1）經現場實測研究，本文設計的通風系統能有效提高隧道降溫效率，開啟降溫裝置后，降溫效果翻倍，降溫效率提升2倍，且該系統能快速減少隧道粉塵及二氧化碳含量。

（2）本文提出在轉角采用金屬波紋管連接，保證了轉 角處氣流平順，確保通風量穩定，比易變形的聚乙烯管材 具有更高的空氣輸送的效率。

（3）經現場實測研究，當送風管口離地1m，離施工面1m，排風管口離地3m，距離送風口 8～12m 時，通風降溫效率最好。

本文設計的隧道施工通風系統具有重要的工程應用價值，可為隧道施工通風系統的設計提供實用的指導和參考。

參考文獻

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