超3000m独头掘进隧道施工通风设计及应用研究
总结出科学有效的特长隧道施工通风技术和合理的设备配置，以期为类似工程施工提供可借鉴的经验。
关键词：隧道工程；施工通风设计；超3000m；独头掘进每
1、引言
近年来，随着科学技术的突飞猛进，社会经济的发展需要，特长隧道层出不穷，国内外的记录不断被刷新，然而长大隧道的通风排烟问题一直都是隧道建设中的难题。特长隧道施工中，独头掘进超过4 km，甚至超过5 km时，普通的压人式通风和混合式通风均难以解决问题，施工通风是特长隧道施工组织设计中的一项重要内容，它对高地温条件下特长隧道能否顺利建成具有决定性的作用，同时它也是提高施工效率、保证机械设备正常运转和施工安全的前提。本文介绍了两安特长隧道施工中，分阶段，分季节，各个工区间相互配合，协调一致，解决了高地温条件下特长隧道施工中的通风排烟难题的成功案例，同时也反映出施工通风与交通运输等其它施工组织之间的关系。
2、工程概况
2.1工程概述
新建贵广客运专线两安特长隧道全长12636m，设计为双线隧道，净宽12.82m，净高8.68m，起讫里程DK526+743～DK539+379，位于桂林市恭城县及贺州市钟山县境内。洞内纵坡为人字坡，自进口向出口方向为6287m的5‰的上坡和6349m的6‰的下坡。隧道设斜井2座：于线路前进方向右侧D3K529+300处设置一号斜井，全长1488m，与线路中线前进方向交角为107°，坡度9.8%；于线路前进方向左侧D3K536+300处设置一号斜井，全长1353m，与线路中线前进方向交角为36°30′，坡度7.85%；均采用双车道无轨运输，净空尺寸7.7m（宽）×6.2m（高）。全隧按进口、1#斜井、2#斜井及出口四个工区组织施工，施工组织示意图见图1。
2.2气象、水文及地质特征
隧道所处地区属亚热带季风气候，总的特点为炎热多雨，霞暑酷热，受季风影响，四季尚分明，6～8月份最热，年气温最高达40℃以上。地下水以第四系土层中的孔隙水及基岩裂隙水为主，水量中等，受大气降水及地表水补给，以地面径流及泉的形式排泄，段内地下水储量一般。据区域水文地质调查报告，在附近相同山脉有一地下温泉出露（DK539+300右侧7.8km处），该泉位于断裂与硅化岩脉交汇部位，一上升泉的形式排泄。温泉由三处涌出后相汇，排列方向与冲沟方向一致，长约20m，出口高出沟水位0.4～0.8m。流量2.12升/秒，水温32℃。由于洞身围岩与其相同、裂隙具贯通性，洞身可能遇到个别股状温泉水。本隧道最大埋深700m，计算推测隧道最大埋深处地温T=34.64℃，远超过标准温度值（28℃）。
3、高地温情况概述
3.1高地温的产生机理及其发展规律
深埋长大隧道由于其埋深大、穿越的不同地质单元多，因而，除了具有一般浅埋隧道的工程地质问题外，还有一系列特殊的、或较浅埋隧道更为严重的工程地质和地质灾害问题，其中高地温问题尤为突出。一般来说，地温超过30℃时，称为高地温。隧道越长、埋深越大，高地温问题越严重。地温一般随隧道埋深的增加而升高，当埋深小于1000m时，地温起伏变化不大；当埋深大于1500m时，随着深度的增加，地温将急剧升高。从国内外高地温隧道实践情况来看，当原始岩温达35℃、湿度达80%时，深埋隧道中的高地温问题已非常严重。
两安隧道属中低山地貌，洞身穿越侏罗纪乌洋山单元（J3wy）花岗岩和侏罗纪屋面前单元（J3w）花岗岩，根据地质知识，花岗岩属于岩浆岩，岩浆是在地壳深处或上地幔产生的高温炽热、粘稠、含有挥发分的硅酸盐熔融体。由于地质变化，在山体埋深较大，隧道深度较深情况下花岗岩极易释放热量，形成高地温现象。根据施工设计图、书说明，通过计算，两安隧道最大埋深700m，推测隧道最大埋深处地温为34.64℃。在施工过程中发现，当1#、2#斜井正洞工作面掘进超过1000m时，洞内温度超过30℃，并随掘进长度急剧升高，已严重影响正常施工作业。为准确掌握洞内温度变化，分别在1#、2#斜井的衬砌台车和钻爆台车上设置温度计，用以量测不同施工段落及不同时段、不同工序作业时的温度，并详细记录，通过对记录的温度进行统计分析，掌握洞内温度的变化规律，据此对施工通风方案进行科学设计。
3.2高地温对隧道工程的不利影响
随着隧道施工技术的不断进步，隧道建设逐渐向长大深埋隧道发展，高地温病害也逐渐成为隧道工程的一大难题，高地温对隧道工程施工的不利影响主要表现在：（1）恶化施工作业环境，降低劳动生产率，并严重威胁到施工人员的健康和安全；（2）影响到施工及建筑材料的选取，如耐高温炸药、止水带、排水盲管及防水板等；（3）产生的附加温度应力还可能引起衬砌开裂，对衬砌结构的安全及耐久性不利；（4）隧道内的高温高湿将导致机械设备的工作条件恶化、效率降低、故障增多。
3.3高地温隧道的应对技术措施
高地温隧道施工时，可采用通风降温、空调局部制冷以及设置冷却站通冷风的措施来降温，以保证正常施工。下面分别介绍几种常见的降温措施：
（1）通风：搞好通风是防止高地温的最主要的技术措施。要求风量够用，风量稳定，风速满足有关规定；风机应有双回路供电，风机经常运转；通风系统可靠，有增加风量的潜力，系统的通风阻力小、漏风少、排除热量及其它有害物质的效果好。
（2）个体防护：个体防护的制冷成本仅为其它制冷成本的1/5左右。个体防护的主要措施是工人穿冷却服，从冷却服的工作介质来看，有干冰、压缩空气、冷水及自冷却作用的冷却服。用冰作介质的冷却服质量最为可靠，效果也最好，但冷却时间一般只有2h左右（5kg冰）。在分散的高温作业地点，不便采取集中降温措施时，可采用个体防护措施。
（3）减少热源：隧道内热源主要包括：围岩散热、机电设备散热、热水散热、矿物氧化放热等。对于高地温隧道来讲，主要是围岩散热。基本结论是：在围岩壁上涂敷绝热材料，岩温较高时作用较大，经过一定时间后作用消失。因而对高温原岩的放热，在防水板和混凝土衬砌之间设置隔热材料，可隔断从岩体传播来的热量，使混凝土内的温度应力降低。来减少原岩对空气的放热量。
（4）人工制冷降温：根据国内外的多年实践经验，当采用隔绝热源、加强通风措施不足以消除热害，或技术经济效果不佳的情况下，才采取人工制冷降温。按制冷机的容量和设置位置可大致分为两种：一种为独立移动式制冷机，放置大型冰块，即在各工作面实施局部制冷的方式。二种为大型制冷机安装在隧道外的集中固定式制冷方式，即制冷机在隧道口冷却全部进风的直接制冷方式以及制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套，组成局部冷却的分散制冷方式。
掌子面钻爆作业时，可采用水炮泥封堵炮眼，随着围岩的爆破，水炮泥中的水分被升华为水蒸气，吸收围岩空气的热量，减少热量和粉尘量，而且还可以降低放炮产生的有害物质。结合本工程所处地区的水文及气象条件，指挥部多次组织相关专家对该隧道降温措施进行研究、論证，经过反复的对比、分析，认为本隧道最经济可行的降温措施为通风，通过不断地优化通风设计方案，较之其它降温措施，可以在较大程度上节约施工成本，也便于施工组织管理。
4、通风设计方案
两安隧道施工通风设计的难点在于高温地段的施工通风，供风量除应满足洞内作业人员所需新鲜空气量、稀释炮烟及其他有害气体所需风量外，还应满足保证作业区间环境温度在允许温度以下。洞内工作环境温度按不高于28℃控制。
4.1洞内通风标准
风速和风量要求为断面开挖时风速应不小于0.15m/s，供风量应保证每人供应新鲜空气不小于3m3/min。压入式进风管口或吸出式出排风管口应设在洞外适当位置，并做成烟囱式，防止污染空气再流入洞内。通风管靠近工作面的距离为压入式通风管的出风口距工作面不宜大于20m，吸出式通风管吸风口不宜小于5m。采用混合式通风时，当一组通风机向前移动，另一组风机的管路即相应接长，始终保持两组管道相邻端交错不小于20～30m。局部通风时，吸出式风管的出风口应引入风流循环的回风流中。隧道中空气质量要求为一氧化碳（CO）浓度不大于30mg/m3；二氧化碳（CO2）按体积计不得大于0.5%；氮氧化物（NO2）在5～8mg/m3以下；甲烷（CH4）按体积不得大于0.5%；含10%以下游离二氧化硅的粉尘，不得大于2mg/m3，含10%以下游离二氧化硅的粉尘，不得大于4mg/m3。
4.2 总体设计思想
本隧道进、出口及1#、2#斜井工作面均采用无轨运输运输出渣，本隧道在进口及出口工作面采取压入式通风，并根据掘进长度及时调整供风量；通过大量的调研分析，确定了两安隧道1#、2#斜井钻爆法施工的通风参数，决定分阶段采用压人式、巷道式、射流风机辅助的混合方式通风方案。在距隧道进口及出口洞口30m～50m处（这样可以避免从洞口排出的废气进入通风机形成“循环风”）各设置1台SDF（C）-No13隧道施工专用轴流通风机，其最大配用电机功率为低速：22X2 kW，中速：45×2 kW，高速：132×2 kW （这样可以随着距离的增加逐步增加供风量）；初期在1#、2#斜井洞口各设置1台SDF（C）-No13隧道施工专用轴流通风机，其最大配用电机功率为低速：22X2 kW，中速：45×2 kW，高速：132×2 kW （这样可以随着距离的增加逐步增加供风量），随着洞身掘进长度的增加，适时配置相应的接力风机和射流风机。
4.3通风系统设计
根据设有辅助导坑的隧道的施工组织特点，结合两安隧道现场施工进度和洞内温度变化情况，其施工通风可分为以下3个阶段。
4.3.1 斜井正洞掘进未超过1km
该阶段1#、2#斜井正洞掘进均未超过1km，此阶段进口掘进为超过1km，出口掘进未超过700m，在进口、出口以及1#、2#斜井洞口分别设置1台SDF（C）-No13轴流式风机采取压入式通风方法来解决洞内通风问题，并根据掘进的长度及洞内空气环境合理调整风机转速，以保证通风效果，这是常规方案，进、出口和斜井均采用无轨运输，施工通风第一阶段平面布置见图2。
4.3.2 斜井正洞掘进超过1km，且1#斜井与进口尚未贯通
当斜井正洞掘进超过1km后，洞内温度超过30度，空气环境急剧恶化，只在洞口设置1台SDF（C）-No13轴流式风机进行压入式通风已无法有效改善作业环境，必须进行接力通风，方可达到预期的通风效果。此阶段两安隧道进口掘进长度在2km以内，无需进行接力通风，将洞口风机风速调至最高即可，同时为确保下步1#斜井能够尽快实现巷道式通风，项目部在1#斜井增开向贵阳方向的工作面，以期尽早贯通进口与1#斜井；1#斜井掘进长度不超过2500m，需在DK530+300处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行一级接力，DK531+300处设置1台SDDY-11NO12.5A（110*2KW）轴流风机进行二级接力，同时分别在DK530+600、DK531+600处设置SDSNo9A/15射流风机辅助通风；2#斜井掘进长度超过2500m，洞内温度达到40℃以上，通风难度巨大，隧道中部（DK534+500附近500m范围内）形成烟尘、废气停滞区，需在DK535+300处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行一级接力，DK534+900处设置1台SDDY-11NO12.5A（110*2KW）轴流风机进行二级接力，DK534+300处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行三级接力，在DK534+500处设置1台SDDY-11NO12.5A（110*2KW）轴流风机进行反向抽烟，同时分别在DK535+150、DK533+500处设置SDSNo9A/15射流风机辅助通风；两安隧道出口掘进长度超过2km，需在DK537+400处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行一级接力，并将洞口风机风速调至最高。施工通风第二阶段平面布置见图3。
4.3.3 1#斜井与进口贯通
1#斜井与进口贯通后，将1#斜井洞口设置的SDF（C）-No13轴流式风机移至洞内DK529+100处，并设置风门，通过两安隧道进口向掌子面压入新鲜空气， 1#斜井坡度为9.8%，有“烟囱效应”，污浊空气可通过1#斜井自然排出，形成巷道式通风。此阶段1#斜井广州方向掘进超过2500m，洞内温度超过40℃，通风难度巨大，在DK531+300附近500m范围内形成烟尘、废气停滞区，污浊空气无法顺利排出，需在DK531+100处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行一级接力，需在DK532+100处设置1台SDDY-11NO12.5A（110*2KW）轴流风机进行二级接力，在DK531+300处设置1台SDDY-11NO12.5A（110*2KW）轴流风机进行反向抽烟，并根据掘进长度，适时移动此轴流风机，确保通风效果；2#斜井掘进超过3km后，洞内温度超过42℃，通风已无法达到降温的目的，洞内空气环境已无法满足工人作业的基本要求，为保护工人身体健康，指挥部决定暂停2#斜井正洞施工；两安隧道出口兩安隧道出口掘进长度超过2500m，需在DK537+400处设置1台SDDY-11NO12.5A（75*2KW）轴流风机进行一级接力，并将洞口风机风速调至最高。施工通风第三阶段平面布置见图4。
4.4风量计算及风机配置
施工通风所需风量按洞内同时工作的最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量和内燃机械设备总功率分别计算，取其中最大值作为控制风量。
4.4.1 通风计算参数
本隧道Ⅱ级围岩比重较大，采用全断面开挖，在风量计算中以Ⅱ级围岩施工的相关技术参数为标准，详细通风计算参数表如表1所示。
4.4.2 通风计算
本文以第一阶段施工通风两安隧道1#斜井通风计算为例，其它工作面及通风阶段计算参照执行。
（1）按洞内允许最小风速计算，采用公式如下：
Q1=60×V×A（m3/min）
式中：V为洞内最小允许风速m/s，计算如下： Q1=60×0.15×116.45=1048m3/min
（2）按正洞内同一时间最多工作人员数量计算，采用公式如下：
Q2=q×m×k（m3/min）
式中：q为洞内每人每分钟所需新鲜空气，取q=3m3/min；m为洞内同时工作的最多人数，取60人。K为风量备用系数，
Q2=3×60×1.15=207m3/min
（3）按洞内同一时间爆破使用的最大炸药量计算
Q3=7.8×t-1×（GA2Ls2）1/3
式中：G为同时爆破的最多炸药，实际为510 kg；A为坑道的净断面积，实际为116.45m3；t为爆破后的通风时间，实际为30min；Ls为炮烟抛掷长度，取117m。
代入上述数据：Q3= 7.8/240×（510×116.452×1172）1/3=1185（m3/min）
（4）按稀释内燃机废气计算风量：根据装碴作业工序中内燃设备分布，工作面暂按3台满载北方奔驰自卸车（206kw），平均负荷率0.75；2台卡特装载机（213kw），负荷率0.8；1台CAT330（200kw），负荷率0.8。
Q4=3×3×206×0.75+3×2×213×0.8+3×200×0.8=2893（m3/min）
通过Q1、Q2、Q3、Q4比较，工作面风量不低于1185m3/min，稀释内燃设备尾气所需的通风量约2893m3/min。
（5）通风机的供风量：无轨运输作业时，通风机的供风量一般由稀释内燃设备尾气所需风量控制，在严格控制管道漏风的情况下，这个风量也能满足排除炮烟的要求。此时验算漏风可按排除炮烟所需风量或平均风速计算，取其最大者。隧道采用大风量供风，拟采用软皮质风管，管路直径1.5m，每百米漏风量率可以控制在1%以内。隧道供风量：Q修=P×Q；P=（1-β）-L/100
式中：P 为漏风修整系数；β为百米漏风率；L 为通风管长度，暂取2500m（考虑洞身在到达2500m时开始第一次接力），代入相关数据，P=1.29；
Q修 =1.29×1048=1352<2893m3/min
因此，取风机设计风量3000m3/min。
4.4.3 风压计算
（1）局部阻力：h1=n×C×g×V（kpa）
式中：n为风管转弯次数；C为转弯阻力次数，取0.04；g为重力加速度，g=9.81m/s2；V为转弯风速，取0.4m/s；考虑风筒最多三次拐弯，则风筒局部阻力为：h1=3×0.04×9.81×0.40=0.473（kpa）
（2）沿程压力损失计算：h2=6.5×α×L×Q2×/（PLd5）
式中：α为风管摩擦力系数，α=λ×ρ/8=0.012×1.2/8=1.8×10-3kg/m3；L为管道长度，取2500m（考虑通风管2500m时开始第一次接力）；Q为风量（m3/s） ，Q=3000/60=50（m3/s）；d为通风管直径，取1.5m，式中漏风系数：PL=1/[1-（2500/100） ×1.5%]=1.43；h2=6.5×0.0018×2500×502/（1.43×1.65）=4877Pa。
（3）管道总阻力：h= h1+ h2=4877+473=5350Pa，取5400Pa。
4.4.4 通风机选型
通风机型号的选择要考虑以下三个条件：（1）通风机吸出风量不能小于理论计算风量；（2）通风机直径与选取通风管直径不能差别太大；（3）风机全压值≮管道总阻力。
根據计算数据，为确保满足计算结果，保证实际通风效果，通风机采用SDF（C）-No13轴流风机，设计风量3000m3/min，风压5400Pa，功率为2×132kw，作为两安隧道1#斜井长距离压入式通风风机，最大通风长度2500m。风管的选用要从风管出口处的风速和风量、风管的耐用性、风管装拆的难易程度等方面考虑。风管选用洛阳机械厂生产的φ1600mmWSFG型双抗软质拉链风管。该风管具有防水、阻燃、抗静电性能。每节风管30～50m长，连接头为拉链式，以实现防漏降阻。风机接口处及正洞与横通道连接处采用硬质风管连接，长度不短于200m。
4.4.5 通风设备配置
根据计算的其它工作面的相关通风技术参数，并据此合理的配置风机。本隧道通风设备配置详见表2。
5、施工通风技术管理措施
5.1风机、风管安装及维护
（1）安装风机：洞外风机安装位置距洞口为25～30m，支架稳固结实，保证风管、风机在同一直线上。风机位于洞口外上风向位置，避免洞内压出废气循环进入风机形成二次污染。
风机出口设置加强型柔性或变径管与风管连接，风机和风管接口处法兰间加密封垫。
（2）安装风管：通风管挂于隧道顶部，衬砌面下5cm。作业时先算出风管位置，并每隔5m算出锚杆位置。风枪打眼后安装1.5m长锚杆。再将φ8mm盘条吊挂线拉直拉紧并焊固在锚杆上，然后吊线挂上风管，这样可使风管安装达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减少通风阻力。为克服长期使用风管疲劳造成长度延伸、挠度增大。风管吊挂必须做到平、直、稳、顺、紧。即：在水平面上无起伏，在垂直面无弯曲，风管无褶皱、无扭曲。
风管过衬砌台车时，有台车的上部设φ1.3m的硬质网风管，使软网管与硬质风管保持顺接。
（3）通风系统的维护：通风系统由专门维修负责组维护，实现防漏降阻，推广防尘技术。健全通风管理制度，使工作内容制度化，工作标准规范化，并制定相应奖惩措施，并严格执行。每月进行一次系统检查，每300m为一个检查调整段。开挖期间，风管出现破洞，及时粘补，较大的破口可先缝再粘补。风管每隔一段距离要设放水孔。
5.2通风排烟管理措施
（1）通风机要有专人值守，按规程要求操作风机。定期测试通风量、风速，检查通风设备的供风能力和动力消耗；
（2）风机尽量减少停机次数，发挥风机连续运转性能；
（3）洞内因渗水和温度变化的影响，风管内会有积水，要每月排水一次；
（4）尽量避免或减少人为的对风袋的破坏，如发现风袋有漏风的地方，应立即对风袋进行修补，对于严重破损而不能修复的管节，必须及时更换；
（5）作业面爆破前，做好对风机及风管防护，爆破后由专职人员携带防毒面具进入拆除防护及延伸送风管，确保送风管出风口到掌子面距离少于15m，同时尽快开启送、排风机，达到加速排烟的目的。
6、结语
本文针对高地温条件下两安特长隧道独头掘进长（超过3000m）的特点，分阶段制定了压入式、巷道式及射流风机辅助通风的方案，并在施工过程中对通风方案不断优化，加强通风管理，使洞内施工作业环境得到了较好控制，温度始终保持在28℃左右，确保了施工的顺利推进，施工实践证明本隧道施工通风方案是成功有效的。
在本隧道的施工通风设计和实施过程中发现，相对于普通隧道的通风设计和管理，高地温特长隧道有其特殊性，设计、计算及分析要考虑的因素更为复杂。唯有对现场相关空气及环境指标进行监测，并对数据进行系统分析，才能对通风方案的设计和优化提供科学依据。
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