特长公路隧道施工通风技术

摘 要：针对国内单口掘进的长大公路隧道施工中施工通风的必要性，结合南厦高速公路石鼓山特长隧道施工通风，对施工通风的风量、风压计算及改善隧道施工通风的技术途径做了较详细的介绍，并且在隧道现场施工通风中取得了良好的成果。

关键词：特长公路隧道；施工通风；通风计算

中图分类号：U453文献标识码:A

1 工程概况

福建南厦高速公路石鼓山隧道全长6005米，双洞六车道。衬砌内轮廓净宽15.05m，净高7.68m，最大开挖断面积120.42 m2。在隧道施工中，由于钻孔、炸药爆破、装渣、喷射混凝土、内燃机械和运输汽车的排气等因素，使洞内氧气大大减少，且混杂各种有害气体与岩尘，造成洞内空气混浊。随着隧道不断开挖，不断向山体深处延伸，洞内的温度和湿度相应提高，对洞内作业人员的健康造成严重影响。石鼓山隧道出口段为独头掘进，人工钻爆法开挖，无轨运输，施工通风难度大。为了更换和净化隧道内的空气，供给洞内足够的新鲜空气，稀释、冲淡和排除有害气体和降低粉尘浓度，以改善劳动条件，保障施工作业人员身体健康、保证正常的安全生产，并提高劳动生产率，必须进行施工通风系统的技术研究。

2 隧道施工中的主要污染源和通风防尘标准

2.1 隧道施工中的主要污染源

爆破产生的炮烟；柴油机产生的废气；车辆行驶产生的粉尘。

2.2 通风防尘控制标准

2.2.1 氧气含量

洞内的氧气含量按体积比不低于20%。

2.2.2 粉尘浓度

每立方米空气中含10%以上的游离二氧化硅的粉尘不大于2mg；含有10%以下的游离二氧化硅的水泥粉尘不大于6mg，二氧化硅含量在10%以下。

2.2.3 有害气体

一氧化碳：不大于30mg/m3；当施工人员进入开挖工作面检查时，浓度可为100mg/m3，但必须在30min～35min内降至30mg/m3

二氧化碳：按体积不超过0.5%；

氮氧化物换算成二氧化氮控制在5mg/m3以下。

2.2.4 气温

隧道内气温不得超28℃。

2.2.5 空气量

隧道施工时，供给每人的新鲜空气量不低于3m3/min，采用内燃机械作业时，1kw的供风量不小于3m3/min。

2.2.6 风速

隧道开挖时全断面风速不小于0.15m/s,洞内不小于0.25m/s。

3 施工通风计算和风机选型

3.1 计算依据

洞内通风采用风管式通风，每循环进尺按3.0m，炸药用量按290kg。第一阶段压入式通风时间按30min考虑，第二阶段混合式通风按40min考虑。掌子面所需风量按洞内要求的最小风速、洞内人员需风量、一次爆破后及时排除掌子面炮烟、内燃机械设备的使用所需的风量计算，取其中的最大值为依据计算。

3.2 第一阶段施工通风计算和风机选型及布置

从出洞口向正洞方向掘进1400m以内压入式通风。

3.2.1 风量计算

1）根据同一时间，洞内工作人员数计算：见《路桥施工手册》第649页（21-16）公式：

Q1=1.2×60×3=216m3/min

作业人数按60人、风量备用常数取1.2。

2）按照爆破作业确定风量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t—通风时间，取t=30min；G—次爆破的炸药量，G=290Kg；A—隧道断面积，A=120.42m2；Ψ—与隧道的潮湿程度有关ψ=0.3；b—炸药爆破时的有害气体产生量b=40L/Kg；p—风管的漏风系数，取1.18（见后计算）；L—临界长度，按照将CO稀释到100mg/m3计算：

L=12.5G*b*K*/(A*p2)

式中K为系统扩散系数，与风管口距工作面的距离及风管直径有关，K=0.67

L=12.5G*b*K*/(A*p2)=12.5*290*40*0.67

/(120.42*1.182)=579.4

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

=2.25[290*(120.42*579.4)2*0.3*40/1.182]1/330=1724.98m3/min

3）内燃机械作业废气稀释的需要计算风量：见《路桥施工手册》第650页（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞内同时使用内燃机作业的总kW数；N：洞内同时使用内燃每kW所需的风量，一般取3.0m3/min；

在隧道工作面开挖至1400m距离内，出碴时重车数取4辆，空车4辆，柴油机功率180kW，重车负荷率80％，空车负荷率30％，利用率0．9，装载机两台，每台150kW，负荷率70％，利用率0．9，实际使用功率。

ni=180*4*0．8*0．9+l50*2*0．7*0．9+180*4*

0．3*0．9=901.8kW。

Q3=3*901.8=2705.4m3/min

4）按洞内最小风速计算风量：见《路桥施工手册》第650页（21-22）公式：Q=60VS

V：洞内允许最小风速，m/s；全断面开挖时为0.15m/s，其它为0.25m/s，这里取0.15m/s；

S：开挖断面积120.42m2；

Q4=60*0.15*120.42=1083.78m3/min

取由以上四种计算结果中内燃机械作业废气稀释的通风的最大值2705.4m3/min作为设计控制风量。

5）风管漏风损失修正风量

通风机设在洞口，为工作面供风，通风计算取最大通风长度L=3152/2=1576米(隧道通风考虑风机串联，故长度按隧道开挖总长的一半考虑)，风管百米漏风系数β为1%，风机所需风量Q机为：

P=1/(1-β)L/100=1/(1-0.01)15.76=1.18

Q机=Q需*P=2705.4*1.18=3192.37m3/min=53.21m3/s

式中：P-风管漏风系数。

6）风压计算

S风管=ΠD2/4=1.77m2

V=Q需/S风管=2705.4/1.77=1528.47m3/min=25.47m3/s

H摩=λ*L/D*ρV2/2=0.0078*1576/1.5*1*

25.472/2=2658.2Pa

式中：ρ-空气密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3计；V-风管内平均风速；D-风筒直径，取1.5m；λ-达西系数，取0.0078；L-通风长度，取1576m；S-风筒截面积，单位m2。

系统风压H=h摩+h局+h正+h其他，为了方便计算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*2658.2Pa=3189.84Pa。

3.2.2 风机选型

根据上述Q机、H的计算结果，参靠风机性能曲线选择风机、要求风量、风压处于被选择风机的高效区内，即η=0.8为佳。

DSF-ⅡNo12.5A型号通风机功率2x38①

115KW，压力为2524～6000Pa＞H(3189.84),流量77840～270000m3/h=75m3/s＞Q需（53.21m3/s）。因此选用DSF-ⅡNo12.5A风机，配以Φ1500mm软质分管，可以满足洞内通风要求。

3.2.3 通风机布置

通风机安装在洞外20～30m的位置，向掌子面压入通风。(通风布置见图1)

3.3 第二阶段施工通风计算和风机选型机布置

从出洞口向正洞方向掘进1400m～3152m(贯通点)压入式通风。

3.3.1 风量计算

第二阶段风量主要考虑洞内爆破、内燃机械作业废气稀释需要的风量：

1）根据同一时间，洞内工作人员数计算：

Q1=1.2×60×3=216m3/min（同第一阶段）

2）按照爆破作业确定风量：

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

其中：t-通风时间，取t=40min；G-次爆破的炸药量，G=290Kg；A-隧道断面积，A=120.42m2；Ψ-与隧道的潮湿程度有关Ψ=0.3；b-炸药爆破时的有害气体产生量b=40L/Kg；p-风管的漏风系数，取1.18（见后计算）；L-临界长度，按照将CO稀释到100mg/m3计算：

L=12.5G*b*K*/(A*p2)

式中K为系统扩散系数，与风管口距工作面的距离及风管直径有关，K=0.67

L=12.5G*b*K*/(A*p2)=12.5*290*40*0.67

/(120.42*1.182)=579.4

Q2=2.25[G(AL)2ψb/p2]1/3t

=2.25[290*(120.42*579.4)2*0.3*40/1.182]1/340=1293.74m3/min

3）内燃机械作业废气稀释的需要计算风量：见《路桥施工手册》第650页（21-21）公式：Q=ni*N

ni：洞内同时使用内燃机作业的总kW数；N：洞内同时使用内燃每kW所需的风量，一般取3.0m3/min；在隧道工作面开挖至1400m～3152m距离内，出碴时重车数取6辆，空车6辆，柴油机功率180kW，重车负荷率80％，空车负荷率30％，利用率0．9，装载机两台，每台150kW，负荷率70％，利用率0．9，实际使用功率。

ni=180*6*0．8*0．9+l50*2*0．7*0．9+180*6*

0．3*0．9=1258.2kW

Q3=3*1258.2=3774.6m3/min

4）按洞内最小风速计算风量：见《路桥施工手册》第650页（21-22）公式：Q4=60VS

Q4=60*0.15*120.42=1083.78m3/min(同第一阶段)

取由以上四种计算结果中内燃机械作业废气稀释的通风的最大值3774.6m3/min作为设计控制风量。

5）风管漏风损失修正风量

通风机设在洞口，为工作面供风，通风计算取最大通风长度L=3152/2=1576米(隧道通风考虑风机串联，故长度按隧道开挖总长的一半考虑)，风管百米漏风系数β为1%，风机所需风量Q机为：

P=1/(1-β)L/100=1/(1-0.01)15.76=1.18

Q机=Q需*P=3774.6*1.18=4454.03m3/min=74.23m3/s

式中：P-风管漏风系数。

6）风压计算

S风管=ΠD2/4=1.77m2;

V=Q需/S风管=3774.6/1.77=2132.54m3/min=35.54m3/s

H摩=λ*L/D*ρV2/2=0.0078*1576/1.5*1*3

5.542/2=5175.64Pa

式中：ρ-空气密度，隧道出口海拔100～150m，按ρ=1.0kg/m3计；V-风管内平均风速；D-风筒直径，取1.5m；λ-达西系数，取0.0078；L-通风长度，取1576m；S-风筒截面积，单位m2。

系统风压H=h摩+h局+h正+h其他，为了方便计算，取H=1.2H摩

H=1.2*H摩=1.2*5175.64Pa=6210.77Pa

3.3.2 风机选型

根据上述Q机、H的计算结果，参靠风机性能曲线选择风机、要求风量、风压处于被选择风机的高效区内，即η=0.8为佳。

采用2组DSF-ⅡNo12.5A型号通风机功率2*55 110KW进行串联，串联后通风机工作压力为5048～12000Pa＞H(6210.77),流量155680～540000m3/h=150m3/s＞Q需（74.23m3/s）。因此选用2组DSF-ⅡNo12.5A风机串联，配以Φ1500mm软质分管，可以满足洞内通风的要求。

3.3.3 通风布置

1)当隧道开挖到1400～2500m范围时，将第二组通风机安设在局洞口1300m处（ZK12+330/YK12+352）串联通风，保证正常通风。见图2

2)当隧道开挖到2500～3152m范围时，将第二组通风机安设在局洞口2250m/2300m处（ZK11+380/YK11+352）串联通风，保证正常通风。见图3

4 经验和体会

通过南厦项目石鼓山隧道施工区段通风阶段实践，总如下：

1）在设备选型上，应该尽可能选择通风量较大的变速节能风机，DSF-ⅡNo12.5A风机共6级变速，风量从1294m3/min至45001294m3/min,风压从2524～6000Pa，功率从160kw至220kw,既可适应不同施工阶段的需要，同时也可以避免电能虚耗和大风机启动时风压较高而设置长距离的硬管。采用直径1.5mde通风软管，百米漏风降低，风阻减少，更换较少，节约了动力费用。实现了大风机、大风管的合理匹配。

2）加强洞内监测和个人防护，改善作业环境，提高功效，从而缩短作业循环时间，加快施工进度。

3）实行施工通风专业化管理，从方案设计、通风设置选择，新产品应用及日常施工管理等各个环节都要做细、做好。

长达隧道施工通风方案是否合理是直接影响经济效益的一个重要条件，是施工技术人员必须长期研究的一个重要课题。

参考文献

[1]公路隧道通风防灾技术.长安大学.2009.01.01.

[2]公路隧道监控系统设计合理性研究.广东省高速公路有限公司.2006.01.01.

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