馬建華，胡雯杰，田偉權(quán)，林克

(1.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇西鐵路建設(shè)指揮部，云南 大理 671000；2.中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的大力發(fā)展和西部大開(kāi)發(fā)力度的進(jìn)一步加大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展[1-4]。在各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，公路建設(shè)和鐵路建設(shè)中長(zhǎng)大隧道的通風(fēng)問(wèn)題一直是隧道行業(yè)的難題，通風(fēng)效果的好壞直接影響到整個(gè)隧道施工的空氣質(zhì)量，進(jìn)而影響到各個(gè)作業(yè)面施工人員的身體健康，通風(fēng)方案的選擇是影響通風(fēng)效果好壞的直接決定因素[5-7]。因此，解決長(zhǎng)大隧道通風(fēng)問(wèn)題至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)大隧道通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究。方磊[8]研究了通風(fēng)模型試驗(yàn)方法，進(jìn)行了通風(fēng)模型各系統(tǒng)的基本性能試驗(yàn)，確定了合理的通風(fēng)模型試驗(yàn)參數(shù)；賈寶林等[9]人結(jié)合干陽(yáng)溝隧道斜井通風(fēng)實(shí)際問(wèn)題，對(duì)通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了水幕降塵與通風(fēng)機(jī)相配合的通風(fēng)降塵方案；羅衍儉[10]調(diào)研了國(guó)外隧道通風(fēng)實(shí)例，并進(jìn)行了總結(jié)分析，提出了解決通風(fēng)問(wèn)題的建議；夏永旭[11]研究了我國(guó)長(zhǎng)大公路隧道施工過(guò)程中通風(fēng)存在的技術(shù)問(wèn)題，并提出了解決通風(fēng)問(wèn)題的主要思路。

長(zhǎng)大隧道通風(fēng)較為困難，隧道的通風(fēng)問(wèn)題又各具特色，哈巴雪山2#橫洞工區(qū)平導(dǎo)是哈巴雪山隧道關(guān)鍵線路，最長(zhǎng)通風(fēng)距離超過(guò)4100m。目前該工點(diǎn)主要采用多組風(fēng)機(jī)接力通風(fēng)，但由于通風(fēng)距離長(zhǎng)、折點(diǎn)多以及風(fēng)筒直徑難以統(tǒng)一，導(dǎo)致掌子面處含氧含量偏低、有害氣體含量偏高，直接影響作業(yè)人員及機(jī)械施工效率。因此，本文依托哈巴雪山隧道2#橫洞與正洞交叉處通風(fēng)問(wèn)題，研究隧道掌子面所需空氣量、風(fēng)機(jī)選型，對(duì)比分析不同通風(fēng)方案效果，提出合理的通風(fēng)方案。同時(shí)，為了保護(hù)隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境，設(shè)計(jì)了洞口活性炭裝置，降低了隧道內(nèi)廢氣對(duì)環(huán)境的影響。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

麗江至香格里拉線鐵路位于云南省西北部，南起大麗鐵路麗江車(chē)站，向北跨越金沙江至香格里拉，全長(zhǎng)139.666km。線路起點(diǎn)連接大理至麗江鐵路，并通過(guò)該鐵路和廣大鐵路與成昆鐵路相連。由中鐵十六局承建的哈巴雪山隧道位于香格里拉市虎跳峽鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)9523m，分1#、2#橫洞及斜井工區(qū)組織施工，是全線控制性工程之一，隧道除進(jìn)口段367m為平坡外，其余段分別為13.25‰（430m）、28.1‰（8540m）、28.5‰（186m）單面上坡施工。哈巴雪山隧道平面示意圖如圖1。

1.2 2#橫洞工區(qū)通風(fēng)概述

哈巴雪山隧道屬于高海拔，8度烈度區(qū)單線長(zhǎng)隧，2#橫洞工區(qū)平導(dǎo)通風(fēng)長(zhǎng)度超過(guò)4100m，目前主要采用接力法通風(fēng)（洞口處2臺(tái)110kW風(fēng)機(jī)+1800m處2臺(tái)110kW風(fēng)機(jī)+2500m處2臺(tái)75kW風(fēng)機(jī)），距離長(zhǎng)且過(guò)程中需經(jīng)過(guò)橫洞轉(zhuǎn)支洞、支洞轉(zhuǎn)平導(dǎo)、平導(dǎo)轉(zhuǎn)橫通道、橫通道轉(zhuǎn)正洞等多次轉(zhuǎn)折。2#橫洞工區(qū)平導(dǎo)雖設(shè)置了多處接力風(fēng)機(jī)，但由于隧道受大變形影響導(dǎo)致凈空變小，無(wú)法統(tǒng)一風(fēng)筒直徑，且通風(fēng)筒經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)折后風(fēng)損極大，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)效果差，氧氣含量偏低、有害氣體含量偏高，且該工點(diǎn)圍巖主要為炭質(zhì)板巖，存在局部瓦斯富集的情況。為有效解決隧道長(zhǎng)距離、多轉(zhuǎn)折的通風(fēng)理論研究及現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處理措施，以哈巴雪山（長(zhǎng)坪）隧道2#橫洞工區(qū)平導(dǎo)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，該工點(diǎn)是哈巴雪山（長(zhǎng)坪）隧道關(guān)鍵線路，通風(fēng)問(wèn)題解決效果將直接影響現(xiàn)場(chǎng)施工效率，進(jìn)而影響麗香鐵路全線能否如期貫通。

2 隧道通風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

2.1 隧道通風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12]，隧道通風(fēng)量主要從四個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是洞內(nèi)工作人員所需風(fēng)量、規(guī)定時(shí)間內(nèi)稀釋一次性爆破所產(chǎn)生有害氣體的允許濃度所需風(fēng)量、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速所需風(fēng)量、洞內(nèi)施工設(shè)備總功率所需風(fēng)量等，按照以上風(fēng)量需求的最大值確定隧道通風(fēng)量。

①洞內(nèi)工作人員所需風(fēng)量Q1

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12]，隧道內(nèi)每人每分鐘所需新鮮空氣標(biāo)準(zhǔn)為3m3/min，隧道內(nèi)工作人員最多為50人，風(fēng)量備用系數(shù)取1.25，因此

②規(guī)定時(shí)間內(nèi)稀釋一次性爆破所產(chǎn)生有害氣體到允許濃度所需風(fēng)量Q2

哈巴雪山隧道正洞橫斷面積約75m2，一次爆破的炸藥消耗量按144kg計(jì)算，炮煙拋擲長(zhǎng)度為15+144/5=43.8m，通風(fēng)時(shí)間按30min計(jì)算，因此

③洞內(nèi)允許最小風(fēng)速所需風(fēng)量Q3

按照相關(guān)規(guī)范[12]，洞內(nèi)允許最小風(fēng)速取0.15m/s，因此

④洞內(nèi)施工設(shè)備總功率所需風(fēng)量Q4

按照相關(guān)規(guī)范[12]，1kW機(jī)械設(shè)備所需風(fēng)量不小于3m3/min，隧道內(nèi)作業(yè)時(shí)按照1臺(tái)ZL50D型裝載機(jī)（功率158kW/臺(tái)）、3輛自卸車(chē)（功率196kW/臺(tái)）計(jì)算，取機(jī)械設(shè)備平均利用率為70%，因此

綜合以上計(jì)算哈巴雪山2#橫洞-平導(dǎo)最長(zhǎng)通風(fēng)距離按4100m計(jì)算，考慮到通風(fēng)過(guò)程中的漏風(fēng)損失，平均100m漏風(fēng)率取1.3%，漏風(fēng)系數(shù)為1/((1-1.3%)4100/100)=1.71，則實(shí)際通風(fēng)需求量為1566.6m3/min×1.71=2678.89m3/min。

2.2 隧道通風(fēng)阻力計(jì)算

隧道通風(fēng)過(guò)程中伴隨著一定量的風(fēng)阻，只有明確通風(fēng)過(guò)程中的風(fēng)阻，才能為風(fēng)機(jī)選型提供更好的依據(jù)。

①摩擦風(fēng)阻Rf

風(fēng)筒的摩擦系數(shù)按1.6×10-3，風(fēng)筒的直徑按1.5m計(jì)算，因此

②風(fēng)筒通風(fēng)阻力hL

摩擦風(fēng)阻Rf為5.62Ns2/m3，最大需風(fēng)量為稀釋設(shè)備內(nèi)燃尾氣為1566.6m3/min，所需通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為2678.89m3/min，因此

③風(fēng)筒出口局部阻力hx0

風(fēng)筒出口的局部阻力系數(shù)為1.0，最大需風(fēng)量為稀釋設(shè)備內(nèi)燃尾氣為1566.6m3/min，風(fēng)筒的直徑按1.5m計(jì)算，因此

④所需風(fēng)機(jī)風(fēng)壓hmT

2.3 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)的選型要滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，由于最長(zhǎng)通風(fēng)距離超過(guò)4100m，因此，選用接力通風(fēng)方式，橫洞洞口風(fēng)機(jī)型號(hào)選用馭創(chuàng)風(fēng)機(jī)2×ZVN1-14-160/4（高效風(fēng)量3120m3/min，最大全壓7000Pa，功率160kW），交叉口風(fēng)機(jī)型號(hào)選用馭創(chuàng)風(fēng)機(jī)2×ZVN1-14-110/4（高效風(fēng)量2880m3/min，最大全壓5200Pa，功率110kW）。通風(fēng)方案布設(shè)如圖2所示。

圖2 2#橫洞工區(qū)通風(fēng)平面示意圖

哈巴雪山隧道2#橫洞進(jìn)入正洞及平導(dǎo)后，隨著通風(fēng)距離的加長(zhǎng)，洞內(nèi)施工環(huán)境變差，溫度升高，隧道出渣時(shí)，機(jī)械設(shè)備增加，導(dǎo)致污濁空氣排出較慢。另外，在交叉口處風(fēng)阻增加也是造成通風(fēng)不暢的主要原因之一。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，隧道內(nèi)10#橫通道小里程工作面氧氣含量20%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量24PPM、硫化氫含量0PPM，隧道內(nèi)氣溫為35.3℃，總體通風(fēng)效果一般。

3 隧道通風(fēng)方案優(yōu)化

隨著2#橫洞大里程與斜井小里程區(qū)間正洞貫通，在“煙囪效應(yīng)”的作用下，2#橫洞洞身通風(fēng)情況得到了極大的改善，為隧道通風(fēng)優(yōu)化提供了條件。因此，提出了隧道通風(fēng)優(yōu)化方案，即取消洞口處2臺(tái)串聯(lián)110kW風(fēng)機(jī)，距橫洞口1800m處（距離平導(dǎo)口300m）2臺(tái)110kW風(fēng)機(jī)改為1臺(tái)110kW風(fēng)機(jī)，距橫洞口3100m處（距離11#橫通道口200m）設(shè)1臺(tái)75kW風(fēng)機(jī)，距橫洞口3700m處（距離10#橫通道口100m）設(shè)1臺(tái)75kW風(fēng)機(jī)，10#橫通道內(nèi)設(shè)1臺(tái)55kW風(fēng)機(jī)，通過(guò)計(jì)算滿足現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)要求。方案優(yōu)化后總體通風(fēng)距離縮短1800m，風(fēng)機(jī)總功率由6臺(tái)690kW減少為4臺(tái)315kW，總風(fēng)機(jī)數(shù)量減少33.3%，風(fēng)機(jī)總功率降低54.3%。優(yōu)化后通風(fēng)布置圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后通風(fēng)布置圖

采用該方案后，隧道洞內(nèi)污濁空氣排出速度加快，洞內(nèi)環(huán)境滿足施工要求。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，隧道內(nèi)10#橫通道小里程工作面氧氣含量20.96%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量20PPM、硫化氫含量0PPM，隧道內(nèi)氣溫為27.6℃，通風(fēng)效果得到較好的改善。

4 隧道通風(fēng)廢氣減污技術(shù)

隧道內(nèi)產(chǎn)生廢氣的來(lái)源諸如爆破出渣、機(jī)械廢氣等，這些廢氣排出隧道后會(huì)對(duì)生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境造成一定的污染。由于隧道內(nèi)空氣溫度較高，廢氣一般是在隧道內(nèi)空上部排出，因此，提出了基于活性炭裝置的隧道廢氣減污措施，如圖4所示，活性炭裝置布設(shè)在距洞口20m處，位于風(fēng)機(jī)下游。在隧道洞口布設(shè)吊籃，吊籃內(nèi)裝滿活性炭，當(dāng)隧道內(nèi)廢氣排出時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)活性炭裝置，使部分廢氣被活性炭裝置吸附，減少隧道內(nèi)廢氣對(duì)環(huán)境的污染。

圖4 隧道廢氣減污技術(shù)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

隧道通風(fēng)一直是隧道施工過(guò)程中面臨的主要難題之一，尤其通風(fēng)距離長(zhǎng)、風(fēng)筒折點(diǎn)多的情況下，通風(fēng)效果會(huì)受到影響。

①通風(fēng)距離長(zhǎng)、折點(diǎn)多的隧道可采用風(fēng)機(jī)接力方式進(jìn)行通風(fēng)，基本可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，但通風(fēng)效果一般；

②隧道通風(fēng)應(yīng)根據(jù)施工組織的調(diào)整動(dòng)態(tài)調(diào)整通風(fēng)方案，尤其應(yīng)充分利用隧道的“煙囪效應(yīng)”；

③在環(huán)境敏感區(qū)域，可采用活性炭對(duì)油煙進(jìn)行吸附，減少對(duì)空氣的污染。