楊繼才

摘要 高速路網(wǎng)建設(shè)中，長(zhǎng)大隧道項(xiàng)目較多，隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)是長(zhǎng)大隧道建設(shè)難題之一。文章以某隧道項(xiàng)目為例，分析了長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用案例，并從隧道通風(fēng)需求量、供風(fēng)方式、風(fēng)機(jī)規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面入手，研究了隧道掌子面施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)，以明確隧道通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為相似長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了思路。

關(guān)鍵詞 長(zhǎng)達(dá)隧道；通風(fēng)設(shè)計(jì)；施工；通風(fēng)技術(shù)

中圖分類號(hào) U453.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0146-03

0 引言

公路鐵路建設(shè)中，特長(zhǎng)隧道能夠克服地形障礙、縮短空間距離、改善陸路交通工程運(yùn)行質(zhì)量，但同樣給隧道施工帶來(lái)諸多技術(shù)問(wèn)題。保證特長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)效果，確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量是長(zhǎng)大隧道施工難題之一。因此，需加強(qiáng)隧道施工通風(fēng)方案研究，掌握智能通風(fēng)、多掌子面施工通風(fēng)技術(shù)要點(diǎn)，滿足隧道安全、快速施工要求，促進(jìn)交通行業(yè)健康發(fā)展。

1 項(xiàng)目概況

新建G7611線西昌至香格里拉高速鹽源隧道項(xiàng)目，隧道全長(zhǎng)14.3 km，為西香高速全線控制性工程。鹽源隧道全線主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，Ⅲ級(jí)圍巖占比9%，Ⅳ級(jí)圍巖占比53%，Ⅴ級(jí)圍巖占比38%，最大埋深1 097 m。隧道項(xiàng)目TBM施工貫通平導(dǎo)以輔助主洞鉆爆法施工，需要多掌子面同步施工。為保障隧道通風(fēng)需求，需在多掌子面同步作業(yè)基礎(chǔ)上，根據(jù)各掌子面排出的廢煙廢氣，實(shí)施多掌子面同步施工通風(fēng)技術(shù)、智能通風(fēng)技術(shù)。

2 隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范（Q/CR 9004—2018）》《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程（TB 10304

—2020）》等文件，隧道施工面環(huán)境應(yīng)符合以下要求：

（1）氧氣含量：按體積計(jì)算不得小于20%。

（2）粉塵濃度：濃度大于10%的二氧化硅粉塵小于2 mg/m3，濃度小于10%的二氧化硅粉塵小于4 mg/m3。

（3）二氧化碳等有毒有害氣體按體積不得超過(guò)0.5%，氮氧化合物小于5 mg/m3。

（4）作業(yè)面溫度小于28 ℃，噪聲小于90 dB。

（5）為各項(xiàng)施工作業(yè)提供所需最小風(fēng)量，新鮮空氣供應(yīng)量為每分鐘3 m3/人。

（6）全斷面開挖時(shí)，隧道施工通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)大于0.15 m/s。

3 長(zhǎng)大隧道通風(fēng)施工方案設(shè)計(jì)

3.1 多掌子面施工通風(fēng)技術(shù)

（1）基于多掌子面同步施工條件，隧道項(xiàng)目通風(fēng)需求量、供風(fēng)方式、風(fēng)機(jī)規(guī)劃設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，需考慮掌子面?zhèn)€數(shù)、隧道平導(dǎo)及主洞關(guān)系、橫通道布置位置。分析各掌子面排出廢煙廢氣的差異性，按照各時(shí)間段、各工藝產(chǎn)生的廢煙廢氣類別，安裝風(fēng)速儀、空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控洞內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量[1]。

（2）分析、計(jì)算各掌子面風(fēng)量與總體需風(fēng)量，確定風(fēng)機(jī)選型及風(fēng)管材料。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016），風(fēng)量計(jì)算可按作業(yè)人數(shù)、不同開挖工藝下巷道內(nèi)最低允許風(fēng)速、隧道內(nèi)燃設(shè)備作業(yè)廢氣稀釋需風(fēng)量計(jì)算。對(duì)于管道式通風(fēng)工藝，其風(fēng)量計(jì)算需結(jié)合具體通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行。比如，壓入式通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算公式為：

（1）

式中，t——排煙時(shí)間（min）；G——一次爆破炸藥用量（kg）；A——隧道掌子面斷面面積（m2）；L——通風(fēng)區(qū)域長(zhǎng)度（m），小于通風(fēng)極限長(zhǎng)度。通風(fēng)極限長(zhǎng)度是在供應(yīng)的新鮮風(fēng)量完全利用后，隧道作業(yè)面允許濃度極限值的運(yùn)行長(zhǎng)度[2]。

（3）結(jié)合室內(nèi)數(shù)值、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從壓入式通風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄锏朗酵L(fēng)模式。該項(xiàng)目通風(fēng)風(fēng)量大、通風(fēng)距離長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)管質(zhì)量要求高，需考慮通風(fēng)設(shè)備在長(zhǎng)距離、高負(fù)荷狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，且不同地段采用不同強(qiáng)度的風(fēng)管。布置風(fēng)管時(shí)還應(yīng)提前測(cè)試風(fēng)管風(fēng)壓承受能力，準(zhǔn)確控制高強(qiáng)度風(fēng)管最短布置距離。項(xiàng)目第一階段采用壓入式通風(fēng)方式，由洞口直接壓入通風(fēng)；第二階段采用巷道式通風(fēng)，將左洞作為送風(fēng)道，將平導(dǎo)及右洞作為排風(fēng)道，由常規(guī)的雙通道巷道式通風(fēng)變?yōu)槿ǖ老锏朗酵L(fēng)。根據(jù)施工組織中橫通道位置的選擇，巷道式通風(fēng)風(fēng)門可設(shè)置在距洞口2.3 km位置，也可選擇距洞口3.4 km位置，通過(guò)室內(nèi)流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)量、風(fēng)壓及能耗測(cè)定，確定巷道式通風(fēng)的合理位置。

3.2 智能通風(fēng)技術(shù)

施工過(guò)程中，3#、4#、5#、6#掌子面通過(guò)一根風(fēng)管進(jìn)行供風(fēng)，在交叉口位置形成三條通道，三條通道的角度將對(duì)通風(fēng)風(fēng)壓產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致一根風(fēng)管風(fēng)量極大，另一根風(fēng)管無(wú)風(fēng)。同時(shí)，三通風(fēng)管的角度設(shè)置需與橫通道的布置進(jìn)行綜合考慮，以滿足通車、行車的要求，三通風(fēng)管設(shè)置角度如圖1所示。

圖1 三通風(fēng)管設(shè)置角度示意圖

三通位置，由主風(fēng)管引出兩根風(fēng)管分別供應(yīng)兩個(gè)主洞掌子面的施工需要，兩個(gè)掌子面處于常從不同的施工工序階段，且兩個(gè)掌子面進(jìn)尺不一致，風(fēng)壓及需風(fēng)量存在差異。需在兩個(gè)掌子面位置分別安設(shè)風(fēng)量、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌子面通風(fēng)情況，并利用三通位置設(shè)置風(fēng)門，以實(shí)現(xiàn)不同掌子面風(fēng)量的實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 長(zhǎng)大隧道通風(fēng)施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 通風(fēng)設(shè)備設(shè)施

施工期間由橫通道增開的4個(gè)掌子面通過(guò)平導(dǎo)進(jìn)行供風(fēng)，平導(dǎo)洞內(nèi)共布置3根風(fēng)管，如圖2所示。右側(cè)直徑1.8 m風(fēng)管（1#）供應(yīng)離洞口較近的橫通道增開的2個(gè)掌子面通風(fēng)，直徑2.0 m風(fēng)管（2#）供應(yīng)離洞口較遠(yuǎn)的橫通道增開的2個(gè)掌子面通風(fēng)，左側(cè)直徑1.8 m風(fēng)管（3#）供應(yīng)平導(dǎo)TBM掘進(jìn)掌子面通風(fēng)。

4.2 多掌子面同步施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中隧道平導(dǎo)在左洞左側(cè)，因此主洞6個(gè)掌子面同時(shí)施工時(shí)，始終有2個(gè)掌子面可由洞外直接壓入新風(fēng)，或采用巷道式通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)，具體的送風(fēng)方案如表1所示。

（1）施工過(guò)程中，通風(fēng)最不利情況為平導(dǎo)掘進(jìn)進(jìn)尺6 km，洞口兩個(gè)掌子面，1#橫通道、2#橫通道增開的4個(gè)掌子面，平導(dǎo)TBM掌子面同時(shí)施工。此階段通風(fēng)風(fēng)機(jī)為5個(gè)，1#、2#風(fēng)機(jī)供應(yīng)與洞口相連的2個(gè)掌子面供風(fēng)，3#風(fēng)機(jī)供應(yīng)1#橫通道增開的2個(gè)掌子面供風(fēng)，4#風(fēng)機(jī)供應(yīng)2#橫通道增開的2個(gè)掌子面供風(fēng)，5#風(fēng)機(jī)供應(yīng)TBM掌子面供風(fēng)。

（2）1#、2#掌子面總供風(fēng)量為6 632 m3/min，平導(dǎo)直徑1.6 m風(fēng)管總供風(fēng)量為4 446 m3/min，平導(dǎo)直徑2.5 m風(fēng)管總供風(fēng)量為15 388 m3/min。1#、2#掌子面由洞口供風(fēng)，實(shí)際情況2.2 km已采用巷道式通風(fēng)，需采用壓入式通風(fēng)、最不利情況考慮供風(fēng)量。

（3）根據(jù)總供風(fēng)量及通風(fēng)阻力，選擇風(fēng)機(jī)，滿足風(fēng)壓需要的風(fēng)機(jī)型號(hào)所用風(fēng)機(jī)、風(fēng)管通風(fēng)阻力計(jì)算表如表2所示。

經(jīng)計(jì)算，1#、2#掌子面選擇4臺(tái)AVH110風(fēng)機(jī)，平導(dǎo)直徑1.6 m風(fēng)管選擇3臺(tái)AVH110風(fēng)機(jī)。平導(dǎo)直徑2.5 m

風(fēng)管選擇6臺(tái)AVH125風(fēng)機(jī)，考慮向主洞分風(fēng)過(guò)程中風(fēng)阻較大、風(fēng)力損失較多，適當(dāng)提高配置，選擇10臺(tái)AVH125風(fēng)機(jī)。

4.3 隧道施工智能通風(fēng)設(shè)計(jì)

4.3.1 隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)

應(yīng)用智能化技術(shù)控制風(fēng)機(jī)、其他通風(fēng)設(shè)備，建設(shè)隧道施工通風(fēng)智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

（1）運(yùn)用傳感器設(shè)備感知隧道作業(yè)面施工環(huán)境，監(jiān)測(cè)溫度、濕度、粉塵濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）采集現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)、施工數(shù)據(jù)，由PLC控制箱處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。PLC控制箱教育監(jiān)測(cè)、輸入、輸出功能，可接收作業(yè)面數(shù)據(jù)，顯示環(huán)境參數(shù)，計(jì)算作業(yè)面風(fēng)量，數(shù)據(jù)處理后執(zhí)行風(fēng)機(jī)控制命令[3]。

（3）利用手機(jī)、電腦等移動(dòng)終端登錄微信小程序，監(jiān)測(cè)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，人為調(diào)整通風(fēng)參數(shù)后由PLC控制箱執(zhí)行命令，智能控制風(fēng)機(jī)。

4.3.2 風(fēng)機(jī)安裝管理

（1）洞外風(fēng)機(jī)。為保證送風(fēng)量、送風(fēng)質(zhì)量，風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在隧道洞外30 m處。風(fēng)機(jī)底部應(yīng)澆筑0.5 m高機(jī)座以固定風(fēng)機(jī)，澆筑后由螺栓固定。為避免風(fēng)機(jī)受潮、故障、引發(fā)觸電風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)機(jī)配電柜、所有機(jī)電設(shè)備上均需采用護(hù)欄、雨棚等安全保護(hù)措施。

（2）風(fēng)管懸掛。連接風(fēng)機(jī)、風(fēng)管時(shí)，使用金屬卡固定。風(fēng)管可懸掛于隧道拱腰處，風(fēng)管掛設(shè)應(yīng)堅(jiān)持平整、垂直原則，避免風(fēng)管阻力過(guò)大[4]。正式作業(yè)時(shí)，每隔5 m打眼，設(shè)置錨桿、鋼筋，固定、懸吊風(fēng)管。風(fēng)管高度應(yīng)保持一致，洞內(nèi)進(jìn)風(fēng)管、掌子面間距應(yīng)控制在20 m以內(nèi)，需二次襯砌隧道時(shí)，應(yīng)提前預(yù)留風(fēng)管位置。

（3）風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算。風(fēng)壓是克服風(fēng)阻的核心，風(fēng)壓計(jì)算應(yīng)考慮風(fēng)管局部阻力、隧道內(nèi)風(fēng)管沿路摩擦阻力、風(fēng)管機(jī)風(fēng)道內(nèi)摩擦阻力、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓大于通風(fēng)管道風(fēng)壓時(shí)的通風(fēng)阻力。為順利送風(fēng)，風(fēng)管出口處應(yīng)保持額定風(fēng)速，調(diào)整風(fēng)壓，使風(fēng)壓大小克服沿路阻力。通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算公式：

P風(fēng)機(jī)=P沿路阻力+P局部阻力+p動(dòng)壓 （2）

動(dòng)壓計(jì)算公式：

P動(dòng)=V2 （3）

式中，ρ——空氣密度（m3）；v——通風(fēng)管路末端風(fēng)速（m/s）。摩擦阻力是指風(fēng)流、通風(fēng)管道摩擦后對(duì)空氣產(chǎn)生擾動(dòng)后出現(xiàn)的能力消耗，包括沿路阻力、局部阻力兩種。

4.3.3 通風(fēng)降阻

隧道施工通風(fēng)中風(fēng)管材料、管口銜接情況會(huì)影響智能通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)阻力。風(fēng)管直徑大小、送風(fēng)管路彎曲值同樣會(huì)造成風(fēng)阻變化。因此，可采用大直徑通風(fēng)管道，將通風(fēng)管道直徑控制在1.2～1.3 m左右。選用風(fēng)管時(shí)，提前考慮風(fēng)管材質(zhì)，確保風(fēng)管表面光潔程度。掌子面同步施工期間，加強(qiáng)風(fēng)管維護(hù)，通過(guò)風(fēng)管檢查、接長(zhǎng)、補(bǔ)漏，使風(fēng)管保持穩(wěn)定，處于最佳狀態(tài)，以預(yù)防漏風(fēng)、通風(fēng)阻力較大等風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4.3.4 通風(fēng)方式

隧道項(xiàng)目分階段采用巷道式通風(fēng)、壓入式通風(fēng)，準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓后分別在左、右線洞口設(shè)置通風(fēng)機(jī)。第一階段多條供風(fēng)壓入式風(fēng)管經(jīng)主洞將新鮮空氣送入多個(gè)掌子面，風(fēng)門位置分別距洞口2.3 km、3.4 km。壓入風(fēng)管出風(fēng)口距工作面20 m，污濁空氣通過(guò)平行導(dǎo)洞排放管外排。第二階段在1#豎井設(shè)置平行通風(fēng)管道，直接連通掌子面，大范圍輸送新鮮空氣。隧道各個(gè)掌子面貫通后，為保證掌子面空氣清新，可在洞口交叉口處增加風(fēng)機(jī)數(shù)量，及時(shí)排出積聚的污濁空氣。多掌子面生產(chǎn)條件下，由于單通道不同掌子面會(huì)存在同時(shí)爆破情況，可通過(guò)調(diào)整每個(gè)掌子面污風(fēng)排除方向提升風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力，滿足多掌子面施工需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為維護(hù)長(zhǎng)大隧道施工安全，解決隧道施工通風(fēng)難題。該文依托于新建G7611線西昌至香格里拉高速鹽源隧道，分析了該隧道項(xiàng)目施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，總結(jié)了隧道施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)。該項(xiàng)目采用的多掌子面施工通風(fēng)技術(shù)、智能通風(fēng)技術(shù)有效地改善隧道施工區(qū)域的空氣環(huán)境，使隧道項(xiàng)目能夠快速完工。同時(shí)，針對(duì)不同掌子面根據(jù)風(fēng)機(jī)抽排效果采取一定除塵、降塵措施，起到節(jié)約用電作用，為國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧道通風(fēng)降塵問(wèn)題提供了新技術(shù)儲(chǔ)備。

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