三车道高速公路隧道单斜井双正洞施工通风技术

【摘要】特长隧道施工通风是隧道施工中关键技术，特别是单斜井双正洞模式，更是值得工程技术研究的课题。本文通过杨林隧道施工实例，对斜井施工通风设计、方案选择、设备选型等进行了详细探讨，制定出隧道斜井转正洞后施工通风技术方案，并对隧道施工通风系统的维护、管理等环节进行了论述，为今后类似隧道施工提供借鉴。

【关键词】三车道高速公路隧道；斜井；双正洞；通风技术

1、工程概况

国家高速公路网昆明绕城高速公路东南段杨林隧道起讫里程：ZK13+400-ZK22+880，全长9480m。ZK17+353处设置斜井一座，斜井长1090m，与正洞交角60o。斜井坡度为-11.615%。

隧道为分离式双线双向六车道设计。隧道设人行横洞8道，车行横洞8道，车行横洞间距800m左右。

斜井施工范围为ZK15+540～ZK19+740。隧道采用钻爆法施工，无轨运输。

2、隧道作业环境的通风技术要求及标准

根据现行《公路隧道施工技术规范》（JTG-F60—2009）的要求，隧道内施工作业环境必须符合下列卫生及安全标准：

2.1隧道内空气中氧气含量按体积不小于20%。

2.2有害气体浓度允许值：一氧化碳最高允许浓度为30mg/m3。二氧化炭（CO2）的含量不得大于0.5%。氮氧化合物（换算成NO2）质量浓度不得超过5mg/m3。

2.3允许粉尘浓度：空气含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg/m3；含游离二氧化硅在10%以下时，不含有害物质的矿性和动植物性的粉尘为4mg/m3。

2.4洞内风量要求：每人每分钟供应新鲜空气不应少于3m3，柴油设备kW/min需要新鲜空气不小于3m3。

2.5隧道内气温不高于28℃。

2.6隧道内最低排尘风速全断面开挖时不小于0.15m/s，导洞内不小于0.25m/s。

3、通风设计

根据杨林隧道斜井及正洞施工范围，设计隧道斜井及部分正洞施工采用压入式通风，待形成巷道通风条件后，采用巷道式通风，射流风机导流。 根据杨林隧道斜井施工范围，把斜井口通风划分为四个通风阶段。

第一阶段：只有斜井施工范围，在杨林隧道斜井洞口处布置1台轴流风机，采用压入式通风。

第二阶段：斜井贯通后，进入正洞大里程6#车行横洞施工贯通前，左右洞单独施工，各有一个工作面。正对斜井口的位置开凿临时辅助坑道，直径大小可以通过风管为宜。

第三阶段：6#车行横洞贯通后，形成巷道通风条件。斜井口风机供风管穿过临时辅助坑道，在右洞内大小里程各安装2台轴流风机。各有1台风机风管经车行横洞向左线供风。在隧道正洞及斜井内安装射流风机，用于风流导向。详见杨林隧道斜井通风第三阶段。

杨林隧道斜井通风第三阶段

第四阶段：竖井贯通后，通风自竖井供、排风。考虑小里程掘进任务已经完成，只剩余大里程两个掌子面施工，把第三阶段轴流风机安装在1#竖井口位置。2#竖井安装倾斜45o射流风机及正洞内安装射流风机，仍然是巷道通风方式排风。

4、通风计算

4.1计算说明

根据《公路隧道通风照明设计规范》，风量计算主要从四个方面予以考虑，即按洞内最多工作人员数所需的新鲜空气，计算出所需风量Q1；按在规定时间内，稀释一次性爆破使用最多炸药量所产生的有害气体到允许的浓度，计算出所需风量Q2；根据不同的施工方法，按坑道内规定的最小风速，计算出所需风量Q3；当隧道内采用内燃机械施工时，还须按内燃设备的总功率（kW），计算出所需风量Q4；通过上述计算，取Qmax=Max（Q1，Q2，Q3，Q4），再考虑风管的损失率（百米漏风率β），即确定洞内所需的总供风量Q机，从而确定风机的功率和风管的直径。

4.2计算参数的确定：

一次开挖断面：A=130m2 （全断面）

隧道正洞净断面98.9m2，斜井净断面49.82m2。

一次爆破耗药量：G=300kg（一次开挖长度2.5m～3m）

通风距离：L=2300m（压入式轴流风机最长通风距离L=1000m）

洞内最多作业人数：m=80人

爆破后通风排烟时间：t≤30min

通风管直径：φ=1500mm

管道百米漏风率：β=1.5%

4.3巷道式通风计算

根据通风设计，可以看出第三阶段巷道式为通风最不利条件，故采用第三阶段计算。

4.3.1巷道末端压入式风量计算

4.3.1.1风量计算：

按洞内最多工作人员数所需的新鲜空气，计算：

Q1=4×k×m=3×1.25×80=300m3/min

式中 ：

3—隧规规定每人每分钟需供应新鲜空气标准为3m3/min。

k—风量备用系数，一般取1.15～1.25，按1.25取值。

m—同一时间洞内工作最多人数，按80人计。

4.3.1.2按全断面开挖，30分钟内稀释一次性爆破使用最多炸药量所产生的有害气体到允许的浓度，按照压入式通风的风量进行计算：

Q：工作面风量

t：洞内排烟时间（取30min）

G：同时爆破的炸药量（G=300kg）

A：巷道断面积（按出碴断面取130m2）

L：巷道长或临界长度，取100m。

=962m3/min

4.3.1.3按洞内允许最低风速计算：

Q3=60×V×S=60×0.15×130=1170 m3/min

式中：

V— 洞内允许最小风速，隧规规定全断面开挖时取值0.15m/s。

S—一次开挖的断面面积，按130m2。

60—min和s换算常数。

4.3.1.4按稀释内燃机废气计算风量：

考虑在洞内同时有1台挖掘机、1台装载机和2辆自卸车作业。根据机械功率参考表，计算总功率为813kW，取机械设备的平均利用率为70%，根据隧规1kW需供风量不小于3m3/min，计算得：

Q4=813×0.70×3=1707m3/min

机械功率参考表 表一

名 称型 号单 位功 率/（kW）所需风量（m3/min）备注

装载机柳工ZL50D台158474

装载机柳工ZL50台154462

装载机柳工CLG888台231693

装载机徐工ZL50G台162486

挖掘机PC220台235705

自卸车陕汽重卡254台210630

设备供风能力取Qmax=Max（Q1，Q2，Q3，Q4）=1707m3/min。

对于长大隧道，管道的漏风现象造成入口处与出口处的风量差别很大，按百米漏风率（取β=1.5%）计算洞口风机风量：

Q机= Qmax/（1-β）L/100=1707/（1-1.5%）1000/100= 1985m3/min

=119130m3/h

4.3.1.5风压计算

通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h>h阻，按下式计算：

h阻=∑h动+∑h沿+∑h局

其中： ① 管口动压h动一般可考虑为50pa。

② 沿程压力损失计算：

h沿=α×l×U×p×Qmax2×g/s3

=2880pa；

式中：

α-风管摩擦阻力系数，取α=3×10-4kg.s2/m3

l-风管长度，取1000m。

U—风管周边长，π·D=3.14×1.5=4.71 。

p-漏风系数，P=1/（1-β）L/100=1.4157，β=1.5%。

Qmax-计算掌子面所需风量，1707m3/min并折合成28.45m3/s。

g-重力加速度，取9.8m/s2。

S—风管截面积，π·D2/4=1.766m2；

D-风管直径1.5m。

③局部压力损失，按沿程压力损失的10%进行估算：

h局=h沿×10%=288pa

h阻=∑h动+∑h沿+∑h局=3218pa

根据计算通风量为119130m3/h，通风所需压力3218pa。

4.3.1.6风机选择

按照施工方案，通风方式采用压入式通风，根据以上通风机工作风量和工作风压的计算，我们选取陕西咸阳SDDY-Ⅲ型系列隧道专用通风机。该风机性能如下表所示：

通风机性能参数 表二

风机型号速度流量103 m3 /h全压kpa功率kW

12.5A高速105-1354.3～6110×2

中速70-901.950～2.6540×2

低速53-691.15～1.1620×2

从经济角度出发选择SDDY-Ⅲ型风机型号选为1台12.5A。则风机高速工作状态下全压为6000pa>h阻=3218pa，风量135000>11930 m3/h。

4.3.1.7巷道式通风计算：

1）、 巷道式通风量计算

设定运碴车辆功率为200kW，每千瓦配3m/min风量，大小里程运输车辆各有10台和1台挖掘机，根据小里程计算。

Q=P×N×W=3×11×200=6600m3/min

实际模板台车以后烟雾浓度以能见度控制，修正系数取0.7。

6600m3/min×0.7=4620（m3/min）

洞内风速；Vi正= 4620÷60÷97.9=0.79m/s

Vi斜=4620×2÷60÷49.82=3.1m/s

根据巷道式通风风量，同时考虑机械同时工作系数，从经济角度选择斜井口压入式轴流风机为2×160kW，具体布置如图。风管为1500mm。

2）、通风阻力及射流风机台数计算

① 通风阻力计算

式中：

ξ—局部阻力系数，每个直角取值0.99，入口损失系数取值0.6，合流取值0.91。

λi—隧道内沿程磨擦阻力系数。根据公路隧道通风照明规范

壁面粗糙度，取值0.8mm

Li—隧道的长度。

di—隧道内的水力直径。

Vi—隧道内所需满足的风速。

ρ—空气密度，取值1.2kg/m3。

正洞、斜井通风阻力表 表三

LDVλi阻力

正洞2×16009.70.79m/s0.09313.5N/m2

斜井11957.33.1m/s0.11109.6 N/m2

② 射流风机升力计算；

K—喷流系数0.85；

Vj—射流风机出口风速；25m/s

φ—面积比；φ=Fj/Fs=3.14×0.82/97.9=0.026

φ=Fj/Fs= 3.14×0.82/49.82=0.052

FJ—射流风机的出口面积。

FS—隧道横断面积；正洞净空面积97.9 斜井净空面积49.82。

ψ—速度比。

ψ正=VS/Vj=0.79/25=0.0316

ψ斜=VS/Vj=1.4/25=0.056

VS—洞内风速；隧道0.79m/s 斜井3.1m/s。

Pj正=ρ×Vj2×φ×（1-ψ）×K=16 N/m2

Pj斜=ρ×Vj2×φ×（1-ψ）×K=31.3 N/m2

③ 射流风机台数的计算

所需射流机台数 ： n=△Pc/△Pj

式中：

n一射流风机台数

△Pc一通风阻力

n正=△Pr/△Pj=13.5/16=1

n斜=△Pr/△Pj=109.6/31.3=4

5、施工通风布置方案

根据计算结果得出斜井口配置2台2×160轴流风机压入正洞，装2组37kW射流风机，纵向间距100m，正洞内大小里程各安装1组37kW射流风机，每组2台射流风机。根据射流风机工作特点，射流风机安装横向间距4米。巷道式通风，右线正洞内安装4台2×110kW轴流风机，向掌子面供风，为防止轴流风机产生负压，在轴流风机前各安装1组射流风机。

6、风管布置方案

斜井开挖施工时，将风管固定拱顶处，施工正洞时，风管安装在拱腰处。转角处采用硬质风管，加强固定。

7、通风防尘的辅助措施及注意事项

7.1、采取水幕降尘： 水幕降尘对改善洞内施工环境、减少粉尘污染十分重要。在距工作面40m距离内设置3道水幕，水幕降尘装置安在边墙上，爆破后打开水幕开关，降尘10min左右停止。

7.2、洞内洒水：在出碴后和出碴过程中用高压水冲洗岩壁及对碴堆分层洒水，减少装碴过程中扬起粉尘，运输道路保持湿润，防止车辆运输扬起尘土。

7.3、防漏降阻是实现长距离通风关键，严格控制风管采购质量，安装时保持风管成直线，防止弯折变形。施工中要特别注意风管防护，避免出碴机械摩擦损坏风管，更要注意衬砌台车对风管的影响，破损的风管及时修复。

7.4、成立专门的管线专业工班，专门负责通风设备和管道的日常使用、管理、检查、维护、养护等工作，保持设备的良好工作状态，保证风管平顺，完好无损，并使之标准化、制度化、规范化。

8、结束语

该隧道斜井施工通风实施效果良好，为今后类似隧道施工提供借鉴，值得推广应用。

参考文献

[1] 公路隧道通风照明设计规范. 北京：中华人民共和国交通部，1999：91

[2] 现代隧道施工通风技术. 人民交通出版社，2012：53.

[3] 路桥施工计算手册. 北京：人民交通出版社，2001