内容提要：随着科技的进步和施工技术的成熟，西部开发战略的实施，越来越多的路网将被规划，其中不乏长大隧道，尤其是在山区，如何保证隧道掌子面空气质量是长大隧道施工的关键。本文通过某铁路隧道长距离独头掘进通风施工控制，阐述了通风施工技术，为类似工程的施工提供了经验。
关键词：长大隧道 独头掘进 通风
1.工程概况
新建某铁路隧道全长3777.27m，为设计时速350km单洞双线隧道。整条隧道纵坡为“人”字坡，其中进口端2701m为4‰上坡，出口端1076.27m为3‰下坡。距离进口1451m设置斜井一座，位于线路左侧。洞身主要通过粉质黏土、泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质砂岩及泥质等软硬岩互层。全隧Ⅳ、Ⅴ级共计3352m，占比88.7%，施工难度较大。
该隧道最大埋身约175m，穿越8条断层破碎带，断层主要为压性或压扭性断层。隧址区地表水发育，主要受大气降水补给；地下水主要为基岩裂隙水，主要赋存与基岩的风化裂隙和构造破碎带中，地下水发育。
隧道内轨顶面以上有效净空面积为100m2；Ⅲ～Ⅴ级围岩采用仰拱衬砌断面形式；开挖断面积根据围岩级别和支护强弱的不同而不同，分别为：Ⅲ级139.31m2、Ⅳ级147.03m2、Ⅴ级152.4m2。
2.施工组织安排
该隧道计划工期24个月，分为隧道进口、出口、斜井3个施工单元同时组织施工。根据总工期、各段落围岩级别和施工进度指标情况（详见表1），各单元负责的施工任务为：进口端负责1121m，斜井负责1200m，出口端负责1456.27m。
表1 主线正洞隧道施工进度指标（m/月）
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3.通风技术标准
（1）空气中氧气含量，按体积计不得小于20%。
（2）每立方米空气中粉尘容许浓度：含有10%以上游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg；含有10%以下游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg。
（3）空气中常见有害气体浓度应符合下列要求：
①一氧化碳容许浓度不得大于30mg/m3，在特殊情况下，施工人员必须进入开挖工作面时，浓度可为100mg/m3，但工作时间不得大于30min；
②二氧化碳按体积计不得大于0.5%；
③氮氧化物换算成二氧化氮浓度应再5mg/m3以下。
④硫化氢浓度不得大于10mg/m3。
4.通风方案
综合分析该隧道的通风条件，出口端独头掘进1456m，距离较长，通风难度较大，以此为例，进行通风方案的专项设计。通风方案拟采用独头压入式、附以射流风机外排的方式通风。
4.1通风的原则
（1）隧道施工通风应能提供洞内各项作业所需的最小风量，每人应供应新鲜空气3m3/min，采用内燃机械作业时，供风量不应小于3m3/（min·kW）。
（2）通风设备的选择应根据隧道环境条件、人员及设备需求、职业健康要求、独头掘进长度、装渣运输方式、断面大小和通风方式等因素计算确定。
（3）施工通风设计应进行风量计算。风量应分别按排除炮眼、洞内最大工作人数、最低风速要求、瓦斯涌出量、稀释和排除内燃机械废弃等因素计算，取最大值。
4.2通风计算和风机选择
4.2.1 通风量计算
（1）按洞内工作人员进行计算（高峰洞内一次最多工作人员为110人，每人按照3m3/min）
Q=110×3=330m3/min
（2）按允许平均风速（一般正洞取0.25m/s）
正洞断面积按155m2计算，则Q=0.25×60×150=2250m3/min
（3）按排除炮烟（有害物质按100PPm控制）
取一次爆破炸药用量（取正洞最大量计算单耗为0.8Kg/m3，一个循环长度为3.5m）G=0.8×155×3.5=434Kg，炮烟抛掷长度为：
L0=15+G/5=15+434/5=101.8m
通风时间为20min（通风时间可根据实际情况选取，可以取15分钟、20分钟、30分钟等）；
Q=7.8/t × ³√[G（AL）2]=7.8/20׳√[434×（155×101.8）2]=1857.57m3/min；
（4）按稀释内燃设备废气计算（额定功率系数法计算，CO按50PPm控制）
取一个工作面出渣时最大运距为1500m，即250KW，自卸车4台；按3 m3/min·KW计算。
运输车稀释风量Q=250×3×3=2250m3/min
（5）通风机风量选取
按隧道允许最低平均风速150*0.25*60=2250m3/min和排除炮烟所需工作面风量3000m3/min，取工作面风量3000m3/min。
根据上述计算最长距离需要通风量见表2。
表2 各施工掌子面最大需风量
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4.2.2 风机选型
（1）通风机风量
取风管平均百米漏风率为1.0%，则正洞1500m的通风系数为：
Pl=（1－P100）L/100-1=（1-1%）1500/100-1=86.9%
于是，风机通风量为：Q机=3000/86.9%=3452m3/min。
（2）通风机风压计算
管道风阻系数：Rf=6.5αL/D5
α为摩阻系数，一般取0.0019～0.0024，上式中取0.0020；L为风管长度；D为风管的直径。
管道沿程风压损失：hf=RfQj2/PL
局部风压损失：局部风压损失可按增加10%～15%估算：
风机全压：ht=1.1×hf
于是，得Rf=6.5×0.002×1800÷1.85=1.238
hf=1.238×（3452/60）2÷1.16=3532Pa
ht=1.1×hf=1.1×3532=3885Pa
（3）风机选型
根据所需最大通风量和风压计算选择的风机型号为152BD-2SE132型对旋式隧道风机，风机，功率为2×132KW，最大通风压力为6500pa，最大风量为2500m3/min。
4.3风机布置方案
在洞口设置轴流式风机，距离隧道洞口大于50m。在隧道掘进过程中，随着长度的增加，附以射流式风机配合进行整体通风，见图1。根据隧道的进尺，整体通风分为4个阶段。
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图1隧道通风风机布置示意图
第一阶段：掌子面距离洞口0～150m，隧道采用自然通风，受现场施工条件的影响，现阶段不需要设置风机，采用自然通风即可满足要求。
第二阶段：掌子面距离洞口150～500m，隧道采用机械式通风，在洞口设置轴流风机压入式通风，详见图2。
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图2距洞口150～500m通风风机布置图
第三阶段：掌子面距离洞口500～1000m，隧道采用机械式通风，在洞口设置轴流风机压入式通风，同时在距离洞口400m处增设一个射流式风机辅助通风，详见图3。
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图3 距离洞口500～1000m通风风机布置图
第四阶段：掌子面距离洞口1000～1500m，隧道采用机械式通风，在洞口设置轴流风机压入式通风，同时在距离洞口400m处增设第一个射流式风机辅助通风，以后每隔250m增设一个射流风机，最终共计增设4个射流风机，详见图4。
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图4 距离洞口1000～1500m通风风机布置图
4.4通风效果验证
该隧道在施工过程中，安排专人分不同工序、不同作业面对隧道内的空气质量进行检测，每周定期检测一个循环，经统计数据发现，隧道内空气质量良好，各作业面粉尘浓度指标和空气中有害气体浓度指标均满足要求，现场具备工作条件。洞内空气质量实际效果见图5-8。
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图5 喷锚时掌子面施工处空气质量效果展示
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图6 仰拱及掌子面施工处空气质量效果展示
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图7 二衬施工处空气质量效果展示
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图8 水沟施工处空气质量效果展示
5.通风控制要点
（1）隧道通风控制中对风机的的选型与隧道总长的匹配尤为重要，功率太大造成浪费，功率太小洞内空气质量差，要根据前期的经验对计算结果进行适当调整，选出最合适的风机机型。
（2）通风风带破损时，要及时进行修补，减少压力损失过大。导致掌子面风量不足。
（3）要定期检测洞内各工序作业面的粉尘浓度和空气中有害气体浓度。
（4）实施变风量送风管理。机械作业的隧道施工全过程中，不同阶段所需供风量是不一样的，随隧道内燃机械设备数量的增加，排放废气的时间增多，即使同一作业循环中，各工序的所需风量也是不一样的，因此通风量是随工序和阶段变化的。
（5）施工现场安排专职风机操作人员，并定期对风机进行保养。
（6）隧道施工现场要采用综合降尘防尘措施配合通风保证洞内通风质量，如采用水压爆破技术、掌子面爆破后喷淋技术等。
6.结束语
隧道通风是隧道施工中关键控制技术，不仅保证了通行可见度，更是极大的保障了作业人员的身体健康，这是一笔无形的财富。该隧道严格的落实了通风降尘防尘施工方案，通过洞内良好的施工条件，目前该隧道已安全顺利贯通，充分验证了该方案的可行性。良好的隧道通风为隧道的按期交工打下了坚实的基础，为隧道作业人员的生命安全提供了切实的保障，同时，也为后续越来越多的长大隧道施工提供了经验借鉴。
参考文献：
[1]梁达宁.浅议技术管理在施工项目管理中的作用[J].广东水利水电，2000.
[2]邵月顺，王秀玲，刘学东，王艳娥.如何发挥施工技术管理在工程项目管理中的作用[J].水利水电工程设计，2005.
论文作者:黄士军1,廉永胜2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/6
标签：隧道论文; 风机论文; 风量论文; 洞口论文; 作业论文; 空气质量论文; 浓度论文; 《基层建设》2019年第27期论文;