特长公路隧道施工通风设计

陈 志

1 工程概况

某高速公路隧道为双向四车道分离式隧道，左右净距17 m～55 m，左线全长4 918 m，右线全长4 970 m，属特长公路隧道。隧道单口掘进长，工期紧，洞内爆破、机械作业频繁，通风排烟压力大，本文以进口端为例，作专门的施工通风设计和组织，选择经济的通风设备和合理的通风方案，以取得满意的通风效果，保证施工进度，降低工程成本。

2 通风方式的选取

结合类似隧道的施工经验，根据本隧道的特点和实际情况，确定随着施工进展，分两阶段采用不同的通风方式:第一阶段为第一道车行横洞贯通前，采用左右洞独立的管道压入式通风，即在洞口安装轴流风机，通过风筒向工作面压入新鲜风流，污浊风流沿洞身排出;第二阶段为车行横洞贯通后，轴流风机移入洞内，将左洞作为进风巷，右洞作为回风巷，并辅以射流风机，变管道通风为管道加巷道通风。

3 通风设计

3.1 通风设计参数

确定两阶段主要通风参数如表1所示。

表1 两阶段主要通风参数

3.2 管道压入式通风计算

3.2.1 按同一时间爆破的最大炸药量计算风量

爆破产生的烟尘主要集中在掌子面附近的一定范围内，在烟尘排出过程和风量计算方法的研究方面，有多种不同的观点，提出的计算方法各不相同。较具代表性且贴近实际情况的为吴中立公式，认为烟尘的排出既有主风流的运移作用，又有风流紊流扩散的作用，是两者综合过程。独头巷道的压入式通风包括两个区段，一个为工作面区，即炮烟抛出带;一个为通风区段，即洞内炮烟抛出带以外的区段。工作面的烟尘排出过程为风流紊流扩散过程，通风区的烟尘排出过程为紊流变形过程，并假定炮烟抛出带长度大于风筒末端距工作面的长度，吴中立公式如下:

其中，t为爆破后通风排烟时间，min;S为隧道断面面积，m2;L为通风区段长度，m;A为同时爆破最大用药量，kg;lt为风筒末端距工作面的长度，m;lg为炮烟抛出带长度，m。

取 t=40，S=102，L=800，A=230，lt=40，lg=70，得出Q=2 204 m3/min。

3.2.2 按洞内柴油机排放的废气污染计算风量

由于我国目前尚缺乏隧道内使用柴油机的成熟经验和数据，基本上均采用按柴油机功率计算风量，其计算公式为:

其中，q为柴油机所要求的供风量，m3/(min◦kW);Wi为计算的柴油机功率，kW;Ki为柴油机利用系数。

《隧规》规定 q=3，是针对有净化装置的柴油机来讲的，对于废气排放量超标的柴油机需增大q值，一般取4.0。

计算得出 Q=1 697 m3/min。

3.2.3 按洞内同时工作的最多人数需要的新鲜空气计算风量

3.2.4 按洞内最小风速计算

其中，V为洞内最小风速，取0.25 m/s;S为隧道断面面积，取102 m2。

3.2.5 风机设计风量

取按洞内同一时间爆破使用的最大炸药量计算所需风量和按洞内柴油机排放的废气污染计算所需风量的较大值，所需的总风量 Qz=2 204 m3/min=36.7 m3/s。考虑风管百米漏风率为1%，漏风系数为1/(1-8/100)=1.09，风机设计风量 Qf=1.09×2 204=2 402 m3/min=40 m3/s。

3.2.6 风机设计风压

取管道达西系数λ=0.01，空气密度 ρ=1.2 kg/m3，摩阻系数 α=λ ρ/8=0.01 ×1.2/8=0.001 5 kg/m3。

按配用软管直径d=1.6 m，总长L=800 m计算，风阻系数Rf=6.5α L/d5=6.5×0.001 5×800/1.65=0.74 N◦s2/m8。

管道压力损失:Hs=RfQfQz=0.74×36.7×40=1 086 Pa，风机设计全压 Hf=1 100 Pa。

3.3 管道加巷道通风计算

3.3.1 工作面所需风量

根据前面管道压入式通风计算结果可得知，可直接以按洞内同一时间爆破使用的最大炸药量计算风量。

取 t=40，S=90，L=1 000，A=210，lt=40，lg=70，代入吴中立公式，得出 Qz=2 430 m3/min=40.5 m3/s。

3.3.2 风机设计风量

考虑风管百米漏风率为1%，漏风系数为1/(1-10/100)=1.11，风机设计风量 Qf=1.11×2 430=2 697 m3/min=45 m3/s。

3.3.3 风机设计风压

按配用软管直径d=1.6 m，总长 L=1 000 m计算，风阻系数 Rf=6.5α L/d5=6.5×0.001 5×1 000/1.65=0.93 N◦s2/m8。

管道压力损失:Hs=RfQfQz=0.93×40.5×45=1 695 Pa，风机设计全压 Hf=1 700 Pa。

3.4 通风设备选择

根据两阶段两种通风方式极限状态下计算所需风机的主要通风参数选择风机。

根据以往经验和各种型号风机参数对比，选用SDF(C)-N013型多级调速对旋轴流风机，以满足最大通风距离时的通风要求，同时又可避免在较短距离通风时的浪费。

4 施工通风布置

第一阶段:左右洞之间车行横洞未贯通前，将两台轴流风机分别置于左右洞洞口，采用压入式通风。

第二阶段:车行横洞贯通后，两个洞口的轴流风机移至左洞洞内横洞后20 m左右处，一台往左洞掌子面通风，一台通过横洞，往右洞掌子面通风，并增设两台射流风机，一台置于左洞横洞口，将左洞污浊空气通过横洞排往右洞，一台置于右洞横洞后10 m左右处，将横洞排来的污浊空气和右洞本身的污浊空气排往右洞洞口。当洞身掘进向前延伸，下一道横洞贯通后，将风机继续前移，将后面的横洞封堵，并在右洞每间隔400 m左右设置一台射流风机助推，保证污浊空气顺利排出。由于往右洞通风的风管经过两次大角度的拐弯，且拐弯接近风机口，该段需采用薄钢板加工的硬风管，且将拐弯作圆滑处理。第二阶段不同掘进长度通风布置见图1，图2。

5 结语

隧道施工通风设计、设备的选择很重要，但具体的实施效果如何，通风的管理非常关键。必须成立管线专业工班，专门负责通风设备的日常使用、管理、检查、维护、养护等工作，将通风管理标准化、制度化、规范化，保持设备的良好工作状态，减小风阻和漏风;当车行横洞贯通采用管道加巷道通风方式后，左右洞通风成为一个整体的系统，要把通风纳入统一管理，确保通风效果;在不同通风距离、不同工况下，必须尝试多种组合方式控制各台风机运行状态并检测通风的风量、风速、风压和通风效果，并不断调整，以达到节能、高效的目的。

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