青藏铁路关角特长隧道通风设计与施工

黎爱清,刘世杰

(中铁十六局集团第五工程有限公司,河北唐山 063030)

1 工程概况

新建西格二线关角隧道位于青海省天峻县境内既有铁路天棚至察汗诺车站之间，属青藏高原亚寒带半干旱气候，年平均气温-5 ℃，极端最低气温-35.8 ℃，最大积雪厚度21 cm，最大冻结深度299 cm。其中关角隧道6号斜井海拔为3 766 m，气候恶劣，空气稀薄，大气中氧气含量平均为平原地区的60%～70%。

关角隧道为2座平行的单线隧道，设计时速160 km，线间距40 m。隧道全长32.645 km。6号斜井平距长2 808 m，坡度为10.3%。斜井洞口与正洞隧底高差为288.18 m。斜井进入正洞后，向进口方向(格尔木)施工1 435 m，向出口方向(西宁)施工1 812 m，6号斜井合计承担6 469 m的正洞开挖施工任务。施工中采用钻爆法和无轨运输。

2 隧道施工的难点

由于地处高原，关角隧道6号斜井的施工通风难点主要有以下几方面。

(1)隧道地处高原，海拔为3 766 m，高寒缺氧，大气氧气含量平均为平原地区的60%～70%，影响施工人员和设备的工作效率。

(2)斜井洞身过长，且断面面积小，隧道内施工环境差，存在较大的安全生产风险。

(3)斜井进入正洞后，分别在Ⅰ、Ⅱ线正洞向进、出口方向施工，共4个工作面，通风循环路线复杂。

(4)隧道埋深均在700 m以上，水量大，无法设置竖井，隧道内温度、湿度较高。

隧道内良好的施工环境是施工人员身体健康、安心工作的必要前提，是隧道施工安全的需要，也是充分发挥人员设备工作效率，保证施工进度的需要，因此以青藏铁路关角隧道6号斜井为例对高原铁路特长隧道通风方案进行了研究。

3 隧道通风设计原则

关角隧道6号斜井通风设计的总体思路为：由于受隧道内外温差的影响作用，斜井产生“烟囱”效应，将隧道内污浊的气体排出，另利用通风机将新鲜空气压入到工作面，形成空气对流。考虑到隧道斜井长，风阻大，沿途损耗大，如果采用通风带压入新鲜空气，会受通风带直径和斜井长度的影响，需增加通风机组才能使洞内空气达到施工条件。为保护环境，控制能源消耗，将斜井横断面分隔成上下两部分，上部为进风通道，下部为出风及交通通道，减小风阻，加快隧道内外的空气循环，以达到良好通风效果[1-5]。具体做法如下。

关角隧道6号斜井全长2 808 m，净断面(宽×高)6.6 m×7.3 m，面积48.18 m2，进入正洞后将分别在Ⅰ、Ⅱ线向进、出口方向施工，共4个工作面。利用中隔板将斜井横断面分隔为上、下两部分，上部为半径为3.3 m半圆形，作为进风通道，然后在斜井底部与正洞交汇处安装4台风机，与通风管形成压入式通风系统，分别向4个工作面供风。所有污浊空气经斜井下部(宽×高)6.6 m×4.0 m矩形通道排出洞外。

4 通风量计算

由于斜井内的通风量为4个正洞工作面的通风量之和，所以通风量计算只考虑单工作面。设计控制风量考虑以下4种情况，取其中最大值[6-12]。

4.1 按单工作面同时作业人数计算

Q1=qmk

式中q——洞内每人每分钟所需新鲜氧气标准，取3 m3/min；

m——掌子面同时工作的最多人数，取25人；

k——风量备用系数，取1.1～1.25。

4.2 按单工作面同一时间爆破使用最大炸药量计算风量

Q2=[7.8(A·S2·L2)1/3]/t

式中t——爆破后气体达到允许浓度的通风时间，min；

A——同时爆破耗药量，kg；

S——工作面断面积，m2；

L——巷道长度，m。

4.3 按内燃机作业废气稀释的需要计算

Q3=(∑Nj·Ki·α/60)·δ·η

式中N——同时使用内燃机功率，kW；

K——同时使用内燃机单位耗油量，kg/(kW·h)；

α——燃烧1 kg油料所需供应空气量，可按20.83 m3计算；

δ——稀释系数；

η——安全系数(1.5～2.5)。

4.4 按洞内允许最小风速计算

Q4=60vS

式中v——洞内允许最小风速；

S——巷道面积。

通过计算，Q1=85 m3/min，Q2=1 012 m3/min，Q3=1 800 m3/min，Q4=1 080 m3/min，于是Qmax=1 800 m3/min。正洞4个工作面同时施工时所需的总风量为7 200 m3/min，即为斜井内需要输送的设计控制风量。以上风量计算均已考虑高原大气氧气含量为平原地区的60%～70%的状况，进行了修正。

按漏风公式

Q需=PQ(m3/min)

式中Q需——洞内实际所需总风量；

P——漏风系数；

Q——设计控制风量。

计算得出Q需=7 920 m3/min。

5 通风阻力计算

5.1 斜井内风道风阻计算

斜井上部进风道断面积17.1 m2，半圆形周长16.96 m，当量直径4.03 m；斜井下部排风道因交通用车辆需占用面积，不考虑其形成的风流阻力时，高取3.34 m，宽度不变，则断面积22.0 m2，矩形周长19.88 m，当量直径4.43 m。

5.1.1 斜井上部进风道的风阻

地面为无轨运输车辆路面条件，取壁面摩阻系数α=80×10-4kg/m3，计算上部沿程风阻系数

0.076(N·s2/m8)

斜井上部进风道的局部阻力系数包括进风口局部ξ1=0.6，井底与正洞交汇处分岔ξ2=1.5，总局部阻力系数∑ξ=2.1。

风流在斜井上部进风道的阻力损失

2.1×1.2/2×7.02≈1 094+62=1 156 Pa

5.1.2 斜井下部出风道的风阻

沿程风阻系数

0.042(N·s2/m8)

斜井下部排风道的局部阻力系数包括井底部汇流局部阻力系数ξ1=0.5；中部会车洞局部阻力系数10处取10×0.5=5.0；洞口局部阻力系数ξ3=1.0，总的局部阻力系数∑ξ=6.5。

风流在斜井下部排风道的阻力损失

6.5×1.2/2×5.452≈605+116=721 Pa

5.2 正洞内风道风阻计算

进口段方向施工长度1 435 m，配用风管直径φ1.5 m，管道风阻系数

1.69(N·s2/m8)

通风管道沿程阻力损失(漏风系数取1.2)

出口段Ⅰ、Ⅱ线正洞施工长度1 812 m，配用风管直径φ1.6 m，管道风阻系数

2.34(N·s2/m8)

通风管道沿程阻力损失(漏风系数取1.8)

6 通风机的选择

根据通风风量和风阻要求选用以下通风机：风机额定通风量不应小于Q需，且隧道内为24 h全天施工，风机工作强度大，风机性能一定要满足要求[5]。隧道内通风机配置见表1。

7 通风方案实施

7.1 中隔板施作

本方案的关键之一为中隔板施作，首先中隔板的刚度能够承受通风风压，且在外力作用下不能产生明显变形。隧道中隔板施作采用材料为：板材为1 m×4 m×1 mm(宽×长×厚)彩钢板，骨架梁为4 cm×4 cm×3 mm(宽×长×厚)空心方钢。骨架梁横向设置，间距为1.2 m/根，安装前对骨架梁安装点进行放线定位，以确保中隔板水平顺直。然后在安装点处安装膨胀螺栓，将空心方钢与膨胀螺栓焊接牢固形成骨架梁。骨架梁安装完成后进行板材吊装，板材之间采用折边扣装方式拼装，并用锚钉进一步加固确保整体牢固性。

表1 隧道内通风机配置

另中隔板应该具有良好的密封性，防止漏风，确保进、出通风循环线路相互分离，减少紊乱气流，以达到优良的通风效果。为达到良好的密封性，在安装板材之前应将岩层基面处理平整，本隧道6号斜井为永久性建筑，已全部进行了衬砌支护，方便了密封处理。板材之间采用灌胶粘接密封，板材与基岩交接处用107胶与粘子粉混合密封。通过实用检验，经该方法处理后密封性满足通风要求。

中隔板结构如图1所示，图2为斜井内中隔板实图。

图1 中隔板结构示意 (单位:mm)

图2 斜井内中隔板

7.2 通风机安装布置

整个通风系统分为2个通风机组：斜井机组和正洞机组。风机分布如图3所示，斜井口风机布置状况[6-12]如图4所示。

图3 风机分布示意

图4 斜井口风机布置

7.2.1 斜井机组

斜井通风机组承担的作用为将隧道外的新鲜空气通过斜井上部的进风通道压入隧道正洞。首先在斜井口安装2台轴流风机，具体型号参见表1中斜井-1，因考虑到斜井过长，另在斜井内安装设置2组接力风机，风机型号参见表1中斜井-2、斜井-3。风机均安装在中隔板上侧，与支架焊接牢固，防止运行时振动移位。

斜井内中隔板下方的出风通道，会因季节不同而使隧道内外的温差发生变化，从而造成出风通道内的外排气流发生阻滞，甚至形成雾气团，影响通风效果的同时还给交通运输安全造成隐患。为消除该问题，在隧道斜井内安装了3台射流风机，在隧道内外温差小时，进行助力排烟，射流风机型号参见表1中斜井-4、斜井-5、斜井-6。

7.2.2 正洞机组

正洞内通风机组负责将从斜井内压入的新鲜空气分配到4个工作面。分别在斜井与Ⅰ、Ⅱ线交接处的4个方向安装轴流风机，风机型号参见表1中正洞-1、正洞-2、正洞-3、正洞-4，风机同样与支架连接牢固，安装完风机后，将斜井内的中隔板向正洞内延伸，直至将各个风机的尾部包裹严密，避免新鲜空气发生泄漏，影响循环效果。

随隧道长度增加，输送到工作面的新鲜空气会逐渐减少，当输入到工作面的空气量小于工作面实际所需风量时，就应加设接力风机。该隧道选用的风机的作用范围为1 000 m左右，由经验总结得出，受高原大气稀薄及漏风影响，风机的作用范围为900 m左右，当通风距离达到该值时就应加设接力风机。接力风机型号与正洞交接口处相同。将风机与支架连接牢固后，然后用中隔板将风机包裹形成一个封闭的空间，尾部与进风软管连接，头部与接力风机尾部连接，形成新鲜空气中转站，如图5所示。

图5 隧道内空气中转站设置

7.3 管理维护

管理维护是通风系统运转好坏的关键因素之一，为达到持续良好的通风效果必需加强日常管理工作。中隔板和通风软管应定期检查，如有破损须及时修补，减少漏风。中隔板拼装缝和通风软管的接头为重点检查对象。特别注意的是中隔板安装前，下部通道的高度一定要符合通车要求，如高程过低中隔板将会经常被行驶车辆损坏，增加维护难度。通风机应定期进行电路维护和保养，确保其正常运转[6-12]。

8 结语

经过研究分析，借鉴国内外隧道通风的先进技术，确定了此方案。利用中隔板将斜井分隔成上下两部分风道，降低了风阻，加快了隧道内外的空气循环，通风效果良好。关角隧道6号斜井已施作1年有余，完成2 100 m的掘进施工，施工统计显示，开挖爆破后，掌子面废气20 min左右便可排净达到施工条件，机械设备在隧道内运行正常，且尾气排放达标，为施工人员创造了良好的作业环境。通过检验该通风方案完全能够满足高原长大隧道的施工要求，确保了隧道施工的有序进行。

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