高原螺旋隧道施工通风设计

张 凯

（山西新世纪交通建设工程咨询有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

卧龙沟隧道穿越祁连山脉，位于青海省与甘肃省交界处太子山自然保护区内。隧道区属构造剥蚀高山地貌区，地形起伏大，地质条件复杂，受地形影响，采用螺旋型隧道，总转角近220°，曲线最小半径为700 m。集中升坡，进出口高差达58 m，隧道范围内中线高程2 958～3 025 m。施工难度大、技术含量高，是大循高速公路控制工期的咽喉工程。

2 工程主要特点及技术难点

a）隧洞处在高海拔严寒地区。冬季冻土深度达到100 cm，空气稀薄，洞口含氧量仅为15.9%，洞内更低。施工环境恶劣给施工通风带来了一系列技术问题，不仅直接影响施工人员的身心健康，而且会使作业人员劳动效率大幅降低。所以在低气压、寒冷、缺氧的高原环境下利用隧道外新鲜空气稀释和排除隧道内产生的有害气体和降低粉尘，使其达到隧道作业环境标准，从而改善隧道内施工人员的劳动条件，保证顺利施工，是该隧道施工通风的一大技术难题。

b）隧道受地形影响，采用螺旋型隧道，总转角近220°。在国内，海拔3 000 m以上长度达到2 500 m以上采用螺旋型设计的隧道在西北高原隧洞施工中是仅此一例。由于是曲线螺旋隧洞，单端掘进长度均在1 300 m以上，烟尘只能通过隧洞排出[1]，且自卸汽车废气排放量大，沿隧洞分散分布，稀释较困难，随着隧洞的加深，通风排烟将十分困难。必须采取有力的通风防尘措施，以保障洞内空气清新，创造良好的施工环境，保证洞内施工人员的身体健康，提高劳动效率，加快施工速度。

c）根据《海拔高度、气压、气温、沸点、空气密度、含氧量、柴油机功率、电气功率、劳动者体力对照表》[2]劳动力效率为平原的64%；电气电动机功率为平原地区的88%；空气密度为平原地区的70%；柴油机功率为平原地区的76%，废气排量由于含氧量低，燃烧不充分却反而增加。

3 隧道内有害气体的排放

卧龙沟隧道内的有害气体主要有内燃机械排出的尾气，隧道爆破、焊接作业产生的有害气体和作业人员呼吸排放的二氧化碳。

由于Ⅲ级围岩开挖进尺大，用药量多，污浊气体排出量大，故按Ⅲ级围岩计算。选取最不利组合确定用风量。主要计算参数：Ⅲ级围岩开挖进尺2.5 m，断面面积82.28 m2，炸药用量0.87 kg/m3（中风化花岗岩）。工作面最多人数取45人（钻爆20人，初支10人，二衬10人，其他5人）。作业人员供风量4 m3/人·min（平原地区为 3 m3/人·min），爆破通风时间40 min（平原地区为 30 min），通风管道直径1.5 m。管道百米平均漏风率1.7%，管道达西系数0.015，空气密度0.9 kg/m3（空气密度为平原的70%），隧道通风需要的最低风速0.15 m/s。

3.1 风量计算

3.1.1 按洞内同时工作的最多人数计算风量

式中：q为作业人员供风量4 m3/人·min；m为工作面最多人数取45人；k为风量备用系数取1.3。

计算得：Q=234 m3/min.

3.1.2 按排出炮烟计算风量

式中：G为同时爆破的炸药消耗量，G=A·l·q，计算得178.9 kg；A为掘进面积，82.25 m2；l为循环进尺，2.5 m；q为单位耗炸药量，0.87 kg/m3；b为炸药爆炸时有害气体生成量，取40 m3/kg；t为通风时间，取40 min；l0为 炮 眼 抛 掷 长 度 ，l0=15+G/5，计 算 得50.78 m。

计算得：Q=790 m3/min.

3.1.3 按允许最低风速计算风量

式中：V为工作面最小风速，全断面开挖取0.15 m/s，分部开挖取0.25 m/s；A为掘进面积82.25 m2。

计算得：Q=740.3 m3/min.

3.1.4 按稀释和排除内燃机废气计算风量

洞内内燃设备配置较多，废气排放量较大，供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下，计算式为：

式中：K为功率通风计算系数，我国暂行规定为2.8～3.0 m3/min（介于本隧道为高原螺旋隧道取3）；Ni为各台柴油机械设备的功率（详见卧龙沟隧道内燃设备配置表）；洞内Ti为利用率系数（详见表1）。

表1 卧龙沟隧道内燃设备配置表

计算得Q=1 893 m3/min；

Qh=max（Q1，Q2，Q3，Q4）=1 893 m3/min.

3.2 通风机所需供风量

百米平均漏风率B取1.7%（考虑到螺旋隧道比直线隧道漏风率取值增加了10%），管道漏风系数为:

式中：L为循环进尺；故通风机的设计风量为Qj=P·Qh=1.25×1 893=2 366 m3/min，即 39.43 m3/s。

3.3 管道压力损失及通风机全压

3.3.1 管道摩擦阻力系数

式中：λ为沿程阻力系数，又称管道达西系数，取0.015（取值时考虑到螺旋隧道）；ρ为空气密度，取0.9 kg/m3。

经计算可得α=0.001 69 kg/m3.

3.3.2 管道风阻力系数

式中：a为管道摩擦阻力系数；L为最大通风长度1 300 m；D为管道直径1.5 m。

代入后计算可得Rf为1.88。

3.3.3 沿程摩擦通风阻力损失

式中：Rf为管道风阻力系数；Q为通风机的设计风量39.43 m3/s；P为管道漏风系数。

代入后计算可得hf=2 572 Pa.

为简化计算，局部损失取为沿程阻力损失的10%，即ht=0.1hf；通风机工作风压按通风系统克服局部风阻、沿程风阻之和计算，即：Pt=max（hf+ht）=2 829 Pa.

3.3.4 选择1台通风机单管压入式通风，每台通风机配用的电动机功率

式中：Q为通风机供风量；Pt为通风机工作风压；η为通风机工作效率，取60%（电气电动机功率为平原地区的88%）。

代入后计算可得N=204.5 kW.

3.4 通风机选型及布置

由以上计算可知选择的通风机的最低技术参数要求为：Q=2 366 m3/min，Pt=2 829 Pa，N=204.5 kW。故初步选定SDF（B）-4-No12.5通风机，转速1480 r/min，Q=2 912 m3/min，Pt=5 355 Pa，N=2×110 kW 可以满足要求。采用单管压入式通风，在进口洞外20 m安装串联两台通风机，采用φ1.5 m柔性通风管道，通风管随掌子面的推进接长，接长到距掌子面约50 m处。新鲜空气通过柔性通风管道压入到工作面，洞中的污染气体及粉尘沿隧洞排出洞外[3]。

4 施工过程中应注意的事项

a）该隧道为小半径螺旋曲线隧道，曲线最小半径为700 m，半径小，风筒也随隧洞曲线布置，弯折处较多，导致风力损失加大；柔性通风管道在通过车行横洞、二衬台车时需合理布设及时调整风管架设线性，减少折弯避免加大风力损失。

b）隧道是上坡施工，集中升坡，进出口高差达58 m，隧道进口掌子面洞底高程进洞后高于洞口洞顶高程，因此烟尘不易排出洞外；当隧道进口端通风情况不理想时可在隧道加宽段增设一台110 kW通风机，通过柔性通风管道与原通风机串联。保障洞内空气清新，创造良好的施工环境。

c）在施工过程中施工机械及人为因素会造成风筒破损，导致风力损失增加。需及时派人对风筒破损处进行缝补，并对风袋接头尽量顺直[4]。

5 结语

高原地区高寒缺氧气压低，工程机械有害气体排放量大，为高原隧道施工通风工作增加了难度，尤其是高原螺旋隧道施工通风技术更是一大技术难题。本文结合卧龙沟隧道施工通风实例给出了高原螺旋隧道的施工通风设计方法，可为高原螺旋隧道通风施工提供参考。该类型隧道施工中还应不定期检测洞内空气氧含量，在连续通风的开放环境下根据现场实际情况，必要时采用背负氧气瓶使所有隧道施工作业人员呼吸到医用氧，从而降低高原病征的发生。