特长公路隧道施工通风技术方案设计

吴志华，林国辉，陈艳琼

(1.福建船政交通职业学院，福州 350007；2.福州京台高速公路有限公司，福州 350002)



特长公路隧道施工通风技术方案设计

吴志华1，林国辉2，陈艳琼1

(1.福建船政交通职业学院，福州 350007；2.福州京台高速公路有限公司，福州 350002)

为了促进巷道式通风、压入式通风方式在特长公路隧道施工中的应用和发展，以福州京台高速公路牛岩山特长隧道主洞施工通风技术方案设计为例，介绍了该特长隧道的施工通风方式选择、通风风量计算及设备选择、施工通风布置方案、施工通风管理等.该特长隧道选用巷道式通风和压入式通风方式，成功解决了特长隧道的施工通风问题，安全顺利的完成了隧道主洞的施工任务.可给类似隧道的施工通风技术方案设计提供参考.

特长公路隧道；巷道式通风；压入式通风；技术方案；设计

0　引言

近年来，随着我国高等级公路建设的迅猛发展，我国的公路隧道建设取得了巨大的成就.尤其是山岭重丘区的高等级公路，大多以隧道的形式穿越高山峻岭,其中不但有中、短隧道，更有长隧道、特长隧道、隧道群等，如已建的秦岭终南山隧道(长18.021km)、福建美菰林隧道(长5.56km)、湖南雪峰山隧道(长6.95km)等[1],在建的有福州京台高速公路牛岩山隧道(9.227km)、四川国道317线雀儿山隧道(长7.079km)等.目前,公路隧道的施工大多是采用新奥法进行的,开挖基本上采用钻爆法,出碴多采用无轨运输.在隧道施工开挖时，为了稀释和排出岩体涌出的有害气体、爆破产生的炮烟和粉尘，保持良好的空气条件，必须对开挖工作面进行通风，即向工作面送入新鲜风流，稀释和排出污浊空气，确保隧道施工安全及工程顺利进展.对短隧道来讲,通常采用自然通风就可以解决洞内施工环境问题,而对中长隧道,特别是特长隧道,施工通风就是一项必须着重解决的技术难题，因此在施工前需进行隧道施工通风专项方案设计.本文以福州京台高速公路JTA4合同段所属牛岩山隧道进口工区的主洞施工通风为例，谈谈特长公路隧道的施工通风方案设计.

1　工程概况

福州京台高速公路牛岩山隧道位于闽侯县洋里乡，全长9226.5m，为目前福建省已建及在建的最长公路隧道.根据建设方安排，牛岩山隧道划分为进口端和出口端两段，分别属于JTA4合同段和JTA5合同段，其中JTA4合同段承担牛岩山隧道主洞进口端左线5333m(ZK115+167～ZK120+500)和右线5314m(YK115+186～YK120+500)的主洞施工任务.牛岩山隧道为平行双隧，左右线各设有一座通风斜井，其中左线斜井长1336.66m，坡度为14.56%，与左线主洞交汇于ZK119+051.25；右线斜井长1030m，坡度为16.05%，与右线主洞相交于ZK119+289.57.隧道结构按新奥法原理进行设计和施工.

根据施工组织安排，JTA4合同段所属牛岩山隧道分为进口工区和斜井工区，其中进口工区包括主洞进口端左线3433m(ZK115+167～ZK118+600)和右线3414m(YK115+186～YK118+600)，由两个施工队分别从左右线主洞进口端向内掘进施工.斜井工区包括左右斜井、主洞左线1900m(ZK118+600～ZK120+500)和右线1900m(YK1158+600～YK10+500)，也由两个施工队分别从左右线斜井进口向内掘进施工.

2　隧道施工通风方式选择

在隧道施工过程中，有效而迅速地通风，不但能减少作业循环时间，而且可以保证隧道中有足够的新鲜空气.但是，如何才能充分利用现有条件，使通风效果达到最佳、成本降到最低呢?这首先就需要对通风方式进行合理的选择.

隧道施工通风方式按照通风的动力划分，可分为自然通风和机械通风.机械通风根据隧道的长短、是否存在辅助坑道等条件，又可分为压入式通风、抽出式通风、混合式通风和巷道式通风[2].

牛岩山隧道为平行双隧，左右线之间每隔750m设有行车横洞，具备采用射流巷道式通风的条件，所以本隧道主洞施工通风方式选择压入式通风和射流巷道式通风.在施工前期，隧道主洞采用独头掘进，左右线同时施工，从隧道进口端到第一个行车横洞贯通前，采用轴流风机进行独头压入式通风；在第一个行车横洞贯通后，改为采用射流巷道式通风，在行车横洞处设置射流风机供风.

采用巷道式通风方式时，从隧道右洞引入新鲜空气，左洞排放污风，右洞掌子面污风通过行车横洞排放至左洞，再排出洞外，进风段右洞禁止行车，所有进出车辆进入右洞掌子面需从左洞经行车横洞后再前往右洞.

3　施工通风风量计算及设备选择

3.1通风风量计算

3.1.1通风控制风量计算原则

隧道施工通风所需风量按洞内同一时间工作最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破需排除的炮烟量、冲淡内燃机产生的有害气体分别计算，然后取其中计算出的最大值作为控制风量[3].

3.1.2控制风量的计算确定

(1)按洞内同一时间工作最多人数计算：

根据JTA4合同段所属牛岩山隧道的施工组织安排，隧道主洞内同时作业最多人数按60人计算,所需风量计算式为：

Q人=q·n·k=3×60×1.1=198m3/min.

式中：q—作业面每一作业人员每分钟所需的新鲜空气量，取3m3/min·人；n—作业面同时作业的最多人数，主洞按60人计；k—风量备用系数，按1.1计.

(2)按洞内允许最小风速计算：

为保证洞内稳定风流，洞内允许最小风速按0.25m/s计算,所需风量的计算式为：

Q风=60 S·V=60×84×0.25=1260m3/min.

式中：S—隧道开挖断面积84m2；V—洞内允许最小风速0.25m/s.

(3)按排除因一次性爆破产生的炮烟量计算:

排除因一次性爆破产生的炮烟所需风量按下列公式计算：

式中：A—同时爆破炸药量，252kg；t—通风时间，30min；L—炮烟抛掷长度，250m；F—隧道断面积，84m2.

经计算可知，所需风量Q0=1250m3/min.

(4)按冲淡内燃机产生的有害气体计算所需风量(空气量)：

冲淡内燃机产生的有害气体所需风量(空气量)按内燃机械设备总功率进行计算.JTA4合同段所属牛岩山隧道主洞开挖施工时，掌子面有1台装载机功率为150kW、1台出渣车功率为285kW，2台内燃机械总功率为150+285=435kW.冲淡内燃机械产生的有害气体所需风量按下列公式计算：

Q内=H·q=435×4=1740m3/min.

式中：H—内燃机械总功率，435kW；q—内燃机械单位功率供风量，4m3/(min·kW).

(5)控制风量

综合以上计算结果可知，按内燃机械设备总功率计算冲淡内燃机械产生的有害气体所需风量Q内=1740m3/min为最大值，故隧道主洞无轨运输时开挖作业面所需控制风量确定为1740m3/min.

3.2通风设备选型计算

(1)轴流风机选型计算

通风阻力因选择的风管直径和风机型号以及送风距离的不同会有很大差距，如果选择的风管直径过小，会导致通风阻力过大，不能满足送风需要；如果选择的风管直径过大，又会造成浪费，且不利于施工组织.

针对进口工区的实际情况，结合风机特性曲线和送风长度对通风阻力进行模拟计算，同时也对风机风管进行选型匹配.风管阻力曲线计算公式如下：

式中：P—风管沿程阻力，Pa；λ—摩阻系数，0.02；ρ—空气密度，1.19kg/m3；d—风管直径，1.6m；β—风管平均百米漏风率，1.5%；L—管路长度，m；Qf—风机工作点风量1740/60=29m3/s.

由于进口工区第一个行车横洞贯通后采用射流巷道式通风，根据施工组织进度计划可知，轴流风机送风管路最大长度不超过1500m(隧道进口至第二个行车横洞之间距离)，主洞开挖面需风量为1740m3/min，这也是风管出口所需最小风量.根据风机性能曲线和风管阻力曲线匹配，并反复计算比选可得出：选用2×110kW轴流风机与Φ1.6m风管匹配,可供开挖面风量为：

2912*(1-1500/100*1.5%)=2257>1740m3/min,可以满足通风要求.

(2)射流风机选型计算

因射流风机产生的压力必须大于或等于整个系统的阻力，故射流风机工作风压hf可按下列计算式计算，即：

hf≥∑Hs+∑HL

式中：Hs—摩擦阻力；HL—局部阻力.

式中：ζ—局部阻力系数；V—产生局部阻力前或后的空气流动平均速度(m/s)；

式中:Hf—射流风机压力，Pa；Vj—射流风机出口风速，m/s；Aj—射流风机出口断面积，m2；Ag—隧道断面积，m2；Vgo—隧道内风速，m/s；kj—增压系数,0.85；nj—射流风机台数.

经计算可知：进口工区需要55kW射流风机3台.

3.3通风设备配置

隧道各工区因通风条件不同,对通风设备要求的型号和数量也不同.根据上面轴流风机和射流风机选型计算结果，牛岩山隧道进口工区所需的通风设备参数和数量如表1所示.

表1　通风设备主要参数及数量表

4　施工通风布置方案

4.1通风布置阶段

在隧道主洞开挖施工中，通风设备需结合隧道开挖工作面的进展而布置.根据该段隧道总体施工进度安排，进口工区施工通风布置共分四个阶段：

第一阶段，在施工初期，主洞左右线两个开挖面均采用独头压入式通风，分别在左右线洞口采用一台2×110kW轴流风机和Φ1.6mPVC风管送风，布置图如图1所示，在1#行车横洞贯通后进行阶段调整，风管送风最长距离控制在1500m以内.

第二阶段，1#行车横洞贯通并具备阶段调整条件后，将洞口两台轴流风机设置在左线距1#行车横洞50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，在距洞口300m处增设1台射流风机，形成射流巷道式通风，布置图见图2.在2#行车横洞贯通后再准备进行阶段调整.

图1　进口工区第一阶段通风布置图

图2　进口工区第二阶段通风布置图

第三阶段，2#行车横洞贯通并具备阶段调整条件后，利用风墙封闭1#行车横洞，将左线1#行车横洞处的两台轴流风机前移至距2#行车横洞50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，同时在距1#行车横洞300m左右的大里程位置再增设1台射流风机，布置图见图3.左右线之间主要通过2#行车横洞联通，在3#行车横洞贯通后再准备阶段调整.

图3　进口工区第三阶段通风布置图

第四阶段，3#行车横洞贯通并具备阶段调整条件后，利用风墙封闭2#行车横洞，将左线2#行车横洞处的两台轴流风机前移至距3#行车横洞50m左右靠洞口一侧，通过风管分别向两个开挖面送风，同时在距2#行车横洞300m大里程位置再增设1台射流风机，布置图见图4.左右线之间主要通过3#行车横洞联通，保持此方式直到与斜井工区贯通.

图4　进口工区第四阶段通风布置图

4.2管线布置

洞内三管二线严格按要求悬挂在边墙上，做到既符合安全要求，又符合文明施工要求，体现企业管理形象.图5为隧道主洞施工通风、排水及管线布置示意图.

图5　隧道主洞施工通风、排水及管线布置示意图

5　施工通风管理

牛岩山隧道施工通风按照“合理布局、优化匹配、防漏降阻，严格管理，确保效果”二十字方针，作为通风管理的指导原则，强化通风管理，并在施工过程中采取以下措施，确保施工通风满足要求.

(1)成立施工通风管理小组，建立健全通风管理制度，通风机安排专人管理值守，按规程要求操作通风机，定期检查、维修、保养通风机.

(2)狠抓“防漏降阻”工作，只有管道漏风和摩阻系数小，才能确保单机送风距离长，效果好.因此，要求施工时每班设专职风管维修工，对全部风管进行检查，不平、不顺之处及时调直调平，发现风管破损漏风，及时处理.轻微破损的管节，采用胶水粘补，粘补后30分钟不得通风；严重破损的管节，必须及时更换，从而降低漏风系数，保证管道密封性.

(3)加强运输设备的维修保养，按照设备管理制度要求定期维修，特别是进气道和燃油系统需进行强化保养，并坚持燃油沉淀过滤制度，减少废气的排放.

(4)降尘措施

作业环境粉尘浓度标准：作业环境每立方米空气中的粉尘允许含量为：含10%以上游离二氧化硅(SiO2)的粉尘不超过2mg/m3；含10%以下游离二氧化硅(SiO2)的粉尘不超过4mg/m3.

① 隧道掘进和出渣期间，用粉尘测定仪在隧道开挖面附近测定粉尘含量;② 钻眼作业采用湿式凿岩，凿岩机在钻眼时先送水后送风.禁止采用干式凿岩;③ 出渣前用水淋湿全部石渣和附近岩壁;④ 洞内施工人员佩带防尘面罩.

6　结　语

牛岩山隧道施工通风方式主要采用巷道式通风，此通风方案具有工作面通风效果良好、污风排出速度快、节约用电等优点.目前，隧道进口工区已全部贯通，洞内施工通风顺畅，工程进展顺利，说明该隧道进口工区的施工通风方案设计是合理的，完全能满足隧道施工现场需要.

[1]韩直.公路隧道通风设计的理念与方法[J].地下空间与工程学报，2005(3)：464-466.

[2]李永生.隧道施工通风方式的选择[J].西部探矿工程，2004(6)：86-89.

[3]赖涤泉．隧道施工通风与防尘[M]．北京: 中国铁道出版社，1994．

[4]中华人民共和国行业标准.《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009)[S].

[5]铁道部第二工程局．铁路工程施工技术手册——隧道[M]．北京:中国铁道出版社，1995．

TheDesignofConstructionVentilationTechniqueProjectforSuper-longHighwayTunnel

WUZhi-hua1，LINGuo-hui2，CHENYan-qiong1

(1.FujianChuanzhengCommunicationsCollege,Fuzhou350007,China；2.FuzhouJing-taiFreewayCo.,Ltd,Fuzhou350002,China)

Fortheapplicationanddevelopmentoflateralventilationandcompressiveventilationstylesinthesuper-longhighwaytunnelconstruction,thisthesisgivesanexampleofthedesignofconstructionventilationtechniqueprojectforNiuyanshansuper-longtunnelofBeijing-TaibeifreewayinFuzhou,introducestheselectionofventilationstyle,theamountofventilationcalculationandfacilitiesselection,ventilationlayoutproject,ventilationmanagementofthesuper-longtunnel.Thesuper-longtunnelselectslateralventilationandcompressiveventilationstylestosolvetheproblemofsuper-longtunnelconstructionventilationsuccessfully,andtofulfilthetaskofconstrucingthemainholeofthetunnelsafely.Thisthesisalsohopestoprovideareferenceforconstructingthesimilartunnels.

super-longhighwaytunnel;lateralventilation;compressiveventilation;techniqueproject;design

2015-09-04

吴志华(1971-)，男，硕士，副教授，研究方向：道路桥隧工程.

U453.5

A

1671-119X(2016)01-0081-05