特长公路隧道施工通风若干技术问题研究

2017-01-09徐林生陈永权何光友重庆交通大学土木工程学院重庆400074重庆市涪陵高速公路建设投资有限公司重庆408000

四川建筑 2016年6期

肖勇, 徐林生，陈永权, 何光友，左明(.重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074； .重庆市涪陵高速公路建设投资有限公司，重庆 408000)

特长公路隧道施工通风若干技术问题研究

肖勇1, 徐林生1，陈永权2, 何光友2，左明2
(1.重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074； 2.重庆市涪陵高速公路建设投资有限公司，重庆 408000)

特长隧道施工通风的综合研究是一项重要技术课题。文章主要根据特长公路隧道在施工过程中产生的污染气体状况，来探索其施工时应采用的合理通风方式，给出了特长公路隧道施工通风需风量的计算方法，详细论述了通风机与风管的合理选型、布置以及根据需风量计算来针对性地设置相应施工通风的风机数量、风机位置等内容。

隧道施工通风; 需风量；通风方式；风机

在特长公路隧道建设快速发展的大环境下，由于现代隧道大多以钻爆法施工和无轨运输为主，其施工通风问题就成为安全、快速施工的最大障碍。为确保施工人员在洞内的安全，考虑到施工进度及成本等因素，特长公路隧道施工通风便成了设计单位、施工单位及建设管理单位必须研究的重大技术难题。

1 特长公路隧道施工污染源

1.1 有害气体

在特长公路隧道的施工过程中，洞内会因为施工设备、地质条件等因素产生各种对洞内施工人员造成不利影响的有害物质，其开挖方法决定了主要污染物的来源。而特长公路隧道施工一般采用深孔全断面爆破开挖，所以其主要污染源的产生有：(1)因爆破产生的炮烟中夹带的有害气体；(2)内燃机产生的废气；(3)爆破及锚喷过程中产生的粉尘。由于受不同地质条件的影响，可能会产生瓦斯和天然气等可燃气体、硫化氢及缺氧空气等，主要有CO、NOX、CO2、H2S、SO2等有毒有害气体。隧道施工中有害气体的允许浓度见表1。

表1 隧道施工中有害气体允许浓度

1.2 粉尘

特长公路隧道施工中的粉尘一般指100 μm以下的岩粉、水泥粉尘、烟尘及焊尘等[2]。粉尘产生的原因主要有：(1)钻孔凿岩及爆破作业；(2)弃砟装运作业；(3)隧道内混凝土搅拌车的运作；(4)掘进机的开挖作业；(5)喷混凝土作业。根据粉尘防治技术机理的不同，大体可将隧道内粉尘防治技术措施分为减尘、降尘、排尘、除尘和个体防护5类[3]。隧道内粉尘允许浓度值见表2。

表2 粉尘允许浓度值

1.3 其它有害因素

在特长公路隧道施工中，影响施工环境的其它因素还有很多，如温度、湿度、风速、气压以及含放射性元素的物质等。如果这些因素没有妥当处理好，同样会危害隧道内施工人员的健康，拖延施工进度，从而降低工作效率。

2 特长公路隧道施工通风方式

由于公路隧道修建越来越长，自然通风根本无法满足特长公路隧道在施工过程中的通风要求，因此在特长公路隧道中，一般考虑采用长大通风管路和巷道式进行施工通风，通风设备也越来越大。机械通风包括多种方式，一般根据隧道的长短、是否存在辅助坑道和自然地质条件来选择不同的通风方式[4]。特长公路隧道施工通风方式主要有压入式、抽出式、混合式和巷道式。

2.1 管道式通风

2.1.1 压入式通风

压入式通风的工作原理是由通风机将新鲜空气经风筒压入隧道施工工作面，使污浊气体沿隧道排出。这种通风方式有效射程大，冲淡和排出炮烟的作用比较强[5]，污浊气体在回流过程中不经过通风机，因此对通风设备的污染小。但同时污浊气体由工作面缓缓排出洞口，使整条隧洞都处于污浊气体中。此通风方式一般采用成本较低的柔性风管，无轨运输施工的特长公路隧道可采用此通风方式。

2.1.2 抽出式通风

抽出式通风的工作原理是新鲜风由隧道洞口流入，将污浊空气从风管吸出洞外。此通风方式优于压入通风式之处在于洞身段处于新风中，有利于隧道后部的工作。由于风口正对隧道内的污浊气体，所以排烟效果较好，相对压入式通风来说需风量小，且污浊的回风气流不会污染整条隧道。抽出式通风的缺点是施工工作面得到新鲜风的时间相对较长，施工人员须等到工作面正常通风情况下进行作业，因此会延长特长公路隧道的施工进度。抽出式通风一般在有轨运输施工的隧道中采用。

2.1.3 混合式通风

混合式通风则兼具了压入式通风与抽出式通风的优点，它在隧道施工工作面附近采用压入式，在其后采用抽出式。混合式通风有长压短抽式和长抽短压式两种方式。混合式通风适用于长大隧道通风，因为需要增设一套通风设备，所以隧洞净空要求较大。

2.2 巷道式通风

巷道式通风主要是针对在长大隧道施工通风中增设各种辅助坑道的情况，比如平行导坑、斜井、竖井及钻孔等(图1)[6]。巷道式通风优于其他通风方式的地方在于其充分利用辅助坑道进行施工通风，不致回流废气污染隧道，同时也缩短了独头通风的距离，使新鲜空气更快速地到达工作面。但采用这种通风方式的缺点是拖延了施工进度以及加大了施工难度。

图1 巷道式通风图示

3 特长公路隧道施工通风需风量计算

在特长公路隧道施工中，为保证隧道掘进的快速安全，通风问题是其研究与落实的重点。在解决隧道施工环境的问题中，通风不但可以持续为洞内提供新鲜空气，将粉尘及污染气体排出到洞外，为隧道内施工人员提供一个安全舒适的工作环境，而且还可以保护洞内机电设备不受腐蚀，从而保持正常运转。在施工通风设计中，需根据实际工况、内燃设备以及隧洞内工作人员数量等因素来确定洞内所需风量和需安装风机数量。

(1)根据隧道施工中洞内内燃设备功率和工作人员数量，其所需风量等于功率通风计算系数k乘以所有内燃设备功率的总和再加上4n(n为作业人员数量)。

(2)根据冲淡爆破中产生的有害气体，可以计算所需风量。

①在压入式通风环境下，根据由于爆破原因在施工工作面产生的有害气体浓度降至允许浓度，可以计算所需风量：

②在吸出式通风条件下，其需风量计算为：

③在混合式通风条件下，由于所使用的两台通风机工作方式不同，所以须分别计算其风量。

当采用压入式通风方式向工作面提供新鲜风时，其所需风量为：

当隧道采用吸出式通风方式由风机从工作面吸出污浊空气时，风机从施工工作面净吸风量等于工作面风量与隧道掘进断面积乘以隧道允许最低平均风速之和。

以上计算式中，t为散烟通风时间(min)；G为一次爆破炸药总量(kg)；A为隧道掘进面的断面积(m3)；L为隧道全长或临界长度(m)；b为洞内爆炸时产生的有害气体总量；L0为抽出式风管管口与施工工作面之间的距离(m)；φ为淋水系数。

(3)根据经验风速来计算需风量。假如过风断面在40 m2以下其风速取值为1.5～2.0 m/s；过风断面在40～100 m2之间其风速取值为1.0～1.5 m/s。其需风量等于隧道允许最小风速乘以隧道净空断面，变断面按最大断面取值。

4 特长公路隧道施工通风设备的选择与布置

4.1 特长公路隧道施工风机的选择

4.1.1 风机选择参数

(1) 计算风机工作风量Q0。在管道通风中，风管漏风是主要问题。通风管道漏风率是直接评判管道安装及管道维护质量好坏的标准。洞内工作风量的计算公式为：

Q0=ηQ

式中：η为漏风系数；Q为计算风量(m3/min)。

(2) 计算风机工作风压hf。

在选择风机时，其工作风量与工作风压应满足Q0和hf的要求，但hf不应大于风管的允许工作压力。

4.1.2 风机选择原则

在通风机型号的选择方面需遵循3个原则：通风机产生的风量不能小于理论计算风量，通风机直径与选取通风管直径不能差别太大，风机全压值不小于管道总阻力[7]。特长公路隧道施工通风设计中，根据通风方案计算出施工通风所需的风量及风压，由此选择最合适、最经济的通风机类型。

考虑到通风系统的控制及节能，应尽量考虑选用无级变速节能的风机。一般国内通风机标定的风量、风压、电机功率等在实际运转中并不能够全部有效发挥，在风机选型时必须要大于所计算的风量和风压，以确保在施工中通风满足要求[8]。

4.2 特长公路隧道施工风机的安装布置

4.2.1 特长公路隧道施工风机安装

在特长公路隧道施工中，需利用风机排出隧道内污浊气体所含有的主要成分是内燃机释放的废气和开挖时爆破产生的炮烟。因此可以将风机根据其主要作用分别安装，将抽风机安装在隧道的中上部，主要是为了抽出洞内污浊废气；压风机安装在隧道的偏下部，主要是为了将低温的新鲜空气送入洞内，以此为洞内施工人员提供一个良好的工作环境。为减少施工通风中风机的振动，必须将风机支架安装牢固，以免影响风机安装质量。风机应安装在一定的高度，与风管连接平顺。

4.2.2 特长公路隧道施工风机布置

在特长公路隧道施工时，可以在进风洞和无轴流风机段布置较少射流风机，在污风洞和有轴流风机段多布置射流风机。在特长公路隧道施工通风时，为了加速风流速度，可在轴流风机后方200 m处布设一台射流风机。风机的布置可根据风机数量及布设方式的区别分为集中布置和串联布置。集中布置是将满足隧道通风要求的所有风机集中布设在隧道内或隧道外，串联布置则是将通风机分散布置在隧道内以形成串联的布置方法。

4.3 特长公路隧道施工风管布设

风管的质量与适用性以及风管的安装与维护在特长公路隧道施工通风中都起着重要作用，一般在特长公路隧道中都采用的是长管路通风。考虑到风管安装的技术性和经济性，软风管比硬风管更便于安装，但须通过风管漏风率、风阻、接头气密性、安装条件等方面综合考虑选择合适的风管。在确定风管直径时，应根据隧道断面、通风量以及风管长度综合考虑。风管的吊挂应安装主引钢丝作为风管吊装的主索，风管采用安装活动挂钩悬挂于主引钢丝上，这样不仅方便该段风管的安装，而且可有效防止因外力作用被损坏[9]。

5 特长公路隧道施工通风管理

特长公路隧道施工通风管理是完善施工方法、提高工作效率、减少能耗、降低施工通风成本的关键因素[10]。由于许多施工单位对施工通风工作不够重视，在施工通风技术和管理方面的缺失，直接影响施工通风的效果，以及隧道开挖与通风管理工作的不协调，造成拖延施工进度，甚至损害施工人员的健康，所以必须加强通风管理和完善通风控制系统，在负责技术和管理方面配备专业的工作人员。为合理优化施工通风管理系统，为隧道提供一个安全健康的工作环境，施工通风管理应从通风技术、通风管路、风机管理和通风监测方面入手。

5.1 通风技术管理

对负责通风工作的人员进行必要的岗前培训，传授必要的专业知识，经严格考核合格后持证上岗。不定期地对隧道施工通风管理人员及技术人员进行安全意识培训，提高通风技术水平。通风技术管理要全面完善通风设计方案，它是隧道施工通风的前提保障。

5.2 通风管路管理

确保通风管道与风机的合理匹配，要做到风管连接平顺且不漏风。若发现风管破坏或漏风严重时，应及时对其养护与维修。

5.3 风机管理

对隧道内风机定期检查与维修，确保风机正常运转。如风机因故停转，应及时养护维修，保持其良好的运行状态。风机是施工通风的动力源，要保证其正常运行，才能得到最佳的通风效果。

5.4 通风监测

定期地对隧道进行一次全面风量测定，监测通风系统的运行状态，保证通风系统的合理性与可靠性。通风监测是为了及时将隧道施工通风效果反馈给工作人员，若通风效果不佳，须及时安排处理，保证隧道内施工人员的工作环境。因此通风监测是隧道安全施工的保障。