单线铁路特长隧道施工通风防尘技术方案

刘 震

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 100855）

1 工程概况

天河山隧道为邢和单线铁路控制性工程，隧道起讫里程D2K33+710～D2K45+405，长度1 1695 m，最大埋深615 m，呈东西走向，位于山西省左权县和河北省邢台市交界处，穿越太行山山脉。洞内线路设计纵坡为-4‰/20 m、-14‰/11 220 m、-5‰/455 m 的单面坡。

本隧道设置1 条双车道斜井及1 条平行导洞作为施工辅助坑道。1 号斜井设置于D2K38+315 处线路前进方向左侧，与线路小里程方向平面夹角80°，斜井长1 581 m，平行导洞位于天河山隧道出口，全长3 150 m，与正洞平行，平导采用无轨单车道+错车道，每隔300 m 左右设一处错车道，平导与正洞直线段间距为35 m，平导进口段由于地形条件限制线间距约25 m～35 m，平导与正洞间通过横通道链接，平导终点的横通道与正洞相交于D2K42+265 线路右侧，其余地段根据施工工期要求或排水需要设置横通道。

隧道为整个标段的节点工程，隧道的顺利贯通影响整线工期进度，隧道特点主要体现在工期短、隧道长、通风难度大（隧道最长通风距离4 635m）。

施工通风是隧道施工的重要工序之一。合理的通风系统、理想的通风效果是实现隧道快速施工、保障施工安全和施工人员身心健康的重要保证。

2 通风防尘控制条件

（1）隧道内氧气含量：按体积计不得小于20%。（2）粉尘允许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg；含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘为6 mg；二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物质的矿物性和动植物性的粉尘为10 mg。（3）有害气体浓度：一氧化碳不大于30 mg/m3，当施工人员进入开挖面检查时，浓度不超过100 mg/m3，但必须在30 min 内降至30 mg/m3；二氧化碳按体积计不超过0.5%；氮氧化物（换算为NO2）5 mg/m3以下。洞内温度：隧道内气温不超过28℃，洞内噪声不大于90 dB。（4）洞内风量要求：隧道施工时供给每人的新鲜空气量不应低于4 m3/min，采用内燃机械作业时供风量不应低于4 m3/(min.kw)。（5）洞内风速要求：全断面开挖时不小于0.15 m/s，分部开挖时不小于0.25 m/s。

3 施工通风方案

图1 洞内通风管布置图

根据以往隧道通风经验及对当前通风设备技术性能的调研结果，按照自成体系的原则，综合考虑施工过程中可能出现的情况，制定隧道通风方案。

根据确定的施工方案和任务划分情况，施工通风采用管道压入式通风，与风机相接的风管选用φ1 500 mm 负压管（长度10 m），在洞内转弯处加设负压通风管。洞外风机进风口至斜井井口距离不小于20 m，风管出风口至掌子面距离L = 60 m。进口工区：承担正洞施工长度为3 110 m；出口工区：承担正洞施工长度为4 635 m；1 号斜井工区：承担1#斜井1 581 m，往进口方向承担正洞施工长度为1 495 m，往出口方向承担正洞施工长度为2 455 m，进口方向合计3 076 m，出口方向合计4 036 m； 采用独管路压入式通风，在交叉口往进口方向16 m 处设置风室作为二级接力通风风室，体积为270 m3。风室旁另架设两台55×2 kW 风机分别给进出口方向通风，风机与风室采用φ1 500 mm 钢管连接，洞内通风管布置见图1。

4 所需风量计算

（1）按洞内同时工作的最多人数计算： Q1=qmk （1）

式中：q——每人每分钟呼吸所需空气量取q = 4 m3/min·人；

m——同时工作人数，斜井、单线单洞正洞取m = 40 人；

k——风量备用系数，取k = 1.15。

由式（1）计算风量得： Q1=qmk =4×40×1.15=184 m3/min。

（2）按允许最低平均风速计算： Q2= 40Av （2）

式中：A——隧道断面积，正洞单线单洞面积为50 m2；

v——洞内平均风速，斜井取0.25 m/s，正洞取0.15 m/s。

则正洞按式（2）计算风量为 Q2= 40Av = 40×50×0.15 = 300 m3/min。

（3）按照爆破后稀释一氧化碳至许可最高浓度计算

采用压入式通风，工作面需要风量为：

式中：t——通风时间，取t = 30min；

G——同时爆破炸药用量，斜井、正洞均按Ⅱ级围岩考虑，每循环最大进尺取3.5 m。正洞单位装药量取0.95 kg/m3，则G = 50×3.5×0.95 = 166.25 kg；

L——掌子面满足下一循环施工的长度，取200 m。

则斜井井身施工时工作面需要风量按式（3）计算得：

（4）按稀释和排除内燃机废气计算

采用无轨运输，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，工作面考虑施工高峰期需要的内燃机械使用情况为：挖掘机1 台（功率110 kW），装载机装载机1 台（功率为162 kW），汽车5 台（每台功率为180 kW，洞内同时工作3 台），混凝土罐车2 台（每台功率为85 kW），总功率为982 kW。则稀释内燃机排出废气的需要空气量： Q4= V/K （4）

式中： V = ∑αP ，其中α ——单位功率内燃机每分钟产生有害气体量，按照有净化装置机械产生的CO 气体为0.09×10-3（m3/min·kw）；P ——内燃机功率，P = 982 kW； K——允许浓度0.008%。

按式（4）计算得： Q4= V/K=（0.09×10-3×982）/0.008% =1 104.8 m3/min。

则按稀释和排除内燃机废气的所需要风量为1 105 m3/min。

上述四种计算结果，风量取其最大值（Q=1 105 m3/min）作为通风布置依据。

（5）各个洞口所需要空气量

其中，β ——风管百米漏风率，取β =0.015；L 为通风长度。

通风机供风量： Q供=PcQ （6）

依据式（5）和式（6）计算各个洞口所需通风机供风量，见表1。

表1 各个洞口所需通风机供风量

5 风机风压和功率计算

5.1 风机风压计算

其中， f ——摩阻系数取 25002.0=f kg/m3；D——通风管直径，隧道通风软管统一采用取直径D=1.5 m。

按式（7）计算管道阻力系数见表2。

式中： HD——隧道内阻力损失取50 Pa； H其他——其他阻力损失取60 Pa。

则风机设计全压fHH= ，即

各洞口风机全压计算结果如表2 所示。

表2 风机全压计算结果

5.2 风机功率计算

式中：H——风机工作风压，Pa； η——风机工作效率，取80%； K——功率储备系数，取1.05。

各洞口风机功率计算结果如表3 所示。

表3 风机功率计算结果

6 通风设备选择

考虑到斜井井口通风机设备需满足所有通风风压和风量的要求，斜井与正洞交叉口位置设计转换风室，综合考虑通风设备选择如下：（1）1 号斜井出口方向选取1 台SDF(B)-4-No 13 型号风机； 1 号斜井进口方向选取1 台SDF(B)-4-No11 型号风机；斜井与正洞交叉口设置转换风室，增设一台2 台SDF(B)-6-NO16 型号风机。（2）正洞进口方向选取1 台SDF(B)-4-No11 型号风机；正洞出口方向选取2 台SDF(B)-6-No 17 型号风机。本隧道配备风机型号及参数见表4。

表4 风机型号及参数

7 通风和防尘措施

7.1 通风措施

以长代短。风管节长由以往的20～30 m 加长至50～100 m，减少接头数量，即减少漏风量；以大代小：在净空允许的条件下，尽量采用大直径风管；截弯取直：风管安装前，先按5 m 间距埋设吊挂锚杆，并在杆上标出吊线位置，再将φ8 mm 盘条吊挂线拉直并焊固在锚杆上，而后在吊挂线上挂风管。这样可使风管安装到达平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减少通风阻力。加强风管的检查维修，发现破损及时粘补。

7.2 防尘措施

隧道施工防尘采取综合治理的方案控制粉尘的产生，钻眼作业采用湿式凿岩；装碴前必须进行喷雾、洒水；长大隧道在距掌子面30m 外边墙两侧各放一台水幕降尘器，爆破前10min 打开阀门，放炮30min 后关闭；在掌子面后安装GC300 型隧道集尘器。隧道集尘器主要是捕捉3μm 以上的粉尘；施工人员佩带防尘口罩。