长距离输水隧洞施工期通风设计与管理

李 佳，谢必承，吕虎波，刘 振，林一庚

（1.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江杭州310030；2.福州水务平潭引水开发有限公司，福建福州350001；3.福州城建设计研究院有限公司，福建福州350001）

0 引言

为了缓解城市用水困难，我国开始大量修建输水隧洞，将大型湖泊水源供给城市使用。输水隧洞工程一般深埋大、距离长和断面小，建设周期长。

输水隧洞施工期通风是保障施工人员安全和确保工程顺利进行的重要环节。对于长距离输水隧洞，为保证洞内良好的通风效果，确保各项有害气体的浓度均能达到国家卫生标准，必须对施工期通风设计、监测与管理进行优化。

1 工程概况

福建省平潭及闽江口水资源配置工程是一项跨区域的重大水利工程，属于国务院推进建设的172项节水供水工程之一。工程第4标段（大樟溪—石溪输水线路）由主洞和多条支洞组成，隧洞累计长度达42 078 m。隧洞区主要属于构造侵蚀丘陵地貌，沿线分布的地层岩性主要有流纹岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩等，埋深一般在70～180 m，最大埋深520 m。

工程区域属于亚热带海洋性气候，年平均降水为103～185 cm，年平均气温为19.7 ℃，平均风速分别为3.0 m/s，年最大风速均值为13.9 m/s。年平均水面蒸发量为110～140 cm。

隧洞施工为独头掘进，最长独头开挖距离长达3.3 km；输水隧洞断面积为16.4～21.2 m2，断面较小。因此，隧洞的通风排烟难度大，同时本项目设置了与主洞相交的施工支洞以满足隧洞开挖进度需要，通风排烟经过此结合部位时，受其影响更大。

2 施工期通风量计算

通风量的计算应根据实际工程情况展开，通常计算稀释爆生炮烟、围岩内有害气体等所需的通风量和隧洞内作业人员所需的通风量［1］。

2.1 洞内作业人员呼吸所需风量Q1

所需工作量如：

式中，k 为风量备用系数，常取1～1.25；q 为每一作业人员的通风量，取3 m3/min·人；n 为隧洞内同一时间作业人员最多人数。本项目中，k，q，n 分别取1.1、3 m3/min·人和20人，计算得到Q1=66 m3/min。

2.2 爆破排烟需风量Q2

爆破后排出炮烟需风量的计算以CO 为基础，根据通风方式的不同，计算方法有所差异。

2.2.1 送风式

目前在国内隧道施工中常用的公式［2］：

式中，G 为炸药量，kg；t 为通风时间，min；A 为断面积，m2；L0为通风长度，m。

2.2.2 排风式

对于风机设在洞外采用硬风管的排风式通风，当风管末端到工作面的距离不大于1.5 A时，计算公式为：

式中，b为单位炸药产生的CO 量，L/kg；Lt为炮烟抛掷长度，m。

本项目隧洞通风拟采用送风式，隧洞断面积取最大21.2 m2，同时起爆最大药量为114.2 kg，通风时间为30 min，通风长度取30 m。计算得到Q2=93.29 m3/min。

2.3 维持洞内最小风速所需风量Q3

隧洞内的风速由污染气体浓度降至安全值的需风量及断面大小决定。相关研究表明［3］，风速应在0.3 m/s 以上。确定最小风速后，通过下式可以计算风量：

式中，v为排尘风速，m/s；S为隧洞断面积，m2。本项目中，风速取为0.25 m/s、S为21.2 m2，计算得到Q1=318 m3/min。

3 施工期通风设施布置

3.1 主洞与支洞

本工程隧洞开挖独头掘进，最长开挖距离为3 300 m，包括输水主洞2 860 m和玉林支洞长440 m。为确保爆破后排烟时间控制在30 min 之内，有害气体浓度达到规定标准，并供给施工人员足够的新鲜空气。由于隧洞开挖面单一，通风时间短，考虑最优成本，施工期采用压入式通风。通风系统布置如图1所示。

图1 压入式通风示意

根据施工期通风量计算结果和实际工程特点，输水隧洞通风设备选用流式通风机，采取压入式通风，从支洞洞口引入新风。通风机参数：电机功率2×30 kW，风量10.2 m3/s，风压6 600 Pa。风筒选用Φ800～Φ1 000 mm 柔性风筒。支洞施工期，采用一台2×30 kW 风机和一道Φ800 柔性风筒，从支洞洞口压入新风。进入主洞施工，开设两个开挖断面，分别采用一台2×30 kW 风机和一道Φ1 000 柔性风筒，引入新鲜空气。当通风长度超过通风机送风能力时，增加一台压入通风机，采取接力式送风方式，以满足通风要求。支洞洞口处通风设备如图2所示。

3.2 风筒口位置

为了把新鲜空气送到工作面，应该将风筒口设置在隧洞开挖面较近的位置，以求尽快排除有害气体至洞外。考虑到隧洞爆破开挖可能对风筒口造成破坏，风筒口距开挖面又不能过近。根据工程经验，风筒口距开挖面距离设置在30 m左右。

图2 支洞洞口处通风设备

4 施工期通风监测与管理

为了更好地监测隧洞施工过程中，通风设备的通风效果和洞内污染物分布情况，研究人员开发了一套施工期隧洞通风监测系统，配合隧洞中布设的监测设备，实时监控洞内环境，确保洞内环境符合规范要求，有效保护隧洞施工人员身体健康。

该套系统主要是用来对隧洞施工期通风设备和通风效果进行监测和分析的软件，该软件具体包含全隧洞通风机运行管理、通风效果检测等功能，还具有数据自动备份及上传及功能，无须担心数据丢失，主要功能界面如下。

4.1 隧道三维视图

隧道三维视图是本监测管理系统的主界面，如图3所示。利用该界面选择隧道模型和布局，输入隧道断面、支护、初始风量和初始风阻等特征参数；选择确定气体监测设备的安放位置；确定风速检测标准及报警值。

图3 三维试图界面

4.2 数据查看与统计

本功能界面如图4 所示，通过此功能，可以对隧洞内通风设施的通风特性、效率与功率曲线、风量、风压等数据进行查询和统计。

图4 参数查询与统计界面

4.3 隧洞实时通风效果

使用本功能可以查看隧洞通风效果通风实时数据和分析信息，并且根据实际的需求，点击对应的按键，进行相关的功能设置，详情如图5所示。

工程中利用自主开发的施工期隧洞通风监测系统，可以对隧洞施工过程的通风效果进行实时监测。能够及时发现通风设备的异常情况，提醒通风维修人员及时修缮；当污染物含量超出限值时，会发出报警。

5 结语

长距离输水隧洞施工期通风与施工人员的身体安全和施工工期的控制密切相关。结合现场施工实际情况，设计合理的通风设施，能够降低通风投入，保障洞内施工人员的身体健康，缩短爆破通风排烟时间和作业循环时间。

图5 通风实时数据界面

本项目根据实际工程情况，计算了施工期隧洞内所需风量，进而优化设置了通风设施。为了更好地监测通风效果和污染物分布情况，本研究开发了一套施工期隧洞通风监测系统。确保了施工期通风设施的正常运行，排烟效果优良，对类似的长距离输水隧洞工程具有一定借鉴意义。