卧龙沟一号隧道施工通风设计

马培新，刘文军，胡伟峰

卧龙沟一号隧道施工通风设计

马培新1，刘文军1，胡伟峰2

（1.青海省公路建设管理局，青海 西宁 810001；2.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011）

高寒高海拔螺旋隧道的施工通风受到海拔、隧道螺旋性等因素的影响，通风效率低下，施工通风方案设计应与平原常规隧道相区别。针对卧龙沟一号隧道高寒、高海拔、螺旋性等特点，考虑各方面因素进行通风方案修正计算，并给出相应的施工通风安全管理方案和建议，供同类隧道参考。

高原；螺旋隧道；风机参数；通风设计

随着隧道技术理论的发展，越来越多的隧道工程将在施工环境更恶劣的高原地区建成，给隧道的施工通风带来了巨大的压力，而高寒高海拔螺旋隧道的施工通风同时受到海拔、隧道螺旋性等因素的影响，通风效率更为低下[1]。

由于目前对于高寒高海拔螺旋隧道施工通风没有系统的设计计算方法，施工单位往往倾向于借鉴平原地区直线隧道的施工通风设计参数。本研究以卧龙沟1号隧道为依托，针对卧龙沟一号隧道的高寒、高海拔、螺旋性等特点，考虑各方面因素进行风机参数设计计算，为今后该类隧道的通风的优化设计提供参考。

1 工程概况

卧龙沟一号隧道是西北地区首条处于高寒高海拔地区的螺旋型隧道，施工条件恶劣，气压低。隧道为一座上下分离的高速公路长隧道，隧道左线全长2 626 m，右线全长 2 554 m，左、右线单向坡度分别为2.55%和2.52%，隧道最大独头掘进长度为1 300 m，因此施工通风采用压入式通风方式。隧道范围内海拔约3 000 m，洞外大气压平均为 70.106 kPa。

卧龙沟1号隧道右线进口平面线形为圆曲线，= 1 255 m，接缓和曲线，-120 m，再接圆曲线出洞，= 700 m；左线进口平面线形为圆曲线，=1 288 m，接缓和曲线，-140 m，再接圆曲线出洞，=720 m。卧龙沟1号隧道尺寸如图1所示。

图1 卧龙沟1号隧道隧道线型

2 计算参数

卧龙沟一号隧道主洞内轮廓采用单心圆形式[2]，拱半径为5.61 m，净空面积为64.49 m2，隧道施工采用两端独头掘进，独头掘进最大长度为1 300 m，采用压入式通风，风管直径为1.6 m。施工通风系统横断面如图2所示。

图2 卧龙沟1号隧道横断面

卧龙沟一号隧道施工通风详细参数如表1所示。

表1 卧龙沟一号隧道施工通风计算参数

名称取值（数值）单位 通风隧道总长1 300m 隧道净断面面积64.49m2 爆破最大用药量140.3kg 风管直径1.6m 烟雾抛甩距离根据计算确定m 隧道内最大同时施工人数45人 C50装载机2台 220挖掘机1台 25 t自卸机器4台

3 结果分析

3.1 施工通风参数计算

3.1.1 海拔修正系数

高寒高海拔螺旋隧道施工通风的需风量计算方法需要在普通常规隧道施工通风的计算方法上进行修正。因为随着海拔高度的增加，大气压力降低，空气重率和密度降低，出现了高原修正系数γ[3]，通过式（1）（2）能够计算出具体海拔高度的γ值，而γ值的倒数所反映的就是高原空气膨胀率，即海拔高度为0处的空气在高寒高海拔地区体积会膨胀1/γ倍，因此，高寒高海拔隧道施工通风需风量也必须依此进行高程修成。

随着海拔高度的增加，大气压力降低，单位体积中气体分子数减少，空气稀薄，空气重率和密度降低有以下关系：

=0（1－/44 300）4.256（1）

式（1）中：0为常压下的空气密度，一般为1.2 kg/m3；为海拔高程。

随着海拔高度的增加，大气压力降低，出现了高原修正系数：

式（2）中：γ为高原修正系数；z为高程处的空气密度；0为海平面处的空气密度，一般取1.2 kg/m3。

计算得高原修正系数γ=0.74。

3.1.2 风量修正计算

3.1.2.1 按洞内最多工作人员需风量修正

高寒高海拔隧道中，隧道内每人供应新鲜空气量为 4 m3/min（平原地区为3 m3/min），则按工作人数计算修正风量如下：

1=4（3）

式（3）中：1为工作面同时作业最多人数所需风量，m3/min；为高程修正系数1/γ；为隧道内最多工作人数。

计算得1=243 m3/min。

3.1.2.2 按炸药用量修正风量

在高原隧道环境下，炮烟体积膨胀，此时产生的有害气体体积增加了1/γ倍，则根据式（4）计算风量：

限制最低风速是为了给隧道内排尘，这种计算风量的方法主要考虑的是隧道内风速因素，而与空气重率等无关，所以海拔高度对排尘风量无影响，因此不考虑高原修正。

《公路隧道施工规范》规定，全断面开挖时风速不应小于0.15 m/s，导坑内不应小于0.25 m/s。

3=60··（5）

式（5）中：为工作面最小风速，全断面开挖取0.15 m/s；为隧道断面面积，64.49 m2。

代入式（5）得3=580.4 m3/min。

3.1.2.4 按稀释和排出内燃设备废气修正风量

在高原环境下，由于含氧量低，普通柴油机的耗油量和废气排放量有所增加，在低气压的高原条件下，内燃设备排放的废气也发生体积膨胀。根据高原情况下CO的限值要求，对隧道施工采用内燃机械作业时，作出如下建议：海拔2 km以下时，供风量不宜小于3 m3/（min·kW）；海拔2～3 km时，供风量不宜小于3.5 m3/（min·kW）；海拔3～4 km时供风量不小于4 m3/（min·kW）；海拔4～5 km时供风量不小于4.5 m3/（min·kW）；海拔5 km以上时供风量不小于 5 m3/（min·kW）。

式（6）中：4为稀释内燃设备废气所需的总风量，m3/min；为单位功率内燃设备供风量，取4 m3/（min·kW）；i为每种内燃设备的额定功率，详见表2。

笔者设计了一种十字交叉型悬臂梁约束支撑微纳测头。基于压杆失稳原理，利用压电装置改变悬臂梁的轴向受力以改变其刚度，进而改变约束支撑机构的整体刚度。基于最小势能原理建立约束支撑机构的刚度模型，为计算变刚度控制过程所需压电驱动力提供重要的理论依据，并通过有限元仿真验证理论模型的准确性和变刚度调节的可行性。

表2 卧龙沟1号隧道内燃设备配置表

机械名称配置台数工作台数单机功率/kW C50装载机21142 220挖掘机11114 25t自卸机器42186

计算得4=2 512 m3/min。

卧龙沟一号隧道内工作面需风量计算值如表3所示。

表3 工作面需风量计算

序号计算需风量方法分类计算结果/（m3·min-1） 1按洞内同时工作的最多人数计算Q1243 2按排出炮烟计算Q2360 3按允许最低平均风速计算Q3580 4按稀释和排出内燃废气计算Q42 512

取上述计算风量的最大值作为计算风量：d=max（1，2，3，4）=2 512 m3/min。

3.1.3 通风机所需供风量

由于风管在送风过程中存在漏风[4-5]，因此，将漏风率考虑进去，用管道漏风系数对设计风量进行修正，作为通风机的设计风量：

式（7）中：为管道漏风系数；为百米平均漏风率，取1.2%；为通风距离，m。

则通风机所需供风量为：

=d（8）

式（8）中：为风机的设计风量；为管道漏风系数；d为计算风量。

计算得：=1.17×2 512=2 939 m3/min，即48.98 m3/s。

3.1.4 管道压力损失及通风机全压

管路的摩擦风阻计算公式为：

式（9）中：f为管路的摩擦风阻，kg/m7；c为摩擦系数；为空气密度；为过风断面当量直径；为风管百米漏风率平均值；为隧道长度；为风机风量。

平面曲线半径＜2 000 m的曲线隧道，沿程阻力系数可按式（10）计算：

c=1.823 5·-0.078（10）

式（10）中：c为曲线隧道壁面摩阻损失系数；为隧道壁面摩阻损失系数；为曲线段平面曲线半径，m。

将=0.019 4、=0.9 kg/m3、= 1.6 m、=1.2%、= 1 300 m、= 48.98 m3/s代入式（9）中，得f=4 935 Pa。为简化计算，局部阻力损失取为沿程阻力损失的10%，即t=0.1f=0.1·4 935=493.5 Pa。

通风机工作风压按通风系统克服局部阻力、沿程风阻之和计算，即t=max（f+t）=4 935+493.5=5 429 Pa。

3.1.5 通风机功率

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》[5]，考虑在海拔高度为3 000 m左右电气电机功率下降9%，为保证隧道通风正常需风量，将轴流风机功率调高使用。

式（11）中：为通风机供风量；t为通风机工作风压；为通风机工作效率，取60%（电气电动机功率为平原地区的91%）。

3.1.6 通风机参数

由以上计算可知选择的通风机的最低技术参数要求为：=2 939 m3/min，t=5 429 Pa，=487 kW。

3.2 施工通风方案

根据卧龙沟一号隧道的工程地质和水文地质条件，现拟用如下实施方案。

由以上计算可知选择的通风机最低技术参数要求为：=2 939 m3/min，t=5 429 Pa，=487 kW，使用SDF(B)-4- N2.5轴流风机进行通风，风机详细参数如表4所示。

表4 风机详细参数

风机型号风量/（m3·min-1）风压/Pa最大配用电机功率/kW SDF(B)-4-No12.51 550～2 9121 378～5 355110×2

针对如上通风风量和风压需要，并针对曲线上坡排风的不利条件，经认真研究比选，施工通风决定分两个阶段分别采用如下两种通风方式，在第二阶段（掘进长度超过750 m）时增设一台轴流风机进行接力通风。隧道内分段风机布置方式最低技术参数要求如表5所示。

表5 各阶段风机最低技术参数

阶段掘进长度/m风机风量/（m3·min-1）风机风压/Pa风机功率/kW风机布设台数备注 15002 6701 557.4127.02掘进长度超过750 m时增设接力风机 7502 7502 559.52152 21 0002 8323 740.0323.94 1 3002 9395 4294874

注：风机布设台数为左右线台数之和。

施工通风采用单管压入式通风，通风机在进口洞外30 m安装，根据隧道掘进长度调频使用，当掘进长度较短时，使用一级低速运转，随着进度增加，依次使用一级高速、二级低速、二级高速。采用1.6 m直径柔性通风管道，通风管随掌子面的推进接长，接长到距离掌子面约25 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。

第一阶段：前期隧道掘进长度在750 m以下，只依靠在隧道出口处布置一台轴流风机压入式通风方式运行，为避免发生污风循环，洞口风机需要安设在距离洞口30 m以外。当掘进长度较短时，使用一级低速运转，随着进度增加，依次使用一级高速、二级低速、二级高速。

第二阶段：当高速档也不能满足需要风量风压时，进入第二阶段。当掘进长度超过750 m，在洞内加设一台轴流风机作为接力式风机。

通风布置如图3所示。

图3 隧道施工通风纵断面布置

经研究发现，螺旋隧道风管布设于隧道曲线内侧拱腰处时通风效果较好。因此，卧龙沟一号隧道施工通风采用单管压入式通风，将风管贴壁布设于隧道曲线外侧拱腰处距底部2 m左右，采用=1.6 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25 m处，隧道施工通风横断面布置如图4所示。

3.3 通风安全管理

卧龙沟一号隧道工作面200 m附近范围内区域，至少需要通风12.2 min后才能完全达到施工安全要求，对于1 300 m的长距离压入式通风，全隧道空气环境至少通风40 min才能达到施工安全要求。

图4 隧道施工通风横断面布置

隧道爆破后，不建议立即进入隧道内施工，若遇紧急情况必须进入隧道内，也必须在通风30 min后，选择恰当时机进入，机械也应沿隧道曲线内侧浓度较低处行驶，避开CO气团峰值。

回流向隧道出口方向运动，沿隧道坡度呈下坡运动，CO密度较其他气体小，受浮升力作用，CO气团在运动过程中被向上抬升，氧气则沉积在隧道底部运动，因此CO气体主要集中于隧道拱顶处和隧道曲线外侧。针对这一特点，施工通风若要设置射流风机时优先考虑布置于螺旋隧道曲线外侧拱腰或拱顶处，将有效提升有害气体排出效率。

3.4 高寒高海拔螺旋隧道施工通风注意事项

该隧道为小半径螺旋曲线隧道[6]，曲线最小半径为 700 m，半径小，风管也随隧洞曲线布置，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。

隧道是上坡施工，集中升坡，进出口高差达67 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。

在施工过程中施工机械及人为因素会造成风管破损，导致风力损失增加。需及时派人对风管破损处进行缝补，并使风袋接头尽量顺直。

4 结论

对于高寒高海拔螺旋隧道，受海拔因素和螺旋线型的影响，施工通风效率降低，必须按照新的标准进行设计通风参数设计。根据卧龙沟一号隧道的工程概况，采用工程实际参数，在3 000 m海拔高度及螺旋半径=700 m及最大掘进 距离为1 300 m的参数下进行隧道施工通风设计计算，并给出相应的施工通风安全管理方案和建议，为同类工程提供 参考。

［1］杨立新.现代隧道施工通风技术［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］高峰，张捷，连晓飞，等.螺旋隧道独头掘进压入式通风参数研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2019，38（4）：41-46.

［3］张仕杰.浅谈高原地区长大隧道施工通风风量计算［J］.铁道标准设计，2011（Suppl 2）：60-62.

［4］刘钊春.独头掘进隧道施工通风数值模拟［D］.西安：西安理工大学，2010.

［5］陈建平，吴立.地下建筑工程设计与施工［M］.武汉：中国地质大学出版社，2000.

［6］李治强，周建新，武旭升.干海子小半径螺旋隧道施工通风技术［J］.西南公路，2009（4）：143-145.

U455.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.004

2095－6835（2021）01－0009－04

马培新（1969—），回族，大学本科，高级工程师，研究方向为公路工程。

〔编辑：严丽琴〕