滇中引水工程香炉山深埋隧洞施工长距离通风研究

朱 学 贤，倪 锦 初，张 治 军，帖 熠，凌 旋

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

长距离通风是深埋长隧洞施工中的关键技术之一，作为施工期通风，保证通风效果与经济性是深埋长隧洞施工中一对较难解决的矛盾。

滇中引水工程是解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程，已纳入国务院批复的《长江流域综合利用规划简要报告(1990年修订)》《全国水资源综合规划(2010～2030年)》《长江流域综合规划(2012～2030年)》。该工程以解决滇中地区的城镇生活及工业用水为主，兼顾农业和生态。受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河6个州(市)的35个县(市、区)，国土面积3.69万km2；补水湖泊为滇池、杞麓湖和异龙湖[1]。

滇中引水工程主要建设内容包括水源工程和输水工程两个部分。香炉山隧洞是滇中引水线路中最长的深埋隧洞，长约62.60 km，共布置10条施工支洞作为施工通道，采用“TBM法+钻爆法”的组合施工方案。隧洞海拔高程约1 994～2 035 m，各施工支洞洞口高程约1 994～2 508 m。施工斜井开挖断面尺寸约7.9 m×7.2 m(宽×高，下同)、施工平洞开挖断面尺寸约9.5 m×7.8 m。输水隧洞为圆形断面，开挖直径9.1～10.0 m。TBM段最长通风距离为23.05 km，钻爆段最长通风距离为3.94 km，具有通风断面大、最大独头通风距离长，施工通风时间长等特点。隧洞施工期需风量大、风压高，对通风机、风管和接头都有很高的技术要求。

2 香炉山长隧洞通风防尘卫生标准

为了保障地下施工人员的身心健康，保证安全生产，我国相关行业都对地下施工作业环境的卫生标准做了明确的规定[2]。依据GBZ 2.1-2019《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》和SL 303-2017《水利水电工程施工组织设计规范》等，并结合香炉山隧洞的施工方案，确定了香炉山隧洞通风防尘卫生标准。

地下洞室开挖施工过程中，洞内空气中氧气体积不应小于20%，有害气体和粉尘容许含量详见表1。

表1 空气中有害气体和粉尘容许量Tab.1 Allowable values of harmful gases and dust in the air

开挖施工时，地下洞室内平均温度不应超过28 ℃，洞内风速可根据不同的洞内温度按表2进行调节。

表2 洞内温度与风速的关系Tab.2 Relation between temperature and wind speed in tunnel

对采用钻爆法施工的隧洞工作面附近的最小风速不应小于0.25 m/s，最大风速应不超过表3规定。

表3 钻爆法洞井内最大容许风速Tab.3 Maximum allowable wind velocity in tunnel for drilling and and blasting method

当采用TBM施工通风时，工作面要求的风量除了应满足排尘风速要求外，还应满足TBM机组设备散热、冷却、人员舒适性的要求，按最低风速0.5 m/s考虑。

该工程所处位置大部分位于海拔2 000 m以上，计算出的通风量应乘以高程修正系数。

3 香炉山长隧洞施工期通风方案及方式

3.1 通风原则

隧洞施工期通风是使洞外的新鲜空气不断补充到洞内，消除洞内有害气体在洞内滞留和相互串通现象，创造良好的施工环境，确保施工人员的身心健康和地下洞室施工安全、高效地进行[3-4]。隧洞施工期通风设计应遵守以下原则：

(1) 施工通风设计应尽可能降低通风技术难度，便于施工管理。

(2) 各工作面都必须采用独立通风，严禁任何两个工作面之间串连通风。

(3) 通风系统布置必须满足施工人员正常呼吸及冲淡机械废气、有害气体及降温等的最小通风量，并保持洞内空气最小流动速度。

(4) 各工作面应尽量利用最近的支洞和隧洞进出口作为通风口，以缩短通风距离[5]。

(5) 风管选择应从通风效果和经济性考虑，通风距离较短的工作面采用漏风率较高、经济性较好的风管，通风距离较长的工作面采用漏风率低、价格较高的风管。

(6) 为降低设备采购量和便于管理，风机型号不宜过多、过杂[6]。

3.2 通风方式

根据工程经验，香炉山隧洞采用风管式通风方案。通风方式有压入式、吸出式和混合式3种[7-8]。

(1) 压入式通风方式的优点：有效射程大，冲淡和排除炮烟的作用比较强；可以用柔性风管。缺点：长距离排出炮烟需要的风量大，通风排烟时间较长，回风流污染整条隧道。

(2) 吸出式通风方式的优点：在有效吸程内排烟效果好，排除炮烟所需的风量小，回风流不污染隧道。缺点：吸出式通风的有效吸程很短，风管口离工作面很近，易受爆破飞石损坏；如风机布置洞外，只能采用硬风管；如布置洞内，需随掌子面的开挖频繁移动，噪声大。

(3) 混合式通风方式的优点：结合了压入式和吸出式的优点，通风能力强；吸出风机的送风长度相对较短，需要的风量也较小[9-10]。缺点：作为吸出式的风机布置在洞内，需随掌子面的开挖频繁移动；需要两套以上的设备，运转费用高。

香炉山隧洞要求采用边开挖边衬砌的施工方法，隧洞内除了自卸车、进料矿车、钢模台车通行外，还要布置风、水、电管道和人行道，如采用吸出式或混合式的通风方式，在洞内布置风机较困难，需要频繁移动风机、拆接风管，会延长施工时间，降低施工效率，不利于施工总工期控制。

综合比较，采用洞外布置风机与压入式通风方式的方案。

3.3 通风方案

根据香炉山隧洞施工支洞布置特点，按照独头工作面通风距离最短的原则进行施工期通风方案设计[11-12]。

对于钻爆段，每个工作面只有一个对应的施工通道(主洞进出口或对应的施工支洞)，其施工通道作为通风通道。

对于TBMa段(上游向下游掘进的TBM)，在施工TBMa-1时，选择最近的3-1号施工支洞作为通风通道；在施工TBMa-2时，选择最近的5号施工支洞作为通风通道。对于TBMb段(下游向上游掘进的TBM)选择7号施工支洞作为通风通道。香炉山长隧洞施工通风方案示意见图1。1号和2号施工支洞作为勘察试验性工程先行实施。

图1 香炉山长隧洞施工通风方案示意(尺寸单位：km)Fig.1 Schematic diagram of construction ventilation scheme for Xianglushan tunnel

3.4 通风计算

根据香炉山隧洞施工程序、方法、施工设备配置及确定通风方式，计算出满足施工人员正常呼吸及冲淡、排出地下有害气体等的通风量。考虑通风散烟的时间、一次起爆药量、隧洞断面的最小风速要求、施工人员与机械废气稀释的要求等因素，计算施工人员所需风量、压入式通风散烟、爆破散烟所需风量，按最大通风量选择通风设施[13-14]。

该工程所处位置大部分位于海拔2 000 m以上，通风量需考虑高程修正系数，取1.4。

3.4.1施工人员所需风量

施工人员所需风量按洞内同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给3 m3的新鲜空气。洞内使用柴油机械时，按每千瓦每分钟消耗4.1 m3风量计算，并与工作人员所需风量叠加。计算公式如下：

Qp=vpmK

式中：Qp为施工人员所需风量，m3/min；vp为洞井内每人所需新鲜空气量，水利工程按3 m3/min计；m为洞井内同时工作的最多人数；K为风量备用系数，取用1.10～1.15。

通过计算，各个工作面施工人员需风量约110 m3/min。

3.4.2使用柴油机械时通风量

施工柴油机械时通风量计算公式如下[15]：

Vg=υ0P

式中：Vg为使用柴油机械时的通风量，m3/min；υ0为单位功率需风量指标，取4.1 m3/(KW·min)；P为洞内同时工作的柴油机械的总额定功率，kW。

根据工程经验，自卸车、装载机等柴油机械采用净化器、微粒过滤器尾气处理后，可降低其有害气体的排放量。

通过计算，各个工作面使用柴油机械的需风量约1 850～2 120 m3/min。

3.4.3钻爆施工洞段爆破散烟所需要风量

根据之前分析，该工程采用压入式通风方式，通风计算公式：

式中:Vy为压入式通风计风量，m3/min；t为爆破后的通风时间，min；Q为同时爆破的最大药量，kg；S为隧洞的断面面积，m2；L为隧洞长度，m。

从开挖面至稀释炮烟到安全浓度的距离L′可按式L′=400 m计算，当L

通过计算，各个工作面爆破散烟需风量约2 090～2 232 m3/min。

3.4.4TBM施工洞段需风量计算

TBM施工段需风量主要受风速控制，其计算公式为

Qd=60vminSmax

式中：Qd为保证洞内最小风速所需风量，m3/min；vmin为洞内容许最小风速，TBM法取0.50 m/s；Smax为隧洞最大断面面积，m2。

通过计算，TBM施工段需风量约1 809 m3/min。

3.4.5需风量确定

根据以上各工况的通风量计算，香炉山长隧洞钻爆施工段各工况各通风口需风量见表4。

表4 香炉山长隧洞钻爆施工段各工况各通风口需风量Tab.4 Air demand of each vent under various working conditions in drilling and blasting section of Xianglushan tunnel

根据计算结果，按满足不同需风工况要求计算出来的需风量相差较大，通风系统的供风能力应能满足工作面对风量的最大要求，即钻爆施工洞段受爆破通风散烟工况控制，TBM施工洞段按风速控制。

3.5 不同掌子面供风量计算及通风设备选择

根据各施工方法、最大需风量以及通风长度，选用相应的通风管进行计算，其中通风距离超过3.00 km以上时采用漏风率较小的通风管，小于3.00 km的采用经济性较好的普通通风管。香炉山长隧洞施工通风计算及设备选择见表5。

表5 香炉山长隧洞施工通风计算及设备选择Tab.5 Ventilation calculation and equipment selection for Xianglushan tunnel

4 施工期通风三维仿真计算与分析

采用Ventsim三维通风仿真系统对香炉山长隧洞施工期通风进行三维仿真计算。该软件可以在三维环境中进行输水隧洞通风系统设计、通风过程模拟和可视化通风管理，通过设置颜色图例，对风流、压力、通风成本和其他主要通风参数进行建模，显示结果非常直观，可以对温度、有害气体扩散进行动态模拟，可对通风系统进行经济性评价，在保证安全通风要求的前提下，优化通风网络和节约通风成本。

Ventsim采用最常用的Hardy-ross法进行风网解算(回路法)，根据模型属性数据、风量平衡定律、风压平衡定律、风阻定律来建立数学模型，经过多次反复拟合修正，使各分支风量达到预定的精度时结束计算。

4.1 典型隧洞段通风仿真模型及参数

选择香炉山隧洞2号施工支洞上、下游钻爆段和香炉山隧洞7号施工支洞上游TBM段作仿真模型分析。两典型隧洞段通风仿真三维模型分别见图2～3。

图2 香炉山隧洞2号施工支洞通风仿真模型Fig.2 Ventilation simulation model of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

图3 香炉山隧洞7号施工支洞通风仿真模型Fig.3 Ventilation simulation model of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

4.2 隧洞通风仿真参数

根据前述供风计算，典型隧洞段施工通风风管、风量与风速等有关参数如表6所示。

表6 典型隧洞段通风风管、风量与风速有关参数Tab.6 Parameters of ventilation duct，air volume and wind speed in typical tunnel section

钻爆法和TBM法施工隧洞在进行施工通风时隧洞进行了锚喷、钢拱架等初期支护，采用初期支护隧洞作为通风回路形成壁面风阻，摩擦系数取0.012 kg/m3。

4.3 隧洞通风仿真分析

通过Ventsim仿真计算，香炉山隧洞2号施工支洞上、下游控制段风管内风速为9.6 m/s，隧洞内风速为0.6 m/s；7号施工支洞上游控制段风管内风速为10.3 m/s，隧洞内风速为1.2 m/s，均达到了设计通风标准。

钻爆法施工通风污染物组成主要包括有害气体和粉尘等，其中有害气体主要包括一氧化碳、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢[4，8]等。根据隧洞施工爆破相关规范，上述有害气体统一折合为一氧化碳进行计算[16-17]，即隧洞钻爆法施工每千克炸药爆破产生有害气体折合一氧化碳量约40 L。粉尘主要为岩石开挖爆破产生二氧化硅粉尘，每千克炸药爆破产生粉尘量约54.2 mg，其中80%以上为粒径小于10 μm的呼吸性粉尘。按以上原则，可估算香炉山隧洞2号施工支洞控制段每循环产生一氧化碳约5 520 L，粉尘量7.7 mg/m3；7号施工支洞上游控制段污染物主要以粉尘为主，粉尘量0.5 mg/m3。

经计算，香炉山隧洞2号施工支洞控制段上、下游污染物稀释最长时间分别为25 min和23 min；7号施工支洞控制段上游污染物稀释最长时间为20 min。典型隧洞段施工通风仿真结果见表7，通风仿真计算视图分别见图4～5。

表7 典型隧洞段施工通风仿真结果Tab.7 Ventilation simulation results for typical tunnel section

图4 香炉山隧洞2号施工支洞通风仿真计算视图Fig.4 Ventilation simulation result of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

图5 香炉山隧洞7号施工支洞通风仿真计算视图Fig.5 Ventilation simulation result of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

仿真分析是对典型控制段最大独头掘进距离最不利情况进行分析，通过最不利情况分析可知典型控制段通风方案能满足经常性通风和强制性通风的需要，通风量及风速满足工作面施工要求，通风效果良好。

5 结 语

通风散烟是香炉山长隧洞施工安全生产的重要环节，也是施工难点。根据香炉山长隧洞施工方案，计算分析确定了各施工期环境控制标准和各工作面的需风量。基于对国内已建和在建地下工程施工通风方案的调研和综合分析，规划了施工通风总体方案，确定了风机型号和功率、风管直径等。在此基础上，采用通风仿真软件对不同方案的通风网络进行仿真计算，结果表明该工程设计的隧洞长距离通风方案是可行和可靠的，能满足经常性通风和强制性通风的需要。