高海拔特长山岭隧道施工通风技术

张文坤

（中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000）

1 引言

近年来，我国建设项目逐年增多，隧道建设处于飞速发展的新时期，其中山岭隧道的数量在不断增加，建设规模也不断增大。就国内现状而言，相较于中部及东部地区，西部地区隧道发展相对落后，以长远眼光来看，加速规划西部公路建设将成为发展重点。由于西部地区独特的地理位置，特高、特长隧道似乎已经成为西部山岭隧道建设的必然选择。

由于地理和气候的差异，在高原地区和平原地区特长山岭隧道中的施工要求有所不同。高原地区有害气体排放量大，同时施工人员需求新鲜空气量大，由于是在特长山岭隧道中施工，随着隧道长度的增加，在施工中对隧道的通风要求也越高，从而需要加大特长山岭隧道施工中通风设备的功率。高原地区的气候与平原地区相比，隧道内的空气循环规律也存在差异，在高原地区山岭隧道施工中不能运用平原地区的通风技术［1］。因此，亟需一种适用于高海拔地区的特长山岭隧道专项施工通风技术。

2 工程概况及施工通风重难点

2.1 工程概况

九绵高速平地螺旋隧道工程位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县勿角乡境内，设计为双线四车道分离式特长隧道。左幅长3 727 m，右幅长3 600 m，纵坡2.4%，平曲线半径左线 R783.615/Ls200/R860/Ls200，右线 R830/Ls250，拱顶最大埋深约436 m。洞门进口左、右幅均为抗偏压端墙式洞门，出口左、右幅分别为抗偏压端墙式洞门和柱式洞门。

在隧道的出口后段位置处设计长449 m、最大埋深110 m、纵坡为6.39%的斜井一处，洞门设计为端墙式。

2.2 隧道施工通风重难点

（1）平地螺旋隧道处于高海拔山岭地区，隧址海拔最高可达3 300 m，沟谷地貌发育，地形切割强烈，山坡较陡，平均坡度 30°～50°。

（2）隧址区海拔高，含氧量较少，气压偏低，隧道内外存在气压偏差，通风效果难控制。

（3）隧道线形为螺旋线形，使隧道内空气流通不畅，隧道送风与排风易受阻，风速受线形原因损耗大。

（4）隧址位于野生大熊猫保护区域，对通风除尘环保要求较高。

3 高海拔特长山岭螺旋隧道施工通风方式

常见的隧道通风方式通常分为两种：第一种是机械式通风，第二种是自然式通风。其中机械式通风又通过其实施方式的区别细分为压入式、巷道式、抽风式、混合式四种通风方式。但是选取何种通风方式应用在实际隧道工程中必须要考虑很多因素，如隧道的地理环境和施工环境，必须讲究因地制宜。自然式通风大都在短隧道中应用，而对于长大山岭隧道，一般选择机械式通风［2］，其在海拔高、隧道长的条件下能否有效通风需要进一步深入研究。

（1）压入式通风

通过位于隧道外部的风机，将隧道外的新鲜气体运输至隧道内部，并将浑浊气体挤压至隧道外部，这就是压入式通风的原理［3］。该通风方式有很多优点，送风距离长、效果好、对风机的损害小等。但也存在很多缺点，比如风阻随着风筒长度增加而增加，接头处不容易密封等，见图1。

图1 压入式通风布置示意

（2）抽出式通风

抽出式通风原理与压入式通风原理截然不同，隧道内的污浊气体由负压风管抽出，新鲜气体则以自然通风的方式于洞口处灌入［4］。采用抽出式通风，其负压风管风口与隧道内的有毒有害气体在同一空间，排出污浊气体效果更好、所需通风量更少，并且不会让隧道整体乌烟瘴气，能保持良好的施工环境。但由于负压的原因，只能采用塑料硬管或钢管，对材料的要求比较高，导致其造价较高，且存在装卸不便的问题，从而洞内形成良好施工环境所需时间较长，影响下一步工作的展开，对工期影响较大，见图2。

图2 抽出式通风示意

（3）混合式通风

压入式、抽风式相互融合即为混合式通风。这种通风方式工作时间短，效率高、施工进度快［5］。但混合式通风所用仪器复杂、设备占用面积大，且噪声污染较为严重，所以仅适用于大断面长距离隧道，见图3。

图3 混合式通风示意

（4）巷道式通风

布设辅助坑道亦为一种较好的隧道通风方式，并且辅助坑道、施工方法以及设备条件对巷道式通风装置、通风方式的选择影响很大，选择巷道式通风在很大程度上减少了施工成本的支出。由于风管只在局部布设，使得装置不仅在操作方面变得相对简单，而且在通风效率方面也有所提高［6］。但此通风方式由于需要辅助坑道，增加了工程量，对隧道整体施工进度产生一定的影响，见图4。

图4 巷道式通风示意

平地螺旋隧道独头掘进约1 800 m，需要综合考虑各种情况，不仅需要考虑隧道内通风除尘的效果，还需分析现场实际状况，平地螺旋隧道通风方案拟采用独头压入式通风［7］。

4 高海拔山岭螺旋隧道施工通风技术方案

4.1 通风计算和风机选择

4.1.1 风量计算

（1）按隧道内施工人员（施工人员≤100人，每人按3 m3/min）计算

Q＝100×3＝300 m3/min

（2）按允许平均风速（正洞vp＝0.15 m/s，辅助坑道vp＝0.25 m/s）计算

正洞截面积＝90 m2，则：

Q＝0.15×60×90＝810 m3/min

（3）按照排除炮烟（有害物质按100 PPm）计算

取一次掌子面爆破炸药用量，以隧道正洞最大量计算单耗Q＝1.0 kg/m3，一个循环长度l＝3 m，则：1×90×3＝270 kg。

炮烟抛掷长度：

L0＝15＋G/5＝15＋270/5＝69 m

通风时间t＝20 min（可根据实际情况选取）。

（4）按照洞内稀释内燃设备产生的废气（用额定功率系数法，CO按50 PPm）计算

取一个掌子面出洞渣时的最大运距s＝1 800 m，即功率P＝170 kW，自卸车3台，按照功率3 m3/（min·kW）计算。

运输车Q＝170×5×3＝2 550 m3/min。

（5）通风机风量

按隧道允许最低风量vp＝810 m3/min和排除掌子面炮烟所需送风量850 m3/min，掌子面风量按照850 m3/min选取。计算结果见表1。

表1 隧道掌子面所需最大风量

4.1.2 风机风压计算

管道风阻系数Rf＝6.5αL/D5

α为摩阻系数，一般取0.001 9～0.002 4，本文取0.002 2；L为风管长度；D为风管直径。通过计算，掌子面风压见表2。

表2 隧道施工掌子面风压计算值

4.1.3 风机型号选择

为了满足隧道内所需要的风压和最大通风量，通过计算最终选用风机型号见表3，具体为天津同创152BD-2SE132型对旋式隧道风机。

表3 各工区风机型号及参数

4.2 通风节能管理

（1）实施变风量送风管理

随着隧道掘进长度逐渐增加，运渣车数量及排放废气的时间也相应增加，不同施工阶段所需风量也不相同，即便是隧道施工全过程的同一作业循环过程中，各不同的施工工艺所需风量也不同，即通风量需随工艺和现场情况而确定［8］。

（2）实施变风量、双风管通风及排烟系统

对长大辅助坑道的通风而言，通过对比选择，最终选用双管压入通风，避免了在一开始就采用大风机、大通风管进行通风导致风量过剩的问题［9］，减少了电量不必要的浪费，有利于施工的节能控制。

5 通风效果分析

采用CFJD5型和CFJD25矿用电子式风速表来检验独头压入式通风的工程效果［10］。依据现场施工状况，对隧道内部的风速、粉尘浓度、有害气体浓度开展监测和数据研究，共设置了3处监测点，距离洞口由近到远依次为监测点3、监测点2、监测点1，监测点2处于监测点1和监测点3的中间位置，监测点1距洞口为150 m，监测点3距洞口为50 m。3监测点位置均相差50 m，且在隧道的轴心对称线上，设计高度为2 m。在爆破完成后，测量15 min与30 min时各监测点的气体流动速度、粉尘与各有害气体的密度等各项数据的变化率，见图5～图8。

图5 通风15 min后不同距离处有害气体浓度

图6 通风15 min后不同距离处风速

图7 通风30 min后不同距离处有害气体浓度

图8 通风30 min后不同距离处风速

由图5与图6可知，隧道通风15 min后，随着与洞口距离的增加，各有害气体以及粉尘浓度逐渐降低，而风速逐渐增大。风速v＞10 m/s时，监测点2处CO浓度最高，为26 mg/m3＜30 mg/m3，符合有害气体浓度规范［11］。在监测点3位置处，CO含量为129 mg/m3，粉尘和其他气体含量都处于超标状态，通过分析最终结论为污浊气体在通风作用抵达监测点3处所致。隧道衬砌及其他阻力作用对气体流动产生影响［12］，从而导致v≈0.3 m/s。

根据图7和图8可知，隧道通风30 min之后，距离隧道洞口150 m到掌子面处粉尘与有毒有害气体浓度可忽略不计，且v≈10 m/s。监测点2处的风速v≈0.7 m/s，空气粉尘和有毒有害气体含量也可以忽略不计，即距离隧道洞口100 m处的有害气体及粉尘浓度趋近于150 m处，说明在通风30 min以后，隧道内的污浊空气基本排净；在洞口50 m附近空气粉尘和有害气体含量也可忽略不计，风速v≈0.1 m/s。通过数据分析可知，30 min后隧道内的有毒气体基本已排空，且气流稳定。

6 结论

本文依托位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县勿角乡境内的山岭隧道项目，对高海拔山岭隧道施工通风进行讨论与分析，并得出以下结论：

（1）通过对比研究的方式，并结合现场情况，对诸多高海拔隧道通风方式进行对比论证，最终选定独头压入式通风的通风方式。

（2）通过对高海拔山岭隧道施工各项通风参数进行计算分析，制定出采用独头压入式通风的高海拔山岭隧道通风专项技术方案。

（3）通过在施工现场对隧道爆破施工后的粉尘与风速进行监测，证明了高海拔山岭隧道施工通风专项技术方案的可行性和有效性，为其他类似隧道施工通风技术提供了宝贵经验。