隧道独头掘进长距离通风施工技术研究

陈孝松

（中铁广州工程局集团第二工程有限公司，广东 广州 510899）

1 工程概况

贵南铁路斗篷山二号隧道位于贵州省黔南州都匀市境内，设计时速350km，单洞双线，隧道全长7805m。全隧为单面坡，坡度为20.5‰，最大埋深约287m。隧址区属侵蚀、溶蚀中低山地貌，隧道穿越山脉，山脊呈北东向延伸。洞身穿越石英砂岩夹灰岩、页岩偶夹赤铁矿以及灰岩夹砂岩、页岩偶夹赤铁矿地层。

斗篷山二号隧道分进口工区、横洞工区和出口工区三个工区，进口工区承担正洞施工长度2021m，横洞工区承担正洞施工长度4071m 及横洞通道532m，出口工区承担正洞施工长度1713m，该隧道各工区具体划分见图1。

图1 隧道各工区具体划分

2 通风方案选择

隧道通风是隧道施工过程中的一项重要工序，通风质量决定施工效率和施工安全。斗篷山二号隧道横洞工区最长独头通风距离为3100m，科学的通风设计、合理的设备选择是实现良好通风效果的基础，而良好的通风效果是保证隧道施工进度、施工安全和作业人员身心健康的关键。目前，国内隧道通风一般采用管道通风和巷道通风技术，巷道通风必须具备平行通风巷道（该项目不适用）。管道通风一般采用压入式、吸出式和混合式等三种方式。

上述三种通风方式的优缺点见表1。

表1 三种通风方式优缺点

隧道施工主要作业区域为隧道掌子面开挖处和距掌子不足200m 处（采用二次衬砌施工方法），其余区域为车辆运输通行，对空气质量要求不高，采取压入式通风可满足通风需求，而且可以采用柔性风筒降低施工成本。

为便于对通风设备的安装及维护，该项目采用一站式通风系统，一站式通风是指仅在洞口设置1 个通风站，中途不安装接力风机，直接将新鲜风送至工作面。一站式通风设备安装简便，但对洞口风机的风压要求较高，其布置见图2。

图2 通风设备布置图

3 隧道通风风量计算

因为有2 个掌子面，计算风量时独头掘进长度取最大值，即3100m。

3.1 按允许回风风速计算风量

式（1）中：Q——计算风量，单位为m/s；

S——最大断面面积，取154m；

V——洞内允许最小风速，根据规范取0.25m/s。

则：Q＝154×0.25＝38.5m/s

3.2 按内燃机械设备总功率计算供风量

使用内燃机动力设备时，隧道的通风量应足够将设备所排出的废气全部稀释和排出。目前多按照内燃机额定系数计算，该工程洞按每kW 供风量不小于3m/min 计算。

式（2）中：N——内燃机功率，单位为kW；

K——洞内出碴时使用内燃机每kW 所需风量，取3m/min；

结合隧道断面、地质水文条件，综合考虑各种工况组合情况，洞内出碴时掌子面使用的内燃机最多，按4 台自卸汽车（150kW）、2 台ZLC50B 装载机（160kW），3 台罐车（200kW），重载100%、空载50%、怠速30%三种工况计算，总功率约为912kW。

则：Q＝3×912kW=2736m/min/60=45.6m/s

3.3 风机供风流量及掌子面供风量确定

由前面计算结果知：Q=Q=45.6m/s，

式（3）中：Q——风机供风量，单位为m/s；

Q——掌子面供风量，单位为m/s；

L——通风管长度，3100m；

β——百米漏风率，取1.0%；

则：Q=45.6/(1-0.01)=62.3m/s=3738m/s

结论：根据计算结果，选择供风量为3738m/min的风机才能满足正洞施工通风需求。

4 风机风压

通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h＞h，按下式计算：

式（4）中：①管口动压h一般可考虑为50Pa。

②沿程压力损失计算：

式（5）中：α——风管摩擦阻力系数，取α =3×10kg.s/m；

L——风管长度，取3100m；

U——风管周边长，π×D=6.9115m；

Q——计算掌子面所需风量，取45.6m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s；

S——风管截面积，π×D/4=3.8013m；

D——风管直径，2.2m；

③局部压力损失，按沿程压力损失的10% 估算：h=h×10%=326Pa

结论：供风压力超过3632Pa 的风机能满足施工要求。

5 风筒选择

该项目中的风筒采用瑞典SWEDFAN 进口原材料，风筒直径φ2.2m，风筒基布采用聚酯材质（表面涂塑化PVC），风筒所有接缝、接头均全密封式焊接（见图3）。风管采用拉链式接头，接头处内外层均有密封保护层，管内压力越高接头处密封越紧密，确保不漏风。经现场试验测量，风机出口流量和掌子面风管末端（见图4）流量完全一致。

图3 破碎处快速修补带

图4 风筒末端缩口

在供风量相同的情况下，大直径的风筒阻力远小于小直径的风筒。因此，根据隧道断面大小，在保证隧道下部空间合理的情况下，尽可能选择直径较大的风筒。在风机的选择上，可选择供风风压小、设备功率小的风机，长期运行能够节约大量电费，使用费用也相对较低。

6 风机选择

根据风量、风压计算结果和现场设备情况，斗篷山二号隧道横洞工区在洞口安装一台瑞典SWEDFAN 型 号2×AVH-R160.160.4.8（2×160kW）高压轴流通风机（见图5），最大风压可达5400Pa，最大供风量67m/s。

图5 高压轴流通风机

7 单台风机负责两个作业面

一般来说，钻爆的隧道可以通过以下工作形成一个循环：爆破之后是出渣、出渣完成后进行打眼撬矛和装药。爆破之后，风机调至全速，确保炮烟尽快排出（通常需要20～40min），炮烟一旦清除，出渣时风机全速运行来稀释洞内的柴油尾气及其他污染物（此过程通常需要90～150min）。出渣后是打眼装药的工作，此项工作需求风量很小。在打眼撬矛装药时，风速可以降低一些（此过程通常需要180～240min），见图6。

图6 风机工作循环时间

一台风机负责两个作业面：一个作业面爆破、出渣；另一个作业面凿岩、装药、打眼等；在横洞与正洞交叉口位置安装两个控制、调节流量的风门，实现两个作业面交替作业，以大大降低成本。

凿岩、装药、打眼等辅助工作对风量的需求很低，风量能需满足作业人员的安全即可。凿岩、装药作业人员按照100 人考虑，每人消耗新鲜空气3m/min，总计消耗新鲜空气为100×3=300m/min。

8 关键技术及取得的成果

当前，我国的长大隧道数量急剧增加，且多采用无轨运输施工技术，无辅助坑道条件下的长距离独头掘进施工通风则成为制约施工进度的难题。由于长距离独头掘进施工的特殊性，对通风效果、用电量与隧道开挖长度的临界值的研究尚有较大空间。因此，国内外研究者对隧道独头掘进长距离通风进行了广泛的研究。

8.1 关键技术

采用先进的新型通风设备和风管保证掌子面的风压和风量，以改善掌子面作业环境，减少有害气体、粉尘等对施工作业人员身体的危害，减少施工机械设备磨损，提高机械设备运转效率、有效提高电能利用率；节能减排、环境保护；降低施工成本。

8.2 取得成果

改善施工环境，提高施工效率，缩短工序循环时间，加快施工进度。风机调至全速，将炮烟排出仅需30min，较传统风机节省20min，平均每循环较传统方式快48min。

通过自动调节不同工序的供风量及供风时间，大大节约了成本。对比斗篷山二号隧道进口（1 个掌子面，通风距离2021m）和斗篷山二号隧道横洞（2 个掌子面，通风距离3100m、2036m）同周期采集的用电量：

表2 贵南2 标斗篷山二号隧道通风对比

斗篷山二号隧道横洞工期为42 个月，电费价格按0.85 元/度计算，采用柯迪发一站式通风系统，累计可节省费用142.9 万元。

9 结语

总而言之，采用隧道通风新设备，可为隧道施工提供行之有效的隧道独头掘进长距离通风解决方法和经验，帮助企业和项目部赢得良好的社会声誉及业主的好评。