哈巴雪山隧道通风设计及优化技术研究

2022-11-21马建华胡雯杰田伟权林克

安徽建筑 2022年11期

马建华，胡雯杰，田伟权，林克

(1.中国铁路昆明局集团有限公司滇西铁路建设指挥部，云南大理 671000；2.中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州 313000)

0 引言

随着我国经济建设的大力发展和西部大开发力度的进一步加大，基础设施建设也得到了迅猛发展[1-4]。在各项基础设施建设中，公路建设和铁路建设中长大隧道的通风问题一直是隧道行业的难题，通风效果的好坏直接影响到整个隧道施工的空气质量，进而影响到各个作业面施工人员的身体健康，通风方案的选择是影响通风效果好坏的直接决定因素[5-7]。因此，解决长大隧道通风问题至关重要。

国内学者针对长大隧道通风问题进行了一定的研究。方磊[8]研究了通风模型试验方法，进行了通风模型各系统的基本性能试验，确定了合理的通风模型试验参数；贾宝林等[9]人结合干阳沟隧道斜井通风实际问题，对通风参数进行了研究，提出了水幕降尘与通风机相配合的通风降尘方案；罗衍俭[10]调研了国外隧道通风实例，并进行了总结分析，提出了解决通风问题的建议；夏永旭[11]研究了我国长大公路隧道施工过程中通风存在的技术问题，并提出了解决通风问题的主要思路。

长大隧道通风较为困难，隧道的通风问题又各具特色，哈巴雪山2#横洞工区平导是哈巴雪山隧道关键线路，最长通风距离超过4100m。目前该工点主要采用多组风机接力通风，但由于通风距离长、折点多以及风筒直径难以统一，导致掌子面处含氧含量偏低、有害气体含量偏高，直接影响作业人员及机械施工效率。因此，本文依托哈巴雪山隧道2#横洞与正洞交叉处通风问题，研究隧道掌子面所需空气量、风机选型，对比分析不同通风方案效果，提出合理的通风方案。同时，为了保护隧址区生态环境，设计了洞口活性炭装置，降低了隧道内废气对环境的影响。

1 项目概况

1.1 工程概况

丽江至香格里拉线铁路位于云南省西北部，南起大丽铁路丽江车站，向北跨越金沙江至香格里拉，全长139.666km。线路起点连接大理至丽江铁路，并通过该铁路和广大铁路与成昆铁路相连。由中铁十六局承建的哈巴雪山隧道位于香格里拉市虎跳峡镇境内，全长9523m，分1#、2#横洞及斜井工区组织施工，是全线控制性工程之一，隧道除进口段367m为平坡外，其余段分别为13.25‰（430m）、28.1‰（8540m）、28.5‰（186m）单面上坡施工。哈巴雪山隧道平面示意图如图1。

1.2 2#横洞工区通风概述

哈巴雪山隧道属于高海拔，8度烈度区单线长隧，2#横洞工区平导通风长度超过4100m，目前主要采用接力法通风（洞口处2台110kW风机+1800m处2台110kW风机+2500m处2台75kW风机），距离长且过程中需经过横洞转支洞、支洞转平导、平导转横通道、横通道转正洞等多次转折。2#横洞工区平导虽设置了多处接力风机，但由于隧道受大变形影响导致净空变小，无法统一风筒直径，且通风筒经过多次转折后风损极大，导致施工现场通风效果差，氧气含量偏低、有害气体含量偏高，且该工点围岩主要为炭质板岩，存在局部瓦斯富集的情况。为有效解决隧道长距离、多转折的通风理论研究及现场问题处理措施，以哈巴雪山（长坪）隧道2#横洞工区平导开展现场试验研究，该工点是哈巴雪山（长坪）隧道关键线路，通风问题解决效果将直接影响现场施工效率，进而影响丽香铁路全线能否如期贯通。

2 隧道通风量计算及风机选型

2.1 隧道通风量计算

根据相关规范[12]，隧道通风量主要从四个方面进行考虑，分别是洞内工作人员所需风量、规定时间内稀释一次性爆破所产生有害气体的允许浓度所需风量、洞内允许最小风速所需风量、洞内施工设备总功率所需风量等，按照以上风量需求的最大值确定隧道通风量。

①洞内工作人员所需风量Q1

根据相关规范[12]，隧道内每人每分钟所需新鲜空气标准为3m3/min，隧道内工作人员最多为50人，风量备用系数取1.25，因此

②规定时间内稀释一次性爆破所产生有害气体到允许浓度所需风量Q2

哈巴雪山隧道正洞横断面积约75m2，一次爆破的炸药消耗量按144kg计算，炮烟抛掷长度为15+144/5=43.8m，通风时间按30min计算，因此

③洞内允许最小风速所需风量Q3

按照相关规范[12]，洞内允许最小风速取0.15m/s，因此

④洞内施工设备总功率所需风量Q4

按照相关规范[12]，1kW机械设备所需风量不小于3m3/min，隧道内作业时按照1台ZL50D型装载机（功率158kW/台）、3辆自卸车（功率196kW/台）计算，取机械设备平均利用率为70%，因此

综合以上计算哈巴雪山2#横洞-平导最长通风距离按4100m计算，考虑到通风过程中的漏风损失，平均100m漏风率取1.3%，漏风系数为1/((1-1.3%)4100/100)=1.71，则实际通风需求量为1566.6m3/min×1.71=2678.89m3/min。

2.2 隧道通风阻力计算

隧道通风过程中伴随着一定量的风阻，只有明确通风过程中的风阻，才能为风机选型提供更好的依据。

①摩擦风阻Rf

风筒的摩擦系数按1.6×10-3，风筒的直径按1.5m计算，因此

②风筒通风阻力hL

摩擦风阻Rf为5.62Ns2/m3，最大需风量为稀释设备内燃尾气为1566.6m3/min，所需通风机供风量为2678.89m3/min，因此

③风筒出口局部阻力hx0

风筒出口的局部阻力系数为1.0，最大需风量为稀释设备内燃尾气为1566.6m3/min，风筒的直径按1.5m计算，因此

④所需风机风压hmT

2.3 风机选型

风机的选型要满足风量和风压的要求，由于最长通风距离超过4100m，因此，选用接力通风方式，横洞洞口风机型号选用驭创风机2×ZVN1-14-160/4（高效风量3120m3/min，最大全压7000Pa，功率160kW），交叉口风机型号选用驭创风机2×ZVN1-14-110/4（高效风量2880m3/min，最大全压5200Pa，功率110kW）。通风方案布设如图2所示。

图2 2#横洞工区通风平面示意图

哈巴雪山隧道2#横洞进入正洞及平导后，随着通风距离的加长，洞内施工环境变差，温度升高，隧道出渣时，机械设备增加，导致污浊空气排出较慢。另外，在交叉口处风阻增加也是造成通风不畅的主要原因之一。经实际测量，隧道内10#横通道小里程工作面氧气含量20%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量24PPM、硫化氢含量0PPM，隧道内气温为35.3℃，总体通风效果一般。

3 隧道通风方案优化

随着2#横洞大里程与斜井小里程区间正洞贯通，在“烟囱效应”的作用下，2#横洞洞身通风情况得到了极大的改善，为隧道通风优化提供了条件。因此，提出了隧道通风优化方案，即取消洞口处2台串联110kW风机，距横洞口1800m处（距离平导口300m）2台110kW风机改为1台110kW风机，距横洞口3100m处（距离11#横通道口200m）设1台75kW风机，距横洞口3700m处（距离10#横通道口100m）设1台75kW风机，10#横通道内设1台55kW风机，通过计算满足现场通风要求。方案优化后总体通风距离缩短1800m，风机总功率由6台690kW减少为4台315kW，总风机数量减少33.3%，风机总功率降低54.3%。优化后通风布置图如图3所示。

图3 优化后通风布置图

采用该方案后，隧道洞内污浊空气排出速度加快，洞内环境满足施工要求。经实际测量，隧道内10#横通道小里程工作面氧气含量20.96%VOL、瓦斯含量0%LEL、一氧化碳含量20PPM、硫化氢含量0PPM，隧道内气温为27.6℃，通风效果得到较好的改善。

4 隧道通风废气减污技术

隧道内产生废气的来源诸如爆破出渣、机械废气等，这些废气排出隧道后会对生态区大气环境造成一定的污染。由于隧道内空气温度较高，废气一般是在隧道内空上部排出，因此，提出了基于活性炭装置的隧道废气减污措施，如图4所示，活性炭装置布设在距洞口20m处，位于风机下游。在隧道洞口布设吊篮，吊篮内装满活性炭，当隧道内废气排出时，会经过活性炭装置，使部分废气被活性炭装置吸附，减少隧道内废气对环境的污染。