特长高速公路隧道高效通风的施工管理与控制分析

臧浩宇 盖明

摘要：高效通风可改善隧道施工环境，提升空气质量，保障人員健康。但特长隧道施工通风难度大、风险隐患多，需结合项目所处区域、结构设计，建设高效通风体系，加强施工管理，使通风效果符合施工需求。本文以某高速公路特长隧道项目为例，分析特长高速公路隧道高效通风的施工管理、通风施工风险控制的具体思路，以优化长距离隧道掘进、建造时的通风方案，科学选用风机，完善隧道施工组织保障机制和隧道通风技术体系。

关键词：特长隧道；高速公路；施工；施工管理

DOI：10.12433/zgkjtz.20240742

高速公路特长隧道施工技术复杂，内部施工间距长，施工环境特殊，通风不畅会含有大量有害物质，危及施工人员健康安全。为建立高效通风体系，应根据特长隧道施工特点，合理设计通风系统，优化通风参数，使通风施工管理标准化，有效控制长隧道施工风险，提高高速公路特长隧道的建设效率。

一、项目概况

某高速公路隧道项目，全长7.56km，最大埋深

0.76km，属于高海拔特长隧道。隧道主洞桩号为K00+

120～K18+150，平行导洞桩号为PK00+120～PK18+

150，施工长度分别为3567m、3712m，包括土石方开挖作业、洞内防护工程、隧道支护施工等子项目。主洞净宽10m，净高5m，侧向宽度0.5m，行车道为3.5×2m，设计速度60km/h，公路等级为二级公路。

二、特长隧道通风方式

（一）机械通风

基于通风系统设置形式，机械通风分为压入式、压出式、混合式三种。

第一，压入式。应用风机稀释开挖面气体、粉尘，传送新鲜空气，排放有害气体及污染物。通风期间，通风管道内新鲜空气、污染混合物会相互作用，降低风速后，增加射流断面，新鲜空气压入后污染混合物反向流出。压入式通风稀释效果良好，可全面排放洞内污染物。但需考虑风机、通风管损失和动能，预防污染物回流。

第二，压出式。风机可设置于隧道洞室外、洞室内，风机启动后抽出有害气体，加压促进新鲜空气流动。压出式通风排污效果好，需风量小，无回流风险，通风施工管理方便。但吸程短，通风管要求高，常用于有轨隧道。

第三，混合式通风。组合应用压入、压出式通风技术。压出式风机为主风机，通风组合为大功率风机+柔性风管。配合压入式风机，辅助通风，集成通风优势，延长通风长度。但需控制通风管道搭接长度，不小于20m。主机风量应大于辅机风量，通风管、洞口间距符合要求。

（二）既有通道辅助通风

基于“长隧短挖”目标，应用斜井、竖井、平行导洞等既有通道设置通风体系，缩短通风距离。第一，洞口安装风机，平行导洞侧挖通风区，洞口设置风门，作业面临近通道作为通风通道，促使风流循环。主风机启动后，平行导洞内负压值增加，新鲜空气流入，进入主洞掌子面，实现通风供氧。第二，应用“无风门巷道式射流通风技术”更换风机，布设射流风机，增大风量，改变风机压力，直接导入风流。第三，分别在斜井、竖井安装风机，利用钻孔、井道流出有害气体，建立自然风压，利用隧道高差辅助通风除尘。

三、特长高速公路隧道高效通风施工设计

项目采用压入式通风方案，主洞、平行导洞通风参数设计如下：

第一，压入式通风长度分别为3570m、3720m，主洞通风管直径1.8m，平行导洞通风管径1.5m。

第二，隧道断面75m2、37m2，通风管均为单管。

第三，需风量分别为主洞2300～3612m3/min，平行导洞1900～2960m3/min，风压为8500Pa、13850Pa。主洞风机为变频节能对旋轴流通风机，设有2台，最大功率180kW。平行导洞风机最大功率为2×110kW，转速1480r/min，风机型号SDF（c）N13，设有4台。

第四，主洞、平行导洞洞口10m处需设置轴流风机，均实施压入式通风。主洞洞口轴流风机为2台180kW风机，平行洞口风机为110kW风机4台。

四、特长高速公路隧道高效通风施工管理与控制思路

（一）优化通风参数

1.需风量

隧道施工过程中，各类工况通风所需风量有所差异，需准确计算隧道施工需风量，确定“最小风量值”。项目采用压入式通风方案，压入式通风需风量计算公式如下：

（1）

其中，Q为施工作业面风量（m3/min），t为隧道施工所需通风时间（min），G为隧道开挖、掘进爆破药量（kg），L为隧道临界长度（m），A为隧道掘进断面面积（m2），φ为淋水系数。P为1.5、1.8柔性通风管漏风系数，b为隧道施工时污染混合物总量。对于特长隧道，掘进长度较大，爆破后隧道内炮烟需稀释至标准值，炮烟流动时，掌子面稀释、标准值产生时炮烟流动距离为临界长度。计算公式如下：

（2）

其中，K为隧道紊流扩散系数。隧道通风管径、压入式通风有效射程是影响紊流扩散系数的主要数据，取值范围约为0.4～0.8。

2.通风阻力

隧道施工通风阻力包括局部阻力、摩擦阻力。其中，摩擦阻力存在于隧道施工全过程，为通风主要阻力，包括层流摩擦阻力、紊流摩擦阻力两种。

第一，层流阻力为通风过程中，空气分子流动时，阻止空气分子运动的摩擦力。隧道通风量为Q时，层流摩擦阻力为每平方米空气需消耗的能量，该数值与隧道通风风速、风量变化成正比关系。

第二，紊流阻力是空气质点相互作用后的阻力，计算公式如下：

（3）

其中，hf为紊流阻力（Pa），L为通风管长度（m），D为管径（m），λ为达西系数，ρ为流体密度（kg/m3），v为平均风速（m/s）。为保障隧道通风效果，改善施工环境，需提前计算通风阻力，优化通风设计参数，保障特长隧道通风质量。

3.风机参数

项目属于特长隧道，基于压入式通风方案，安装轴流风机时，应确保风机风量、风压的合理性。

第一，风机转速、安装角度明确后，产生的风流量为恒定值，计算公式为：

（4）

其中，QZ为通风机风量（m3/min），P为风管漏风系数，Qmax为需风量（m3/min），D、d为通风设备动轮外径、直径（m），ca为通风机出气口气流分速度（m/s）。

第二，风压为隧道通风机全压，根据公式计算：

（5）

其中，公式中，γ为空气重率（N/s2），η为通风机全压通风效率，g为重力加速度，?为通风机轮速。高海拔地区，通风机全压值会变化，施工时应及时监测通风机特性曲线、海拔高度值，调整风压。

（二）明确通风施工要求

1.主洞通风施工

第一，单头压入时，通风间距低于1500m，计算平均风速时，应严格遵守隧道通风施工管理规范，确保最低平均风速取值合理。项目主洞压入式通风时，隧道土方开挖断面面积为80m2，计算后平均风速取值0.23m/s。

第二，持续开挖后，隧道两侧开挖长度大于1500m，通风距离长、难度大。为保障通风效果，应移动风机，设于主洞右洞内，配合该区域既有巷道优化通风设计。左洞需实施排烟处理，具体施工时应封闭左右洞前侧人行通道，沿线安装通风机、射流风机。通风机安装位置应根据隧道开挖、施工点位灵活调整，确保隧道内空气质量符合要求。

2.斜井辅助压入通风

部分区域利用斜井辅助压入通风，斜井通风管道与主洞连接。施工时可基于隧道进口方向布设3～4个通风断面。

第一，设置4个通风断面，断面沿隧道进口方向开挖，开挖长度大于150m、小于300m时，直接启动通风机，压入计算风量，供氧通风。斜井两侧通风装置独立运行，通风管道负责方向不同，可结合隧道施工设计，合理调整通风管道供风区域，预防通风高峰。斜井两侧开展爆破作业时，应安装射流风机，及时处理爆破作业后的环境问题。

第二，从斜井出口区域两侧开挖，主洞、进口区域未贯通前，连接斜井两侧排风管道，建设风室，风室密闭，设有轴流式通风机。正式施工后压入新鲜空气，同时向多个作业面供风。为保障通风效果，需增加通风管道直径。

（三）完善隧道通风施工设计

1.合理布局

为预防隧道通风系统产生循环风、回流风，出风口位置应与洞口保持一定距离，间距大于30m。作业过程中，通风管需设于隧道拱腰处，便于推进流水作业。通风管、掌子面间距合理，符合通风辐射要求。为减少通风作业量，可配合使用其他降尘、排烟设备，降低通风难度。

2.优化配置

优化隧道内通风机配置，增强通风机性能。

第一，施工作业为开挖、掘进，需贯通人行通道。施工通风采用压入式通风设计，主洞设置2台轴流风机，风机型号为SDF（P2）－N017/2，2台射流风机。平行导洞配置4台轴流风机，1台射流风機，轴流风机型号为SDF（C）N012.5/2。设立风机型号均为SSF－N014/30kW。

第二，进尺1600m后，调整通风方案，贯通行车通道。可将平行导洞作为辅助送风巷道，在车行道后55m处布设轴流风机，共安装4台，通风机功率分别为180kW、110kW。主洞、平行导洞连接后，横通道处需布设风门，阻隔污染混合物，预防污浊空气回流。平行导洞排污时，通道需安装射流风机引流、排污，经主洞回风巷道排出隧道洞口。为保障新鲜空气供应量，平行导洞洞口处压入送风设备可采用110kW轴流风机，洞内均匀布设射流风机。例如，距离洞口约200m处安装3组6台射流风机，风机功率为30kW，每组风机间距100m。

3.加强管理

第一，防漏降阻。对于特长隧道通风施工，应基于防漏降阻目标，降低通风管道漏风率、减小通风摩阻系数，确保风机输送距离长、通风效果好。首先，控制风管接头数量，采用柔性风管，风管接长后严格检验接口处密封性。风带破损后应立即修补，并移动风带至掌子面，必要时应更换风带。其次，风管表面、内壁干净，材质老化时间长，具有防水、抗燃特点。最后，适当增加风管节长度，控制风量损失，项目风管各节长度设计为30m。

第二，合理控制通风时间。隧道爆破后，通风时间应大于15min。隧道掘进深度增加后，可适当增加通风时间，确保废气、废烟及时排出。

第三，重视通风系统维护管理。持续监测轴流通风机、射流通风机等通风设备运行状态，记录运行参数。定期检查、检修通风设施，发现故障后立即处理，降低通风质量风险。通风施工过程中加强安全培训、施工管理，通过统一安全教育、技术培训活动，增强施工人员安全意识，提升通风技术能力，确保隧道通风效果。

例如，可安排专业通风管道施工管理小组，使其及时维修、保养、检查风管，调整不顺、不平区域，发现风管存在漏风现象后及时处理。通风管道破损长度、宽度小时，可采用补缝工艺修补。管节破损严重、难以修补时需立即更换，控制管道漏风系数，确保通风管道密封度。操作风机时，应组织专业技术人员值守，严格按照规定操作风机，确保风机状态良好、稳定。

第四，做好排烟处理。通风期间，可应用大循环无风门排烟技术，辅助排烟，或应用水幕降尘器排烟、降尘，确保隧道爆破、掘进时，土石方出渣时不扬尘，通风效果良好。项目采用镀锌钢管作为降尘装置，钢管上钻入小孔，套装闸阀，一端堵死后紧靠掌子面安装。安装后开闸，释放水雾，以此降尘、辅助排放炮烟。

隧道行车洞每60m可设置3m×2m排烟口，安装组合风阀。排烟时采用单侧、双侧组合排烟方式，保证隧道各区段排烟效果，使通风机送风、排风曲线保持稳定，减少近端排烟量过大、远端排烟量不足问题。

第五，排查隧道通风隐患。首先，结合特长隧道通风系统设计，监测风机电能传输路径。排查风机控制箱、配电室线路连接情况，保证风机电流传输稳定性。其次，检查风机预埋件、连接点的固定情况。风机自重、隧道内渗水、爆破施工等因素会导致风机设备、风管元件松动问题，影响通风效果。可采用专用仪器，检查、加固风机，使其稳定性、安全性符合要求。再次，控制风机电阻，使风机电机绝缘正常，电流平衡稳定，叶片正常旋转。例如，运用万用表测量风机外壳、电机绝缘情况，测试电机运行时的电流值，观察叶片旋转状态。第四，隧道施工环境较差，作业面灰尘、湿度会影响风机设备运行状态。施工期间应结合隧道风机设备运行需求，加强环境管理，做好通风机清、查、测、检的维保工作，全方位排查通风设备安全隐患，保障隧道通风质量。

五、结语

综上所述，通风是隧道施工关键内容，高效通风效果可改善隧道内施工环境，保障施工人员安全。高速公路特长隧道项目中，建设方应基于隧道长距离、工艺复杂等特点，满足内部通风需求，模拟通风技术，对比隧道通风方案，筛选最佳通风设计，及时排出隧道内污染物、有害气体，保障工人健康，提升特长隧道施工进度，为高速公路隧道交通体系的完善创造有利条件。

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作者简介：臧浩宇（1989），男，内蒙古自治区乌兰察布市人，工程师，本科，主要研究方向为特长隧道施工现场管理；盖明（1987），男，内蒙古自治区巴彦淖尔市人，工程师，本科，主要研究方向为山区高速公路桥梁隧道施工管理。