长隧道施工通风节能技术之公路隧道施工中的巷道式通风

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隧道的通风顺畅与否直接影响施工人员的身体健康，对于通风条件不好的施工部位，轻则作业面空气污浊，造成施工人员职业病，重则危及施工人员人生安全，因通风不顺、有害气体未及时排除造成人员死亡的案例比比皆是。对于钻爆法施工的长大隧道施工来说，通风问题一直是制约施工进展的重大难题，通风效果不仅直接影响项目成败，其节能减排也一直是技术人员研究的重点和科技攻关的难点，直接影响施工企业的经济效益。

目前，在我国隧道工程建设中，利用平行导坑作为辅助坑道的长大铁路隧道日益增多，平行相邻的长大分离式公路隧道的修建亦不时出现。在铁路隧道施工中，常规的施工通风技术一般都是巷道式通风。即在平行导坑口设置风门安装主风机，将污浊空气由正洞抽出，新鲜空气由平导流入，洞内利用风机将平导的新鲜空气送至不同工作面，形成循环风流。但在公路隧道施工现场，仍较多的采用独头压入式通风方案，不但增加了成本投入，还浪费了社会资源，而采用巷道式通风，既可以提高隧道通风质量，改善隧道运输条件，又能大幅降低隧道通风成本。

常规通风技术与如何降本增效的思考

在隧道施工中，其施工通风技术长期停滞不前，多数施工单位在现场采用经验类比法，通风方案的选择没有理性分析。为了得到教好的通风效果，多采用增加风机功率或增加风机数量的方式予以实现，造成极大的成本浪费。正确的做法是，通过对施工通风相关理论的研究，来找出各个环节与节能增效间的规律，有针对性地采取一些措施，以切实做到降本增效。

通风成本投入的影响因素分析

在施工通风中，主要的成本投入大致分为4个方面：一是施工风机的购置成本，二是风带的购置成本，三是施工期的电费投入，以及施工期间的通风管理。对于长大隧道来说，一般其施工期均较长，在所有通风成本中，电费投入是最大的部分，一般占比在80%至90%，甚至达到90%以上，其余3项支出最大占比约在20%以内。因此，减低风机功率，节约电费开支，对施工单位而言将产生巨大的经济效益。

降低施工风机功率的思路

在风机功率计算公式W =QH K/60η中，风机工作效率η=80%及功率储备系数K=1.15均为常数，变数为风机供风量Q 和风机工作风压H ，它们均与风机功率成正比。无论是降低风机供风量Q 或风机工作风压H ，均能达到降低风机功率的目的。

在朱永全、宋玉香编著的《隧道工程》中，管道的摩擦阻力计算公式为23/f h a L U Q S =???，其局部阻力计算公式为h x =0.612εQ 2/S 2≈0.1h f ，即风机工作风压H=h x + h f ≈1.1h f 。式中，除摩擦阻力系数a =0.002N ·s 2/m 4

为常数不可变外，无论采用缩短供风段落长度L 、还是降低风道流量Q 、或者增加风带直径使风带面积S 增加等措施，均可达到降低摩擦阻力h f 并最终降低风机工作风压H 的目的。

根据张梅、王晓州等编著的《铁路隧道施工通风技术与标准化管理指导手册》，管道风阻力系数计算公式为56.5f L R D α=。在计算平均风量2

m i Q Q Q +=后，管道的摩擦阻力计算公式为23600f i f R Q h =，

其局部阻力计算公式为240.1i

i x f Q h h d ζ=≈∑。根据本公式，采用缩短供风段落长度L 、降低风道流量

Q 、增加风带直径依然是降低摩擦阻力h f 的最有效办法，尤其是风带直径和平均风量对风机工作风压H 影响最大。 在石铁大赖涤泉编著的《隧道施工通风与防尘》中，风带的百米漏风率计算为100100m m Q Q P L Q ?=×，反推漏风系数的计算公式为10011100

L P L P =?。（公式中，Q m 为风机风量，Q m =P L ×Q ；Q 为工作面风量；P L 为漏风系数；L 为通风距离）。根据本公式，在工作面需求风量一定时，降低管道漏风系数P L 是降低风机供风量Q m 的唯一办法，但通过降低百米漏风率P 100或缩短供风段落长度L ，也可达到降低管道漏风系数P L 的目的。

降低施工风机功率的办法

通过对以上相关计算公式的推理，选择合理的通风方式、通风机械、通风管道等相关参数，以达到降低风机功率并最终降低电费投入的目的，并可采取以下办法予以实现：

（1）根据现场实际特点，在净空允许的情况下，尽可能选择最大直径的供风风带，减少长期能耗损失。

（2）采用巷道式通风或在洞内设接力蓄风房等措施，将独头长距离压入式通风变为逐级供风的方式，缩短单级供风段落长度。

（3）选用优质供风风带，降低漏风率。

（4）改变以往的管理思维，加强通风管理，将破损的风带及时更换，而不是修补。

长大公路隧道巷道式通风设计案例讲解

本次通过二公司平天高速关山隧道出口段的实际案例，详细讲解施工通风的计算方法、参数取值、实施方式、类比效果及现场实施措施等，供相关专业人员参考学习。

平凉至绵阳高速公路(G8513)平凉至天水段关山隧道出口标段位于甘肃省庄浪县店峡村S304省道旁斜坡上，起讫里程K79+826～K84+396.944，合同工期3年。隧道施工采用钻爆法开挖，无轨运输，最大通风长度4570m ，洞内设多处车行和人行通道可供利用。

根据项目特点，拟选用巷道式通风作为最终的施工供风方式，并与常规施工通风方法类比，以研究解决如何建立合适的洞内通风系统来满足施工需要，并提出一套独头掘进和巷道式通风的经济技术方案，对以后长大隧道施工通风总结科学的施工方法。

施工通风需求风量计算

设计参数选择为：正洞全断面开挖时，有效爆破深度取4m ，按最大开挖断面计算，开挖面积A =82m 2；单位体积岩石炸药用量，全断面开挖取0.9kg/m 3；排除炮烟通风时间取值20min ；软管百米漏风率，在长距离通风情况下，根据既有施工通风经验，取值P 100=2.0%；柴油机用风指标取值3.0m 3/min ?kW ；自卸汽车隧道内行车速度为12km/h 。

按隧道内施工的最多人数计算需求风量：每人每分钟需要的新鲜空气量q =3m 3/min ，风量备用系数取k=1.2，同时工作人数按m =90计算，则Q 1=k ?m ?q =1.2×90×3=324m 3/min 。

按最低允许风速计算需求风量：最低允许风速υ=0.15m/s ，则工作面风量Q 2=60υ?A =60×0.15×82=738m 3/min 。

按最多炸药用量计算风量：单位炸药用量0.9kg/m 3，循环进尺量4m ，开挖断面积A =82m 2。则一次爆破炸药用量G =0.9×(82×4)=295kg ，炮烟抛掷长度L 0=15+G /5=15+295/5=74m 。计算的炮烟抛掷长度为74m ，但实际应用时，考虑到通风区段长度，要满足掌子面到二衬区段通风需求，一般按100m 考虑，取L 0=100m 。取爆破后通风时间t=20min ，工作面要求新鲜风量采用Ｂ.Ｈ.伏洛宁公式计算为：

33/min;Q =

从以上计算结果比较，按排除炮烟计算风量是所有计算风量中最大的，从安全角度考虑，工作面的设计风量暂取排除炮烟风量Q =1100m 3/min 。

计算平均风速：321100m /min ===0.22m /s 82m 60

Q A υ×＞0.15m/s ，满足最低风速要求。

工作面风量计算及风机选择

根据长大隧道的施工经验，采用压入式和巷道式通风予以比选，以选择最优方案，节约施工成本，不同通风方式中，各部位通风设计距离见表1。

表1 通风设计距离一览

隧道名称

位 置 前方长度/m

后方长度/m

最大通风距离/m

关上隧道

每阶段

/ 1000 1000 第一段 2000 2570 2400 第二段 2000 2570 2600 全 洞

4570

/

4570

风机的供风量按稀释内燃设备废气的要求来确定，采用24t 红岩自卸车出碴，装机功率225kW ；采用ZL50型装载机装碴，其功率为150kW 。重车的负荷率为0.8，空车的负荷率0.3，装载机的负荷率0.7，所有设备的利用率0.8。每辆车装碴循环时间为6min ，行车时速为12km/h 时，重车的行车间距为1200m ，各施工部位机械布置及供风量如表2。

表2 各部位机械布置及供风量一览表

部 位 施工长度/m

重车/辆 空车/辆 装载机/台

内燃功率/kw

供风量/(m 3·min -1)

第一段 2400 3 2 1 600 1800 第二段 2570 3 3 1 848 2544 全 洞

4570

5

4

1

1275

3825

取百米漏风率P 100=2%，采用100

1

1100

L P L P =?计算，各段漏风系数如表3。取工作风量1100m 3/min ，风机风量选择如表4。

表3 漏风系数计算值

L/m 1000 2400 2600 4570 P L

1.18

1.56

1.63

3.18

工作面需求风量取值为1100m 3/min ，根据表2的漏风系数，通风机的风量选择如表3。

表4 不同工况条件下的通风机供风量计算结果

通风长度/m

尾端需求风量 /（m 3·min -1）

漏风系数 计算风量 /（m 3·min -1）

选择风量 /（m 3·min -1）

备 注 所用方案 4570 1100 3.18 3498 4000 三级调速风机 比选方案I 2570 1100 1.63 1793 2400 二级调速风机 比选方案II 2400 1100 1.56 1716 2400 二级调速风机 1000

1100

1.18

1298

2400

单级恒速风机

比选方案III

压入式通风以满足掌子面最大风量需求为主，同时应使整个洞室作业环境也要基本满足要求。本案例中工作面的需求风量仅为1100m 3/min ，按表2稀释尾气后机械需要确定风机风量，自然也满足工作面的风量要求，但采用此计算方法，耗电多不经济，故选择风机时，可适当放宽对风量和风压的要求。

风带的摩擦阻力计算公式23/f h a L U Q S =???，其局部阻力计算公式h x =0.612εQ 2/S 2≈0.1h f ，故计算总阻力损失h=h f +h x 。式中，h 为总阻力，Pa ；a 为摩擦阻力系数，取值0.002N ?s 2/m 4；L 为供风长度，m ；U 为风带周长，采用直径2m 风带，取6m ；Q 为风道流量，m 3/s ；S 为风带面积，3.1m 2；h x 为局部阻力，Pa ；h f 为摩擦阻力，Pa 。

根据以上计算，各段阻力以及局部损失如表5。

表5 不同工况条件下的风压损失计算结果

通风长度/m 供风量/（m 3·min -1）

尾端风量/（m 3·min -1）

沿程损失/Pa

局部损失/Pa

所用方案 4570（风带直径2m ） 4000 1258 3534 360 比选方案I 2600（风带直径2m ） 2400 1472 1090 110 比选方案II

2400（风带直径2m ） 2400 1538 1041 110 1000（风带直径2m ）

2400

2033

550

55

比选方案III 风机功率计算采用公式为W =QH K/60η，带人表5数据，可求得各比选方案施工风机的需求功率为：W 1=367kW ，W 2=83kW ，W 3=55kW 。根据以上计算，各施工作业面的风机具体型号见表6。

表6 不同工况条件下的风机配置（含左右幅）

作业 段落 风机风量 /（m 3·min -1）

风机 风压 /Pa 电机 功率 /kW 风管 直径 /m 风机 型号 数量 /台 合计功率 /kW 安装 位置 备注 全 洞 4000 4000 4×90 2m ZSDF(IV)-NO18 2 720 洞口 方案I 第一段 2400 1500 2×47 2m ZSDF(III)-NO18 2 188 洞口 方案II ， 第二段采 用第一段 风机 第二段 2400 1500 2×47 2m ZSDF(III)-NO18 0 188+44 YK82+420 分阶段

2400

1000

47

2m

ZSDF(I)-NO18

2

94+44

各横洞处

方案III

现场通风布置

常规施工方法中，一般在洞口置1风机，向掌子面压入式通风。考虑该项目工期较长，电能消耗是通风中的首要考虑问题，故设计了单独压入式和巷道式方案予以比较，择优选用。

方案I：全隧道压入式通风

左右洞各4级轴流风机安装在洞外，距离洞口20m以上，直接向掌子面压入通风，通风距离4570m，通风布置见图1。

图1 全隧道压入式通风系统布置

方案II：第一阶段洞外压入式通风

在前期2400m掘进时，左右洞各1台轴流风机安装在洞外，直接向掌子面压入通风，通风距离2300~2500m，通风布置见图2。

图2 第一阶段洞外压入式通风系统布置

方案II：第二阶段洞内巷道式通风

完成2400m掘进后，右洞作为新鲜空气通道，洞外风机移至YK82+420处，并设置风门将风机前后端隔离。1台风机直接向右洞掌子面供风，另1风机通过人行横洞向左洞供风，YK82+180处车行通道作为右洞出渣通道，设置2台射流风机组，引导新鲜空气及污风方向，通风布置见图3。

图3 第二阶段洞内巷道式通风系统布置

方案III：分阶段洞内巷道式通风

洞内人行横洞间距约为500m，车行横洞间距约为700m，考虑到每次完成前方车行横洞时，将

风机前移至前方人行横洞处。1台风机直接向右洞掌子面供风，另1风机通过人行横洞向左洞供风，前方车行通道作为右洞出渣通道，最大通风距离考虑1000m。横洞及右洞共设2台射流风机组，引导新鲜空气及污风方向，已施工段横洞采用防水板等材料封闭，防止形成小循环。通风布置见图4。

图4 各阶段洞内巷道式通风系统布置

实施方案选择

以上各方案均能满足安全要求，但该隧道施工时，因工期较长，需进行经济性比选，以选择最优方案，降低施工成本。根据风机总功率的差异，经计算，各比选方案经济指标如表7所示。

表7 各比选方案经济指标

比选方案

风机总

功率/kW

风机购置

费用/万元

风带购置

费用/万元

施工期间

电费/万元

合计/万元备注

方案I 720 36 82 1037 1155 按满负荷750d考虑方案II 232 33 48 334 415 按满负荷750d考虑方案III 138 25 18 265 308 按满负荷1000d考虑从表7可以看出，采用方案III，相对于方案I，节约费用847万元，占总费用的275%；相对于方案II，节约费用107万元，占总成本的35%，且通风效果好于方案II。从经济性角度考虑，采用比选方案III作为最终实施方案。

现场通风管理

通风方案成败的关键因素在于漏风率的保证，如百米漏风率大于设计值，将会影响到整个方案的正常实施。为确保方案的可行性，在通风管理上特有相应要求。

（1）风机安装时，其支架要稳固结实，以避免风机在运行过程中产生较大的振动。风机出风口处，设置加强型风带与前方普通风带连接，风机与加强型风带的结合处，要多道绑扎，以减少漏风率。

（2）风带挂设要达到平、顺、直的要求。安装时，先标示出挂线的位置，再用电钻钻孔，安装膨胀螺栓，螺栓尾端设弯钩；已衬砌段，根据衬砌台车模板接缝位置，在混凝土浇筑时，可每4m 预埋钢丝绳代替膨胀螺栓。

（3）风带挂钩采用S型铁丝，为避免挂钩受到冲击波振动以及洞内潮湿空气的腐蚀等原因造成断裂，每隔8~10m再增设1个尼龙绳挂圈固定。

（4）拉链风带在接长时，必须使其裙边位于新鲜空气前进方向。风带悬挂要保持高度一致，

吊点要稳固。

（5）长期使用时，风带因疲劳会引起长度延伸，并造成下挠增大。为克服风带变形，每月或每200m进行一次风带检查。检查时，将风带拉紧后，去除其多余部分，采用调整节补足长度。

（6）在风带通过钢筋台架、衬砌台车时，设直径φ2000mm薄皮钢管固定在台车、台架上，并在两端设置喇叭口，使其与风带可相对自由滑动。

（7）除末端50~100m段，其余部位禁止采用旧风带，风带尾端距工作面70m左右。

（8）风机运行过程中，要连续运转，尽量减少停机的次数。为减少突然增压对风带造成破坏，风机必须分级启动，调档间隔时间不少于5min。

（9）配备维修工班，每班作业前，必须先检查风带性能，发现损坏及时处置。破损较为轻微的风带，采用粘补处理；破损区域在15cm以内时，直接粘补；当破损区域超过15cm时，先将破口缝合，再进行粘补，粘补区域面积不小于破损面积的1/3。粘补完毕，10min以后再行送风。对于严重破损的风带，采用更换处理。

（10）机械设备及人员在洞内行进时，与风机、风带要保持一定距离，以保护通风设施。

（11）风机的定位支架、挂索要经常检查，防止因锈蚀或其它原因断裂进而影响通风效果。

本课总结

通过对关山隧道出口段的研究，在分离式公路隧道施工中采用巷道式通风技术，其基本通风思路是：将隧道右幅作为新鲜空气通道，左幅作为污浊空气通道，新鲜空气由右幅单独进入，通过风管向左右幅前方的工作面压入式通风，并在横通道布置轴流风机，引导污浊空气通过横通道由左幅排出，形成循环风流。该技术与传统独头压入式通风比较，主要优点有：1）用洞内小功率的风机代替了洞口的大功率风机，大大减少了风机功率，降低了通风电能消耗；2）显著改善施工环境，通风时间短，空气质量好，缩短了作业循环中的通风时间，提高了工效，加快了施工进度；3）与传统压入通风式或传统巷道式通风相比，风管长度缩短，减低了通风成本。

巷道式通风技术的应用，使长大隧道分解为短小隧道，改善了洞内的施工条件，降低了安全隐患，加快了施工进度，降低了成本投入，可为公司创造了更大的经济效益。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tzpq.html