公路隧道 2010年第1期(总第69期) 方斗山隧道施工通风技术探讨 李集光 (中铁隧道集团一处有限公司重庆401121) 摘 要介绍了目前隧道施工通风的主要方式、使用条件，以石忠高速公路方斗山隧道为例，通过对通风条件分 析、经济性比较，并对通风机的选择进行了参数计算；论述了巷道式通风在分离式双洞单向行车的长大公路隧道运 用的可行性及优越性，对改善施工环境、缩短施工工期、控制工程成本有着重要的实际意义，为类似工程的施工提 供参考。 关键词 长大公路隧道施工通风设计 I 刖瞢 随着我国经济的发展，对道路交通的要求越来 越高，公路建设不断向高等级、高速化发展。由于高 等级公路对线形、纵坡要求高，修建长大公路隧道的 机会将不断增加。长大隧道往往是控制工期的关键 性工程，但普遍存在通风效果差、工期紧的特点，因 此加强隧道施工通风技术的研究，对改善施工环境、 缩短施工工期、控制工程成本有着重要的实际意义。 2 目前国内外主要的施工通风方式 按供风来源分有自然通风和机械通风两类。 机械通风按风道的类型和风机安装位置有风管 式通风、巷道式通风、风道式通风3种。 2．1 自然通风 利用新鲜风流的扩散作用与工作面的空气掺 混，逐渐使洞内的污浊空气排出，从而达到通风换气 的目的。扩散通风只在极短的隧道掘进中才有效， 且换气时间长，一般不采用。 2．2 风管式通风 风流经由管道输送，分为压人式、抽出式、混合 式3种。 (1)压人式通风 采用通风机把新鲜空气经风管压人工作面，污 浊空气沿隧道流出。新鲜风流从风筒出口流出以 后，由于空气分子的径向运动，在风流边界上与炮烟 等污浊空气相互掺混，发生动量交换，使风速逐渐降 低，而射流断面逐渐扩大，在通风过程中炮烟随风流 排出。 (2)抽出式通风 通风机或局部扇风机经风管把工作面的污浊空 气抽出，新鲜风流沿隧道流入。 · 56 ’ (3)混合式通风 混合式通风方式即有一路为压人式通风，主要 作用是送人新鲜空气；另一路为排风方式，主要作用 是吸出污染空气，从而达到快速降尘的目的。 2．3 巷道式通风 在两条平行隧道之间，每隔一段距离用联络横 洞贯通，然后在两边工作面采用压人式通风。压人 式风机安装在进风隧道内，污浊空气沿另一条平行 隧道流出。 2．4 风道式通风 利用隧道成洞部分隔出一条断面2～4m 的通 风道，以减少风管长度增大通风量。 3 方斗山隧道工程概况 沪蓉国道主干线是交通部规划的“五纵七横”国 道主干线中的“一横”，东起上海，经南京、合肥、武 汉、重庆至成都，是国家重点公路干线的重要组成部 分。石(柱)忠(县)高速公路是沪蓉国道主干线中的 一段，位于重庆东部。B12合同段方斗山隧道位于 石柱县大歇乡，左线全长7562m，右线全长7600m， 为西南地区最长公路隧道。 方斗山隧道为全线最长的隧道，是全线控制性 工程之一，设计为分离式双洞单向行车隧道，左、右 洞间距40m，每隔700~800m设一个车行横通道。 左线进口段长3797m，右线进口段长3795m，隧道建 筑限界宽10．5m，高5m。 隧道左、右线分别从进1：1方向独头掘进，形成两 个工作面，开挖支护一定距离后，根据施工进度和地 质情况合理安排后续工程施工。 隧道施工采用无轨运输，光面爆破开挖，复合式 衬砌。开挖采用钻爆法，装载机配合自卸汽车出碴。 李集光方斗山隧道施工通风技术探讨 4 通风方式选择 4．1 自然通风 自然通风适用于短隧道，独头掘进在300m 以 内时可使用这种通风方式，且通风时间长，因此不适 用于长大隧道通风。 4．2 风管式通风 风流经由管道输送，分为压入式、抽出式、混合 式三种。 (1)压人式通风 单机可用于100~800m 内的独头隧道内，多机 串联可用于800~1800m内的独头隧道内。优点是 通风距离较长，能较快排除工作面污浊空气，易于拆 装。缺点是污浊空气流经全洞，造成全隧道空气污 染。 (2)抽出式通风 适用于长度在400m 以内的隧道或配合压人式 通风使用。优点是新鲜空气流经全洞，不会造成洞 内空气污染。缺点是新鲜空气流经全洞到达]_作面 时已不太新鲜，要求风管未端距工作面不超过10m， 布置上较困难，通风效果差。 (3)混合式通风 混合式通风兼有以上两种方式的优点，但要布 设两路管路，投人大，增加养护工作量，同时占用隧 道空间，干扰运输作业。 4．3 巷道式通风 适用于有平行导坑的长隧道，这种通风方式断 面大，阻力小，可供较大的风量，是目前解决长隧道 通风比较有效的方法。 4．4 风道式通风 适用于隧道比较长，一般风管式通风难于解决， 又无平行导坑可利用的隧道。 4．5 经济性比较 隧道通风方式主要有风管式通风、巷道式通风、 风道式通风。 巷道式通风与风管式通风：风管式通风在隧道 掘进到3800m 时，左、右线使用风管数量不小于 7600m，同时风管式通风的风阻大，通风量较小。而 巷道式通风风量大、通风时间短、风机配置少，经济 优势明显。 巷道式通风与风道式通风：风道式通风须在隧 道内修筑风道，增加工程成本，同时由于修筑风道， 减小了隧道的车行空问，给施工安全增加了不安全 因素。 4．6 通风方式选择 通过以上对通风方式的适用条件、优缺点比较， 巷道式通风方式最适用于长大公路隧道施工通风， 同时具有明显的经济效益。方斗山隧道设计为分离 式双洞单向行车隧道，左、右洞间距40m，每隔700 ~ 800m设一车行横通道。因此方斗山隧道可以左 洞为进风道，通过车行横通道，将右洞设为排风道， 通风条件可以满足巷道式通风的要求。因此，方斗 山隧道使用巷道式通风是可行的。 5 所需风量计算 隧道断面积为80m ，按隧道掘进长度达到 3800m时进行风量计算。 5．1 设计计算采用的劳动卫生标准 (1)一氧化碳最高允许浓度30mg／m。； (2)二氧化碳不得大于0．5 (按体积计)； (3)氮氧化物为5mg／m。以下； (4)洞内最高平均温度不大于28℃ ； (5)洞内噪音不得大于90dB(A)； (6)洞内最小排尘风速不得小于0．25m／s； (7)粉尘浓度小于2mg／m。(含有10 以上游离 Si()2的粉尘)，水泥尘小于6mg／m。(含有1O 以下 游离Si 水泥粉尘)。 5．2 方斗山运渣车辆数量计算 根据施工组织进度要求，每天进度达到9m，根 据施工方法每天开挖3个循环，因此出碴时间限制 在180min内。 当隧道开挖到3800m时按装碴连续性要求的 车辆数量 N=(2×L1／ 1+2×L2／ )／s+1 一(2×3．5／10×60+2×0．3／5×60)／4+1 — 13．3-~13辆 (1) 式中： L 一非施工段长度，3500m； 一非施工段安全行车速度，取10Km／h； L2～施工段长度，取300m； V 一施工段安全行车速度，取5Km／h； S一两个装碴机装碴时间； 根据出碴量验证是否满足时间要求： T=L×S1× ／V× +(2×L1／V1+2×L2／V2) T一3×8O×1．4／10×4+(3．5／10×604-0．3／5 × 60) ===159rain~ 180rain (2) 式中： · 57 · 公路隧道 2010年第1期(总第69期) 卜出碴总时间； L一循环进度3m； K一松散系数，取1．4； 一每车运碴方量，取10m。； ￡一每车装碴时间，取4rain； Ll、 、L2、 同式(1)。 经计算满足总出碴时间要求，出碴车辆数取14 辆。 5．3 满足出碴时通风量计算 Q1一n1×ql+n2×q2 (3) 式中： ～ 挖、装机械台数，取2台； q 一每台挖、装机械每马力排出废气量，取1．26 m。／rain·HP： n 一同时工作的汽车台数，取14台； gz一每台汽车每马力排出废气量，取0．84m。／ min ·H P。 代人式(3)，Q1===2×1．26×497+14×235× 0．84=4016m3／min 考虑进料车、罐车、内燃机械以及车辆使用年限 等因素，修正系数取1．3。 Q1=4016×1．3===5221(m。／min) (4) 5．4 爆破、排尘的需风量计算 稀释爆破有害气体所需风量，根据施工组织安 排，稀释至允许范围内的通风时间为30min。 Q2一 丽 (5) 式中： ￡一稀释通风时间，取30mini A一每次爆破用药量，取380kg； L一稀释区长度，取200m。 代入式(5)得：Q2一 J U 一1196 m。／rain 5．5 洞内最多工作人数所需风量 Q3=q· ·k (6) 式中： q一洞内每分钟人均需新鲜空气，取3m3／minl 一洞内最多同时工作人数，取120人； 一备用系数，取1．25。 代入式(6)得： =3×120×1．25=450m3／min 5．6 最大所需通风量 经比较洞内所需最大风量为出碴时的风量与施 工人员所需风量之和。 Q=Q1+ 一5221+450=5671m3／min (7) 洞内风速：5671÷60-80—1．18m／s (8) 按最大风量考虑，风速满足洞内最小允许风速 0．15m／s，并不大于最大允许风速6m／s的要求。 6 风机选择及配置 6．1 通风机选择 SFD系列通风机的主要参数见表1。 表1 SFD系列通风机主要参数表 根据计算最大风量需求选择通风机械，由表1 风机技术参数，可选用SFDIl NQ12．5型通风机。该 风机技术参数为功率2×ll0KW，出口风速40m／s， · 58 · SFDII No12．5 280O～ 1500 2× 37 2000~ 1500 2×18．5 1500~800 出风口面积1．226m ，风量可达到2800～ 1500 II1。／rain，两个风机并联可满足风量要求。 6．2 通风阻力计算射流风机台数 李集光方斗山隧道施工通风技术探讨 6．2．1 通风阻力计算 == = (Σ ·9．8·C~／(2gS。)+Σ ·9．8· L ． ·Q2／s2)+0．0612Σ ．Q2／(s—S ) (9) 式中： V车一局部阻力系数； 一隧道内沿程磨擦阻力系数； 一正阻力系数； L 隧道长度； 一隧道周长； Q 计算风量； g一重力加速度； S一隧道面积； S 一障碍物面积。 左、右洞阻力见下表2。 表2 通风阻力表 代人式(9)得：／kPc=96．4Pa 6．2．2 射流风机升力计算 △ 一l0÷2xvj ×29：X(1一 ) ===1．2÷ 2×40。× 2×0．015× (1— 0．029) 一27．96pa (10) 式中： 一射流风机出口风速，取40km／h； 面积比， 一Fj／Fs=1．22／80--0．015； FJ一射流风机的出风面积，1．226m。； FS一隧道横断面积，80m ； 一速度比； 一VS／Vj—1．18／4o===0．029； 一隧道内风速，1．18m／s。 6．2．3 射流风机台数 所需射流机台数n一△Pc／zZPj一96．4／27．96 ≈3．45(台) (11) 式中： ——射流风机台数； △Pc— — 通风阻力。 通过以上分析计算，方斗山隧道在开挖到 3800m时，采用巷道式通风是可行的，能满足通风 要求。在靠近掌子面横通道内安装一台30kw射流 风机。射流风机按计算需用3．45台，本通风计算未 考虑洞口地形，洞外风速及风向对隧道通风的影响， 为确保通风效果达到预定的目的，设计安装4台射 流风机。 6．3 通风设备及动力 通风设备及动力见表3，总功率约618kw。 表3 通风设备表 设备名称 射流风机 射流风机 轴流风机 风管 01．5m 型号 SFDⅢNo12．5 SF一100 SDS一1O 螺旋焊接 数量 4 1 2 3O0Om 备用 O O 1 1000m 动力(k 百米漏 w) l1O×4—440 30 74×2—148 风率1 7 方斗山隧道通风设计 方斗山隧道施工通风设计分3个阶段实施。 第1阶段：在开挖到达第一个车行横通道前，左 右线洞口各配一台SDS一10轴流风机，采用风管式 压入式通风，第一阶段通风长度可达到800m。第一 阶段通风方案见图1。 双速风棚 螺旋风管 图1 第一阶段通风方案示意图 第2阶段：隧道掘进超过第1个横通道100m 后，采用巷道式通风方式通风，由左线为进风道，利 用车行横通道将右线设为排风道，在左线洞内200m 处配2台SFD~INo12．5射流风机，将原洞口轴流风 机移至洞内，在横通至掌子面仍采用压人式通方式。 第二阶段通风方案见图2。 第3阶段；由式(9)可知通风阻力将随隧道掘进 长度而增加，其阻力与隧道长度的函数关系如图3。 由于通风阻力的增加，通风机的升力不足将导致通 风效果差，不能满足施工需要和劳动卫生标准要求， 因而进行方案调整，增加2台SFDⅢNo12．5射流风 机。第3阶段通风方案见图4。 · 59 · 公路隧道 2010年第1期(总第69期) 图2 第2阶段通风方案示意图 △pj．-通风阻力 L L：隧道掘进长度 图3 隧道掘进长度与通风阻力关系图 图4 第3阶段通风方案示意图 8 通风管理及其它辅助措施 (1)成立专业的通风队伍，负责通风机械、通风 管路的安装和维护，通风方式变换。 (2)洞内沿程洒水，可以有效降低洞内扬尘。 (3)爆破后、喷射混凝土时采用洒水降尘，溶解 部分H S、氨等可溶有害气体，降低粉尘的浓度，增 加能见度。 (4)炮眼采用湿炮泥封堵，既可减少残跟，又可 使污染在源头得到治理。 (5)jJu强个人防护，做到个人防护用具的普遍化 和正确使用。 9’ 结束语 · 6O · 在有平行双洞的长大公路隧道中使用巷道式通 风是可行有效的，且最为经济。方斗山隧道现已顺 利贯通，施工通风效果良好，达到了通风时间短，洞 内空气质量达到规定要求。巷道式通风技术在方斗 山隧道的成功运用，为方斗山隧道的快速施工提供了 有力的保证，同时投入少，取得了较好的经济效益。 参考文献 Eli 王毅才．隧道工程[M]．北京：人民交通出版社，2000． E2] 煤矿通风与安全编写组．煤矿通风与安全． E3] 陆懋成，武雪都．鹧鸪山高原隧道(东口)施工通风设计 与实施Ec]．国际隧道协会2001年北京研讨会论文集， 200】．