带平导长大隧道施工通风技术.docx
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带平导长大隧道施工通风技术
带平导长大隧道施工通风技术
中铁十四局集团第四工程有限公司石贞峰
摘要：
堡镇隧道进口5641m长度实行分阶段通风,平导通风与正洞通风统一考虑，统筹安排，采用分阶段通风技术，以巷道式通风为主、压入式通风、水幕降尘等手段辅助的总体方案。
关键词：
堡镇隧道高地应力软岩大变形施工技术
1工程概况
堡镇隧道左线全长11565m，右线全长11599m，线间距30m,右线初期设计为平导，作为左线辅助施工通道，后期再将平导扩挖形成右线隧道。
是宜万铁路第二长隧、七大控制工程之一，也是全线唯一的高地应力软岩长隧。
堡镇隧道进口5641m长度实行分阶段通风，受平导内净空（4.5m×4.7m）制约，风管直径不能过大,除平导和正洞独头长度长之外，正洞多工作面平行作业钻爆施工的通风排烟问题突出。
目前通风管路的防漏降阻，在中短隧道通风中虽有一定的成功经验，如何有效防漏降阻，实现长大隧道通风问题突出。
2通风方案
2.1总体方案概述
为降低通风成本，利用施工单位既有的通风设备进行配套，平导通风与正洞通风统一考虑，统筹安排，采用分阶段通风技术，以巷道式通风为主、压入式通风、水幕降尘等手段辅助的总体方案。
（1）前期采用压入式通风方式，之后充分利用平导采取巷道式通风方式的总方案，左线正洞为进风通道，平导（平导扩挖右线正洞）为出风通道，并设置风门；各工作面以压入式通风辅助。
（2）考虑拐入平导压入式通风，供平导及通过横通道开挖左线正洞两个工作面，为增大风压，在该通风段中部增加串联风机。
（3）增设射流风机，保证洞内风速效果、快速排除有害气体，以及形成负压以利新鲜空气的压入。
2.2方案选择
（1）通风方案参数
各工区作业面通风方案参数汇总如表1所示。
表1各工区作业面通风方案参数汇总表
作业面
风量主控因素
运输方式
作业面供风最长距离（m）
计算供风断面面积（m2）
百米漏风率（%）
风管直径（mm）
通风方式
左线
进口端正洞
稀释炮烟
有轨
840
80
1.2
1500
巷道式为主
压入辅助
通过横通道
稀释炮烟最低风速作业人员需求
有轨
2000
80
1.2
1300
巷道式为主，压入式辅助
射流风机辅助
右线
平导
稀释炮烟最低风速
有轨
2500
80/3
1.2
1300
巷道式
压入式辅助
射流风机辅助
扩挖正洞
按稀释炮烟计
有轨
80
巷道式
射流风机辅助
（2）分阶段通风方案
通风方案根据左线正洞、右线平导及平导扩挖掘进进度分五个阶段。
左线正洞掘进至3#横通道之前，平导独头掘进2500米以内，左右线均采用压入式通风，轴流风机及起动装置设置在洞口外30米处，风机把新鲜风流经风管压送到开挖工作面，污风沿隧道排出；
左线正洞掘进、二次衬砌通过3#横通道之后，平导掘进超过2500米，采用巷道式通风。
此时正洞与平导通过横通道联通，形成一个完整的通风系统。
左线正洞掘进至分界里程，右线扩挖掘进分别在6#、9#、12#横通道增加掌子面，采用巷道式通风，新鲜空气沿左线进入，污风通过平导扩挖掌子面排出。
①一阶段通风方案
此时左线正洞掘进在左线进口至3#横通道之间，平导掘进至5#横通道之前，通风设备配置：
左右线距进口30m左右各设置2×55kw轴流式风机，采用压入式通风；在开挖完成横通道口设风墙，防止污风窜风。
第一阶段通风方案如图1所示。
②二阶段通风方案
左线正洞掘进在3#至4#横通道之间，平导掘进在7#至8#横通道之间的通风方案。
此时平导独头掘进2900米至3500米之间，正洞掘进1260至1680米。
平导经4#横通道进入左线正洞施工。
第二通风方案如图2所示。
通风设备配置：
在正洞内3#横通道小里程方向30米外设置两台2×55kw轴流风机，一台供左线正洞3#至4#横通道之间工作面施工，一台供平导掌子面和平导经4#横通道拐左线正洞工作面通风。
新鲜空气经正洞至3#横通道，轴流风机压风经风管压入掌子面；左线正洞、经4#横通道拐正洞掌子面污风从3#横通道、4#横通道进入右线平导；采用射流通风技术，在平导内3#横通道和4#横通道小里程、5#与6#横通道之间顶部各设置一台30kw射流风机，利用其射流、卷收和诱导作用使巷道中的气流升压，将工作面产生的污浊空气经平导排出。
③三阶段通风方案
左线正洞掘进在6#至8#横通道之间，平导掘进在8#至11#横通道之间，右线扩挖（进口、3#横通道两个作业面）开始的通风方案。
平导独头掘进3600米至4500米之间，正洞掘进2640至3360米。
通过平导经8#横通道进入左线正洞施工。
第三阶段通风方案如图3所示。
通风设备配置：
在正洞内6#横通道小里程方向30米外设置两台2×55kw轴流风机，一台供正洞6#至8#横通道之间的左线正洞施工，一台供平导掌子面和平导经8#横通道拐正洞工作面通风。
新鲜空气经正洞至6#横通道，轴流风机压风经风管压入左线正洞、平导拐左线、平导掌子面。
在平导内1#、3#、6#横通道小里程一侧各设置一台30kw射流风机，利用其射流、卷收和诱导作用使巷道中的气流升压，将工作面产生的污浊空气经平导排出。
④四阶段通风方案
左线正洞掘进在10#横通道和12#横通道之间，平导掘进在12#横通道以后，平导工区经12#号横通道进入左线正洞施工，右线扩挖在3#、6#通道各安排一个工作面。
此时平导掘进至5400米左右，正洞掘进4200米至4970米。
右线扩挖3#横通道掌子面至1700米左右。
第四阶段通风方案如图4所示。
通风设备配置：
在正洞内9#横通道小里程方向30米外设置两台2×55kw轴流风机，一台供正洞10#至12#横通道之间的正洞施工，一台供平导掌子面和平导经12#横通道拐正洞工作面通风。
新鲜空气经正洞至9#横通道，轴流风机压风经风管压入掌子面。
在平导内3#、6#、9#、12#横通道小里程拱顶各设置一台30kw射流风机，利用其射流、卷收和诱导作用使巷道中的气流升压，将工作面产生的污浊空气经平导排出。
当左线正洞掘进在11#至12#横通道，平导掘进到分界里程；右线扩挖在3#、6#、12#横通道各安排一个工作面；变更11#通道方向。
将正洞9#横通道小里程方向30米外设置的两台2×55kw轴流风机移到11#横通道小里程方向30米外，并在平导内12#横通道小里程拱顶增设一台30kw射流风机。
⑤五阶段通风方案
左线正洞掘进到分界里程，右线扩挖在6#、9#、12#横通道各安排一个工作面。
通风设备配置：
在正洞内11#横通道小里程方向30米外设置一台2×55kw轴流风机，供12#横通道右线扩挖施工掌子面。
新鲜空气经正洞至11#横通道，轴流风机压风经风管压入掌子面。
在平导内3#、6#、9#、12#横通道小里程拱顶各设置一台30kw射流风机，利用其射流、卷收和诱导作用使巷道中的气流升压，将工作面产生的污浊空气经平导排出。
第五阶段通风布置如图5所示。
上述五阶段通风方案，根据工程进展情况，将5600m特长独头通风分段实施，其主要特点是：
①独头通风长度小于2500m，无需配置大风量、高风压的风机；②充分利用已成洞段和平导作为通风通道，减少风管投入，平导和正洞多工作面钻爆施工通风效果好；③巷道式为主、压入式辅助、射流风机辅助通风方式，爆破工作面排烟迅速，绝大部分洞身空气新鲜；④利用现有风机、风管设备资源，新设备投入少，通风工程成本低。
2.3辅助性降尘措施
该隧道的通风技术难度大，在不断优化通风方案的基础上，采取一些有力的辅助性降尘措施，以提高通风效果、降低通风工程成本。
实践证明采取一些有力的辅助性措施是实用、经济的，效果十分理想。
（1）水幕降尘
水幕降尘就是把水雾化成微细水滴并喷射到空气中，使之与尘粒碰撞接触，则尘粒被水捕捉而附于水滴上，或者被湿润的尘粒互相碰撞而凝聚成大颗粒，从而加快了其沉降速度。
水幕降尘是利用洞内高压水和高压风系统，加工制成多喷头的连通器，安装在掌子面附近的墙脚处，爆破前10min至爆破后30min内打开水幕喷雾降尘。
（2）高压风射流
爆破后打开凿岩用高压风形成射流驱逐污浊空气对加速排烟、缩短排烟时间效果显著，且无需增加任何设备，方便易行。
（3）机械净化
尽量选用电动设备，对内燃设备采用低污染的并在内燃设备上安装净化装置，以降低尾气固体粉尘排放量。
例如，扒碴、装碴选用德国产夏夫ITC312挖掘装载机，该设备有电动和内燃两套动力系统，内燃设备污染净化指数符合国际标准。
（4）其他措施
钻孔时采用湿式凿岩，加强局扇通风。
为减小车辆或机械运行扬起的粉尘，及时清扫路面，并洒水湿润，限制洞内车辆运行速度≤20km/h，以降低扬尘。
另外采用了混凝土湿喷工艺降低喷锚粉尘等。
2.4通风设备选型
设备的选型关系到整个方案的成败，选用优质高效适用的风机、风管，可以发挥其优良性能并为整个通风系统的运行提供可靠的保证；反之，则可能导致系统设计失败。
2.4.1风机的选型
强调通风系统的可靠性，提高系统构成单元的可靠性；尽量选用同型号、同一厂商的设备，便于配件的供应与维修；在保证通风能力的前提下，充分利用现有通风设备、减少设备投入、提高设备后续工程利用率；根据隧道阶段施工特点，通风系统阶段化，提高设备利用率，降低通风工程成本。
经过调研比选，通过计算选择SDA110BD-2FS55、SDF（C）-NO11以及88-1等几种型号风机。
各风机性能如表2所示。
表2堡镇隧道通风设备配置表
设备名称
规格型号
功率（KW）
风量（m3/min）
风压（Pa）
数量（台套）
通风机
SDA110BD-2FS55
2×55
900～1500
3700～4500
1
通风机
SDF（C）-NO11
2×55
1015～1985
624～4150
2
通风机
88-1
2×55
1000
4800
1
射流风机
SDS100K-4P-30
30
风速35.6m/s
5
局部小风机
3
2.4.2风管的选择
通风管以软风管为主，当系统风压≥3000Pa在靠近压入式风机约20m，采用2mm铁皮制作的硬通风管，以消除气锤作用减少风阻。
靠近风机端一般采用高强抗拉低漏风率的风管，远离风机段（≥500m）采用一般风管。
软风管采用涤轮基布制作的RG-1（3000N/5cm）或RG-2（2100N/5cm）软风管。
流体力学基本规律表明，通风阻力与风管直径的-5次方成正比。
例如，将风管直径从φ1.0m增大到φ1.2m时，相同风量的通风阻力降低2.48倍，即通风距离可增大2.48倍。
但考虑到现有国内产品配套以及本单位已有设备和后续工程使用、平导断面尺寸等因素，正洞采用Φ1500或Φ1300的风管，平导采用Φ1300的风管。
由平导引入左线正洞采用三通联接方式。
2.5通风系统的设计计算分析
通风的目的在于为隧道内施工的作业人员创造一个适宜的作业环境，以保证作业人员的身体健康和提高劳动效率。
通风量至少须满足以下几个条件：
（1）洞内风量要求：
每人每分钟供给新鲜空气不少于3m3，内燃机械每千瓦供风量不宜小于
。
（2）粉尘浓度要求：
每m3空气含有10%以上游离二氧化硅（SiO2）的粉尘为2mg。
含游离二氧化硅在10%以下时，不含有害物质的矿物性和动植性粉尘为10mg；含游离二氧化硅在10%以下的水泥粉尘为6mg。
（3）有害气体允许浓度要求：
空气中一氧化碳浓度不得超过24ppm（30mg/m3）。
施工人员进入开挖工作面时，浓度允许到80ppm（100mg/m3），但必须在30min内降至24ppm（30mg/m3）。
空气中氮氧化物不得超过0.00025%，质量浓度不超过5mg/m3。
（4）洞内风速要求：
保证巷道内最低风速不低于0.25m/s，以达到有效排尘。
（5）洞内温度要求：
隧道内气温不超过28℃。
2.5.1计算时所选用的各项参数指标
（1）作业人员所需风是按
计；
（2）内燃机车
计；
（3）独头通风距离最长2500m计；
（4）平导洞内回风流速＞0.25m/s；
（5）单位体积耗药量：
0.6kg/m3；
（6）一次（掘进2.5m）爆破用药量：
110kg；
（7）管道百米漏风率：
B≤1.0%；
（8）管道百米静压损失：
△P≤70Pa；
（9）炮烟的抛掷长度：
Ls=30m。
2.5.2风量计算
（1）按洞内同时工作的最多人数计算风量
（3-1）
式中，Q——计算风量（m3/min）；
q——洞内每人每分钟所需空气量，取
；
m——洞内同时工作的最多人数，取m=50人；
K——风量备用系数，取K=1.15。
由此得到Q=3×50×1.15=173m3/min。
（2）按洞内同一时间内爆破使用的最多炸药用量计算风量
①压入式通风
第一阶段采用压入式通风，按下式计算
（3-2）
式中，t——通风时间，min；
A——一次爆破的炸药用量，kg；
S——巷道断面积，m2；
L——通风区段长度，m。
如果考虑的通风区段长度L大于极限长度L极限，式（3-2）中的L应用L极限代替。
L极限按下式确定
（3-3）
式中，
——紊流扩散系数，
＝0.8；
b——爆破1kg炸药生成的CO量，b=40L/kg炸药；
c——巷道内容许的CO浓度，c=0.008%；
其余符号意义同前。
经计算：
第一阶段：
正洞
；
平导
②巷道式通风
第二~五阶段采用巷道式通风，按下式计算
（3-4）
式中符号意义同前。
经计算，第二~五阶段
。
（3）按满足洞内允许最小风速要求计算风量
（3-6）
式中，v——允许最小风速，取0.25m/s。
经计算，
。
取上述三种计算方法中计算结果的最大值为通风设计量为一次爆破排烟所需风量控制，即工作面所需风量为：
第一阶段：
；
第二~五阶段：
；
关于漏风的考虑：
在管道式通风中，尤其是长管路通风系统中，当风管末端（或掌子面）风量确定以后，风机风量的大小取决于系统的漏风系数。
通风系统漏风系数的大小对于通风系统的效率至关重要，目前国内外在管道漏风的控制方面有较大差距，国内一般平均百米漏风率大于2%，国际先进技术将百米漏风率控制在1%以下。
结合我单位隧道通风工程的经验，提出采用PVC增强维伦布作风管材料，百米漏风率在正常情况下控制在1.2%以内。
本通风方案最长通风距离为2500m，据此计算系统漏风系数P：
因此，要求风机的供风量不少于：
2.5.3系统风压计算
为保证将新鲜空气输送到掌子面并在其出口保证一定风速风压，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h机﹥h阻。
h阻=∑h动+∑h局+∑h沿
式中：
h动——动压，h动取50pa；
h局——局部压力损失，h局一般按分段沿程压力损失的10%估算；
h沿——沿程压力损失，h沿=（α×g×p×L×Q2）/S3（pa）
α——风管摩擦阻力系数，α=3×10-4（kgs2/m4）；
g——重力加速度，取9.81㎡/s；
p——风管内周长（m）；
L——风管长度（m）；
Q——风量（m3/s）；
S——风管截面积（m2）；
风机风压计算结果如表3所示。
表3风机风压计算表
L
（m）
D
（m）
Q
（m3/s）
h沿
（Pa）
h动
（Pa）
h局
（Pa）
h阻=P沿+P动+P局
正洞（进口端正洞）
2500
1.5
1457/60
3705
50
P沿×10%
4125.5
平导
2500
1.3
734/60
1923
2165
现有风机最大风压为4150Pa，考虑第三阶段通风需采用三通分别向正洞和平导同时供风，需在平导串联一风机，接力供风。
2.6通风方案的实施及运行管理
2.6.1系统的安装
风管安装在隧道顶部中央，先用台车每隔5m打一锚杆眼，然后在吊挂锚杆上布设φ6钢筋并用紧线器张紧，作为风管的承重索，安设中注意保持锚杆的纵向一致和承重索的高度一致。
在风管安设时，要求距工作面的距离愈近愈好。
但考虑放炮对风管的破坏，一般风管末端距工作面的距离为60m左右（最远时达80m）。
2.6.2系统的使用管理
成立了专职通风作业班，负责风管安整和系统检查、维修与管理。
管理技术包括管路的“防漏降阻”措施和管理制度改革两方面。
在管路的“防漏降阻”方面，提出并实施了以下措施：
（1）以长代短。
风管节长由以往的20~30m加长至50~100m，减少接头数量，即减少漏风量。
（2）以直去弯。
风管安装前，先按5m间距埋设吊挂锚杆，再将φ6盘条吊挂线拉紧并焊固在锚杆上，尔后在吊挂线上挂风管。
使风管安装达到平、直、稳、紧，不弯曲，无褶皱，减少通风阻力。
（3）平稳运行。
为减少风机启动时对管路产生很大的瞬间张力和气锤作用，适当延长两台电动机的启动间隔。
（4）及时检修。
在每个作业循环中，对整个通风系统进行全面检查，对破损严重的管节及时更换，对轻微破损的管节及时进行修补，松动的接头及时加固。
在通风管理制度改革方面，主要是建立以岗位责任制和奖惩制为核心的通风管理制度。
通风班组全面负责风机、风管的安装、管理、检查和维修，严格按照本工程通风管理规程和操作细则，组织实施，项目部定期根据通风质量兑现奖惩办法。
3施工通风效果检验
为测定和评价堡镇隧道施工通风布局和通风效果，在施工过程中进行了测试。
3.1测试内容、方法
（1）作业面粉尘和有害气体浓度测定
测定工作面20m范围内呼吸带在炮后30min、45min粉尘、CO、NOx浓度，计算平均值。
测定方法按照卫生部《卫生防疫工作规范》（劳动卫生分册）中的规定实施。
（2）通风系统性能测定
测定并计算风机的输出压力、输出风量；选取管道的某些断面测定动压、静压、计算全压，根据测点的直径和面积计算断面风速、风量、百米漏风率，沿程压力损失、管道的摩擦阻力系数。
（3）隧道内气流状态测定
测定隧道内某些断面的多点风速，计算平均风速，推算烟尘排放时间。
3.2测试仪器与器材
袖珍温湿度计，电子微风仪，复合气体测定仪，数字粉尘测定，空盒气压表，标准皮托管，U型压力计。
3.3测定结果与分析
（1）粉尘及有毒气体测试结果
将多次测试结果进行平均，其值见表4。
表4堡镇隧道进口尘毒质量浓度测定平均值
施工工况
测定项目
粉尘/
CO/
NOx/
炮后30min
1.9
28
4.6
国标
2.0
30
5.0
堡镇隧道进口施工过程中，爆破30min后即可开始施工作业，粉尘及有害气体浓度达到或接近国家卫生标准，为施工创造了良好的作业环境。
（2）通风系统测定结果
对各类风机经多次测试，其风量和风压均达到设计要求。
由测定结果，计算百米漏风率为0.98％，全管道平均风阻系数为
，效果相当满意。
（3）隧道气流测定
距洞口不同距离布置测点，经多次测试，洞内最小风速0.23~0.49m/s之间，基本符合隧道施工通风规范要求。
隧道内新鲜风基本能保证施工生产需要。
4通风实施效果
（1）根据工程进展情况，将5600m特长独头通风分段实施，单机通风长度小于2500m，有效解决了平导和正洞多工作面钻爆施工的通风问题。
（2）采用抽、压混合接力式通风，污浊空气不污染全洞，爆破工作面排烟迅速，绝大部分洞身始终空气新鲜。
（3）在降低漏风率上狠下功夫，选用高强、耐久的PVC增强纤维布材料风管，新颖拉链式接头；管理上定岗定责，破损及时修补，使管道始终在良好的状态下工作。
工程自始至终管道漏风率一直低于1.0%，达到了0.98%的较高水平。
（4）降阻效果十分显著。
克服管道阻力要消耗风机的全压，在系统确定以后，如何降低管道系统的阻力，是提高通风距离的关键之一。
本项目首先在平导内尽量选用了大风管，使其风管直径达到1.3m；其次选择表面光洁度较高的PVC增强纤维布风管，且使接头平滑；安装和使用管理中始终使风管平、直、稳、紧，无弯曲，不褶皱。
以上多方面的努力，通风系统在良好状态下工作时，平均风阻系数为
，效果十分显著。
（5）通风效果和洞内空气质量实测结果表明，在有轨运输模式下，爆破后30min粉尘浓度接近规定标准，有害气体浓度均低于规定标准。
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