高速公路隧道施工通风方案技术实践

汪金碧

云南省公路工程监理咨询有限公司 云南 昆明 650021

【摘要】隧道施工中，不仅要保证作业人员呼入新鲜空气，还要降低爆破产生的烟霭、粉尘以及内燃机械设备的尾气，特别是在长距离隧道施工中，通风方案选择得是否正确与否，会对隧道施工的成本核算以及施工安全性产生重要影响。本文通过对某隧道的工程概况、施工通风方案以及通风技术措施进行分析阐述，为高速公路隧道施工通风提供参考。

【关键词】高速公路；隧道施工；通风方案；压入式通风；巷道通风；技术措施

1 工程概况介绍

某隧道出口位于宜良县北古城镇海法村，隧道为双向六车道分离式隧道，该隧道左、右幅全长分别为99462米和9420米，设计为单向坡，纵坡为-1.98%。本工区承建该隧道出口，由隧道出口端向进口端上坡掘进开挖施工，计划掘进长度左幅为2972m（ZK19+740～ZK22+712），右幅为2950m（K19+740-K22+690）。

该隧道为双向六车道分离式隧道，单洞平均开挖断面积约150㎡，开挖断面较大；且施工机械化施工程度较高、洞内施工作业机械多。

隧道勘察显示，推测在左幅K20+255.7右4.5米(初左幅K20+420)区域属单层煤，平均厚度3.5-4.0m，局部厚度略为不均，或有差异，经分析，隧道区瓦斯含量测试中可燃性气体含量0.03-O.O5ml/g，平均0.04ml/g，由此判断隧道瓦斯工区为低瓦斯工区。

根据地质纵断面显示，在本工区施工段内，左线ZK19+790-ZK20+050(长260米)；右线K19+810-K20+070(长260米)，存在低瓦斯。瓦斯爆炸是施工中最大的安全隐患。瓦斯爆炸的3个必要条件：一是要有一定浓度的瓦斯(主要为CH₄)；二是要有火源；三是要有足够的氧气。要达到安全施工的目的，就必须从瓦斯监测、通风、设备防爆等综合预防措施下手，杜绝洞内同时具备瓦斯爆炸的3个必要条件，通过对瓦斯的实时监测，控制和防止瓦斯浓度超限，是防止瓦斯爆炸发生的关键。因此施工通风是本隧道施工的重、难点工程。

2 施工通风标准

1、氧气含量：坑道中的氧气含量按体积比不低于20%。  

2、粉尘浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘不大于2mg；含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘不大于6mg；二氧化硅含量在10%以下,不含有毒物质的矿物性和动植物性的粉尘不大于10mg。   

3、有害气体：1)一氧化碳:不大于30mg/m³；当施工人员进入开挖工作面检查时,浓度可为100mg/m³,但必须在30min～35min内降至30mg/m³；2)二氧化碳:按体积不超过0.5%；3)氮氧化物换算成二氧化氮控制在5mg/m³以下。   

4、气温：隧道内气温不超过28℃。

3 施工通风方案

本工区承建该隧道出口段，左线里程ZK19+740～ZK22+712，长2972m，高差59.96m；右线里程K19+740～K22+690，长2950m，高差59.38m。出口端共设置车行和人行横洞各4处（车行横洞断面宽×高：4.7m×7.3m），车行横洞设置里程和间距如下：

表1 车行横洞里程及间距

序号	里程桩号		间距(右幅m）
	右幅	左幅
9#车行横道	K19+898	ZK19+915	9#-10#间距750
10#车行横道	K20+648	ZK20+665	10#-11#间距747
11#车行横道	K21+395	ZK21+415	11#-12#间距735
12#车行横道	K22+130	ZK22+165

表2 人行横洞间距

序号	里程桩号		车行横洞间距 (右幅m）
	右幅	左幅
10#人行横道	K20+295	ZK20+290	10#-11#行间距750
11#人行横道	K21+045	ZK21+040	11#-12#行间距740
12#人行横道	K21+785	ZK21+790	12#-13#行间距645
13#人行横道	K22+430	ZK22+445

当隧道掘进距洞口最近的车行横洞时，掌子面的拱顶与洞口拱顶高程相差12.5m，高差太大，隧道中有毒有害气体排除困难，危害性极大。根据现场施工条件和整体分析，按照三阶段施工设计图，确定该隧道出口通风系统分三个阶段组织实施。

第一阶段：压入式通风

隧道未贯通12号车行横洞前的施工通风，左右线采用压入式通风，12号车行横洞距离洞口约600米，需在主洞二衬完成后实施巷道式通风，因此，压入式通风长度预计为800米，本方案中，压入式通风按900米计算。

第二阶段：巷道式通风

当右线通过12号车行横洞后，左右线通过车行横洞贯通后，此时采用巷道式通风。

第三阶段：混合式通风

若巷道式通风不能满足设计要求时，在掌子面附近相应增加_{轴流风机向外面抽风，与巷道式通风组成混合式通风。}

3.1 压入式通风

3.1.1 通风布置

12号车行横洞还未贯通之前左右洞两个工作面均采用压入式通风。压入式通风机必须装设新风流中，并配备一套具备同等性能的通风机，保证其使用状态良好。分别于左、右幅隧道洞口安设一台2×110kw轴流风机，直接将直径1.8m通风管与轴流式通风机连接，通风管沿洞内一侧将空气输送至工作面，出风口设置在掌子面附近，随开挖进尺逐段增加通风管，风管悬挂高度不小于2m。风机布置图如下：

3.1.2 风量计算
第一阶段，主要采用压入式通风，并按压入式通风标准进行计算。

(1)按洞内最大工作人数计算风量

—每人每分钟所需空气量，按每人4m³/min计算； —洞内同时工作最多人数，按60人计算； —风量备用系数1.1～1.15，此处取最大值1.15

m³/min

(2)按一般段最小风速计算风量：

(3)按低瓦斯段最小风速计算风量： _瓦

—隧道断面面积97.78m²

—允许最小风速，隧道一般段全断面开挖风速为0.15m/s～0.25m/s,瓦斯段风速为1m/s。（₁计算采用0.25m/s)(_瓦计算采用1m/s）

m³/min； m³/min

( 4)按洞内同一时间内爆破使用的最多炸药用量计算风量

t —通风时间，取10min；A—1次爆破的炸药用药量，此处取200Kg；S—隧道断面面积97.78m²；L—此处取通风区段极限长度1473m（若通风区段长度大于极限长度，上式中L用L_极限代替， ， —紊流扩散系数取0.8）。

经计算，所需风量 m³/min

(5)内燃机

按平均每车装渣时间3.5min计算，则隧道掘进至1000m时，正常情况下洞内同时最多通过的重载车辆为6辆车(按行驶速度20km/h考虑)。计算自卸车各取一半数量计算， 再计入掌子面装载机1台，功率155KW；挖掘机1台，功率225KW；自卸汽车功率230KW，按每千瓦消耗风量2.8m³/min计算；其它内燃设备按每消耗风量3m³/min计算，则总的需风量为Q_机械 =3072m³/min。

(6)漏风计算

根据上述各种公式计算所得风量，均未考虑漏风而损失的风量，故洞内实际所需总风量 应为： =_计算

式中， —漏风系数（根据隧道通风测试结果，百米漏风系数为1%，此处按900米计算取9%）；

_计算—计算风量（ ）。

风机参数见下表：（其中风机风速为3300m/min，风管直径为1.8米）。

表2 风机参数

名称	型号	技术参数
		速度 （r/min）	风压（Pa）	风量 （m³/min）	功率（kw）
轴流风机	FBCDZ/No(B)18	高速	2600	3300	110×2
		中速	2108	2219	45×2
		低速	1487	1670	22×2
风管	Ф1.8m	平均百米漏风率0.01，摩阻系数0.02，每节长度20m，瓦斯隧道双抗型风管。

_计算=3300×3.1415×（1.8÷2）²=8397m³/min；_需=7641

(7)阻力计算

本隧道通风采用单筒压入式，洞内风筒无变径和转弯布置，因此阻力计算只考虑风筒的延程阻力。采用风管式通风时，一般考虑其它阻力为h_摩的5%～10%。

风量1=风量2×h_摩=7641×（1-0.1）=6877m³/min

风速=6877÷97.78÷60=1.17m/s

3.1.3验算结论

1、轴流风机（FBCDZ/No(B)18）风速为1.17m/s＞无瓦斯隧道风速要求0.15m/s～0.25m/s

2、轴流风机（FBCDZ/No(B)18）风量为6877m³/min＞无瓦斯隧道风量要求1467m³/min。

3、轴流风机（FBCDZ/No(B)18）风速为1.17m/s＞瓦斯隧道最大风速要求1m/s

4、轴流风机（FBCDZ/No(B)18）风量为6877m³/min＞瓦斯隧道最大风量要求5867m³/min

5、爆破后暂停10分钟，轴流风机(FBCDZ/No(B)18)产生风量为68770m³/min＞(爆破作业+机械+人员)15882m³/min

6、非爆破作业时，轴流风机(FBCDZ/No(B)18)产生风量为68770m³/min＞（机械+人员）3348m³/min

表3风机参数

名称	型号	技术参数
		速度 （r/min）	风压（Pa）	风量 （m³/min）	功率（kw）
轴流风机	FBCDZ/No(B)18	高速	2600	3300	110×2
		中速	2108	2219	45×2
		低速	1487	1670	22×2
风管	Ф1.8m	平均百米漏风率0.01，摩阻系数0.02，每节长度20m，瓦斯隧道双抗型风管。
轴流风机	FBCDZ/No(B)18	左右线各一台，另备用两台。

表4通风参数

项目	产生废气	合计	风机产生风量(m³/min)	风机10min产生风量(m³)
人员	276	15882	6877	68770
机械	3072
爆破	12534
无瓦斯隧道最低风量(m3/min)	1467
低瓦斯隧道最低风量(m3/min)	5867

通过计算该隧道出口第一阶段，采用压入式通风，使用轴流风机（FBCDZ/No(B)18）满足施工通风要求。

3.2 巷道式通风

本工区该隧道出口左线ZK22+712～ZK20+050(长2662米），右线K22+690～K20+070(长2620米）为一般段，在左线ZK19+790～ZK20+050(长260米)；右线K19+810-K20+070(长260米)为低瓦斯段，存在低瓦斯。在12号车行横洞贯通后，隧道左线12号车行横洞前（距横洞洞口20米）安设两台轴流风机。一台直接通过风管压入至左幅工作面，另一台则通过风管穿过12#车行横通道送至右幅工作面，出风口设置在掌子面附近，随开挖进尺逐段增加通风管长度，通风管悬挂高度不小于2m。同时封闭成洞段所有人行、车行横洞，保证通风效果及防止瓦斯聚集。

3.2.1 巷道式参数计算

隧道施工作业中，无论采用压入式通风或巷道式通风，作业人数、机械、爆破烟尘均相同，在此采用巷道式通风中的计算参数。按施工先后计算，先计算一般段通风风机数量，后计算低瓦斯段。

3.2.2 风压计算

进风洞靠掌子面通风采用压入式通风，并使用第一阶段压入式通风相同的参数。

为了保证所需风量送到目的地，并在出风口仍保持一定风速，这就需要通风机具备一定的风压，确保其能够克服沿途所有阻力（风阻）。

3.2.3 计算沿程阻力

_{轴流风机产生的压力必须得以克服整个系统的阻力，即：}

_{式中： L —最大通风长度3000m； R —风机直径1.8m；}

_{经计算得△pA l=425Pa}

3.2.4 轴流风机数量

_{式中: —风机升力Pa；—隧道内的空气密度1.293（kg/m3）；—轴流风机出口风速53m/s；—轴流风机出口断面积3.14m2；—隧道断面积97.78m2；—隧道内一般段风速0.15m/s，瓦斯段风速1m/s；—增压系数0.85； —轴流风机台数1。}

_{经计算，无瓦斯段轴流风机升力=94.5Pa；轴流风机台数n=425÷94.5=4台。}

低瓦斯段轴流风机升力 _{=68Pa；轴流风机台数n=425÷68=6台。}

3.2.5 计算结果

压入式通风或巷道式通风，作业人数、机械、爆破烟尘均相同，在此巷道式通风的参数，采用压入式通风的人数、机械、爆破烟尘及风机型号的参数。该_{隧道出口第二阶段巷道式通风，使用}轴流风机（FBCDZ/No(B)18）在_{一般段单洞采用强力轴流风机4台，左右线共计8台，能满足施工通风要求。当隧道}掘进_至左线ZK20+050，右线K20+070（低瓦斯段）时采用强_{力轴流风机6台，左右线共计12台，能满足施工通风要求。}在低瓦斯段施工过程中，在施工台架、台车顶部适当增加小型风机、局扇，加强通风，防止瓦斯集聚。巷道式风机布置图如下：

3.2.6 风机选型

根据以上计算结果，本隧道选用的西南交大2×110Kw动叶可调风机，型号FBCDZ/No(B)18，风压2600Pa，出风速度53m/s，能满足施工需求。

3.3 混合式通风

该隧道为特长低瓦斯隧道且断面面积大，左右线纵坡均为-1.98%，出口段为上坡开挖，高差约60米。

随着隧道的不断掘进，高差的增加。施工通风的难度逐渐增加，经日常通风检测，若采用巷道式通风不能满足设计要求时，在掌子面附近相应增加一台（FBCDZ/No(B)18）_{轴流风机向外面抽风，与巷道式通风组成混合式通风，加强洞内风速流动达到施工通风要求。混合式通风风机布置图如下：}

4 通风技术措施

1、严格控制风管的质量，安装时保持风管接头的牢固密实，平直成线，防止弯折变形。要特别注意风管保护，避免出碴机械或爆破时损坏风管，更要注意衬砌台车对风管的影响，破损的风管要及时修复。

2、成立一支稳定的通风工班，确保有机械工程师参加，并安排专业技术人员加强对现场通风效果的检测，据此对通风方案进行优化调整。

3、如有必要，应结合检测结果对通风系统进行适当调整，使洞内气温低于28℃，并确保通风30min内，一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO₂）浓度能够降至30mg/m³和5mg/m³以下，从而满足施工要求。

4、每一台风机，都要配备一名专业风机司机进行操作，做好运转记录工作，在风机司机上岗前，需要对其进行专业培训，确认培训合格后才能进入工作岗位。

5、针对运输设备建立相应的维修保养制度，严格按照设备管理的要求安排维修工作，尤其是进气与燃油系统，更应定期强化保养，坚持执行燃油沉淀过滤机制，降低废弃排放量，进而控制隧道内施工环境污染。

6、电工必须严格履行自身工作职责，定期加强对风机的检查，并安排检修工作，及时解决存在的故障，使风机保持良好的运行状态。

7、不用的横通道要及时封闭，设有风门的横通道要加强对风门的管理，以减少污风循环对通风效果的影响。

8、现场施工过程中由于衬砌施工，衬砌台车对洞内空气流产生一定的影响，根据现场实际情况，在衬砌台车上增加轴流风机，加快衬砌施工段的空气流通。

5 结束语

根据本案例隧道通风组合设计方案的实践，在施工期间通风效果较好，又有效的节约了施工成本，同时还降低了瓦斯聚集的安全风险。总之，合理的通风系统、理想的通风效果是实现长大隧道快速施工、施工人员身心健康及施工安全的重要保证。高水平的施工通风管理也是保证通风效果的关键。我们在工作中必须不断的根据实际需要对我们目前的通风设计进行调整，总结出更好地隧道通风设计方案。

参考文献：

[1]吴志华,林国辉,陈艳琼.特长公路隧道施工通风技术方案设计[J].湖南工程学院学报：自然科学版,2016,26(1):5.

[2]罗雪松.高速公路特长隧道施工通风设计研究[J].工程技术研究（百科）,2020,2(1):3.

[3]孙龙俊.瓦斯通风技术在高速公路隧道建设中的应用[J].绿色环保建材,2021(9):2.