肖元平，楊立新

(1．中鐵隧道集團路橋工程處，安徽黃山 245400;2．中鐵隧道集團技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路建設(shè)中長大隧道的修建數(shù)量日益增多。國內(nèi)隧道施工中，特別是目前的客運專線隧道［1］，由于仍廣泛采用鉆爆法開挖，開挖斷面大，且施工機械化程度日益提高，爆破后內(nèi)燃機械作業(yè)過程中產(chǎn)生的有害氣體造成隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境惡化，越來越成為制約工程進度、影響工程工期及危害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康的關(guān)鍵因素。

對于單斜井進入雙正洞無軌運輸施工的隧道，通常都有4個作業(yè)面在同時施工。由于多作業(yè)面同時施工，使洞內(nèi)投入的機械設(shè)備增多，產(chǎn)生了大量CO、NO2和粉塵等［2］，洞內(nèi)環(huán)境污染嚴重，成為目前隧道施工通風中最大的難題之一。過去，對于斜井進入正洞的通風一貫采用獨頭壓入式通風模式，每個開挖工作面最少需要1臺軸流風機和1道通風管路，如果通風距離過長，一個開挖面就可能需要增到2臺軸流風機和2道風管。合武鐵路大別山隧道2#斜井，為單斜井單正洞［3］，進入正洞以后只有2個工作面，但是因為開挖距離過長，其中一個工作面必須使用2臺風機和2道風管才能滿足通風需求，所以，僅僅2個工作面，在施工中后期就投入了3臺軸流風機和3道通風管路，在3道風管穿過斜井的布置上相當困難，管路維護的工作量也很大，需要投入大量人力物力，如果是4個開挖面同時工作，難度也更大，所需的投入也就更多了。

目前，國內(nèi)獨頭壓入式通風超過4 000 m，基本上能滿足施工要求，在2002年，圓梁山隧道采用平行雙洞的射流通風距離超過了8 000 m，而且能夠較好地滿足施工環(huán)境要求。因此，提出大膽設(shè)想，將過去一貫應(yīng)用于平行雙洞的射流通風技術(shù)引入單斜井進入雙正洞的隧道施工通風中，并對此進行研究。

1 單斜井雙正洞射流通風技術(shù)原理

1．1 射流通風技術(shù)原理

射流通風技術(shù)是借鑒運營通風中射流通風原理，將射流通風理論引入隧道的施工通風當中。當平行掘進的2條隧道通過橫通道連接時就形成了“U”型風道［4］，如圖1所示。利用射流風機產(chǎn)生的風壓促使“U”型風道內(nèi)的空氣單向流動，在2座平行隧道之間，每隔一段距離用橫通道貫通，新鮮風通過射流風機從一座隧道引入，污濁空氣通過射流風機從另外一座平行隧道引出，達到通風換氣的目的。然后在2個獨頭掘進的工作面采用軸流風機和軟風管壓入式通風，壓入式軸流風機必須安裝在進風隧道內(nèi)。為避免污風循環(huán)，橫通道之間必須用擋風墻密封。

圖1 射流通風示意圖Fig．1 Layout of conventional jet ventilation

1．2 單斜井雙正洞射流通風技術(shù)原理

目前，在國內(nèi)，射流通風技術(shù)一般應(yīng)用于平行雙洞的巷道式通風模式，因為平行雙洞的“U”型風道可以充分滿足射流通風換氣的條件，在單斜井雙正洞使用射流通風技術(shù)并無先例，因為單斜井雙正洞隧道的整體平面構(gòu)造，無法形成理想狀態(tài)下的“U”型風道的2個通風換氣口，也就無法利用射流風機的增壓形成良好的通風換氣條件。采用的原理為局部通風換氣法，首先利用小功率大風量軸流風機和大直徑軟風管，通過斜井對隧道進行送風或者將隧道內(nèi)污風抽出，同時斜井排出污風或者引入新鮮風。這樣，從原理上也吻合了“U”型風道理論，同樣形成了2個通風換氣口，只是原有的機械增壓使空氣自然流動的原理變?yōu)榱藱C械通風原理。這里，斜井為軸流風機的機械通風，進入正洞后的巷道式通風，稱為單斜井雙正洞的射流通風技術(shù)，由于斜井的通風模式不同，對單斜井雙正洞的射流通風技術(shù)分為2種進行分析比較。

1．2．1 斜井壓入式通風模式

斜井壓入式通風模式如圖2所示，將小功率大風量軸流風機放在距離斜井口30～40 m的位置，利用大直徑軟風管對正洞右線進行壓入式通風，另外4臺功率相對較小的軸流風機放置在右線隧道內(nèi)，通過軟風管對4個開挖工作面進行壓入式通風，污風通過橫通道進入左線隧道，再通過斜井排出洞外，形成一個自然流動配合機械通風的閉合通風系統(tǒng)。東西兩側(cè)軸流風機后面應(yīng)該放置射流風機，對軸流風機進行增壓，防止空氣倒流，造成污風循環(huán)，在正對斜井的橫通道設(shè)置風門，以防止污風循環(huán)。當隧道開挖進尺延長，可將軸流風機往開挖面方向移動，以

減少隧道獨頭通風長度，增大風量，節(jié)約風管成本和用電成本，軸流風機后面的橫通道應(yīng)該及時封閉。

圖2 斜井壓入式通風模式Fig．2 Sketch of forced ventilation through inclined shaft

1．2．2 斜井抽出式通風模式

斜井抽出式通風模式如圖3所示，將小功率大風量軸流風機放在隧道右線內(nèi)，將隧道內(nèi)污風抽出，新風從斜井進入隧道左線，壓入式軸流風機放置在隧道左線，對隧道4個開挖工作面進行獨頭壓入式送風，小功率大風量軸流風機將污風抽出洞外，形成一個自然流動配合機械通風的閉合通風系統(tǒng)。其他和斜井壓入式通風模式一樣。

圖3 斜井抽出式通風模式Fig．3 Sketch of exhaust ventilation through inclined shaft

1．2．3 2 種模式對比

圖3的斜井抽出式通風模式，僅適合斜井有軌運輸模式，因為新鮮風從斜井進入，如果是無軌運輸，那么內(nèi)燃機尾氣必然對斜井內(nèi)空氣造成污染，進而對4個開挖面的新風均造成污染。包家山隧道為斜井有軌提升運輸模式，可使用本文研究的單斜井雙正洞射流通風模式。但缺點如下:1)應(yīng)用范圍相對斜井壓入式通風模式要窄;2)因小功率大風量軸流風機放置在洞內(nèi)，如果風機消音設(shè)備稍差，容易造成噪音污染，而且隨著使用時間增長，隧道內(nèi)粉塵會將風機消音器上的網(wǎng)孔堵塞，將進一步降低消音效果;3)對斜井內(nèi)通風管路的維護要求更高。但是其優(yōu)勢也比較明顯，新鮮風從斜井進入，可保持整個斜井的空氣狀態(tài)良好，保證了斜井通風環(huán)境。

圖2的斜井壓入式通風模式，其優(yōu)缺點跟斜井抽出式通風模式相反，優(yōu)點如下:1)其應(yīng)用范圍更廣，不但適合斜井有軌運輸模式，也適合斜井無軌運輸;2)因為風機放置在洞外，不會對隧道造成太大的噪音污染。缺點為斜井污染較重，因為4個開挖面爆破的炮煙、隧道內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣等污染物，均需要從斜井排出洞外，斜井為唯一污風排出通道。

2 風機風管配套選型

2．1 風機選型計算

風機和風管的配套選型主要分2部分，第1部分為斜井的進出風，即斜井供風的設(shè)備配套，為小功率大風量軸流風機和大直徑軟風管配套;第2部分為開挖面的送風，即局扇供風設(shè)備配套。配置原則為風量平衡原理［5］，即小功率大風量軸流風機配套的大直徑軟風管的風管出口風量Q01必須等于或者大于給開挖面送風的風機供風量(即局扇的風機出口風量Qf2)，即

2．2 風機風管配套選型原理

因射流風機選型需考慮隧道各項阻力，具有較多的前人經(jīng)驗可借鑒，這里不再贅述。下面重點介紹軸流風機和風管的配套選型，采用反推法，暫時不考慮隧道開挖面需風量。首先，選定市場流通的部分風機，按照每種風機固定的性能參數(shù)，得出風機性能曲線;然后，根據(jù)風阻因數(shù)，得出某種直徑風管在特定長度下的風阻曲線圖，2條曲線交點，即為特定的風機，再配置固定直徑和長度風管前提下的風機出口風量和風壓［6］;最后，根據(jù)漏風量計算公式，求出風管出口風量。式(2)和式(3)分別為風阻因數(shù)［7］和漏風量［8］計算式。

式中:p為風管沿程阻力，Pa;λ為風管摩阻因數(shù)，0．02;ρ為空氣密度，kg/m3;d為風管直徑，m;β為風管平均百米漏風率，0．02;L為管路長度，m;Qf為風機出口風量，m3/min;Q0為風管出口風量，m3/min。

根據(jù)計算結(jié)果，針對各個工地的需風量，選擇合適的施工通風配套方案，供施工現(xiàn)場借鑒。

2．3 風機風管配套選型計算

2．3．1 小功率大風量風機與大直徑風管匹配

在單斜井雙正洞射流通風技術(shù)研究中，因為小功率大風量軸流風機是給斜井供風，大部分斜井都較短，幾百m的斜井很多，超過3 000 m的斜井算是超長斜井了，在使用大直徑軟風管時，所需克服的風管阻力非常小，需要風機的風壓也很低;根據(jù)風機功率原理，風機的功率和風量以及風壓均有直接正比關(guān)系，在保證盡量大風量的前提下，要使風機功率減小，只能盡可能地減小風機風壓。

以浙江上風的DTF(R)系列軸流風機為例進行配套計算，曲線選擇風機工況點最高80%效率時候的葉片角度配置，角度為25°時的風機特性曲線，通風長度分別按照斜井長度600，1 000，1 500，3 000 m考慮。

根據(jù)式(2)可得出，當L為600，1 000 m時，直徑2．8 m風管的風阻因數(shù)分別為0．06和0．09，根據(jù)風阻因數(shù)，即可得出風管特性曲線。

圖4為根據(jù)DTF(R)-28-14軸流風機的特性曲線和風阻因數(shù)得出的風機風管特性曲線，從圖4中可求出風機供風量和工況點風壓。

圖4 DTF(R)-28-14型軸流風機與2．8 m風管特性曲線圖Fig．4 Performance of DTF(R)-28-14 axial fan and 2．8m-diameter ventilation duct

1)當送風距離L=600 m時，風機出口風量為7 920 m3/min;風壓為1060Pa，風管出口風量為7016m3/min。

2)當送風距離L=1 000 m時，風機出口風量為6 100 m3/min;風壓為1 160 Pa，風管出口風量為4 984 m3/min。

因為計算原理相同，計算過程繁雜，下面的配套計算不再贅述，配套結(jié)果見表1。

從表1可以得出斜井供風量，也就是風管出口風量的數(shù)值結(jié)果，其主要影響因素為風管長度、風機型號和風管直徑，其中風管長度取決于斜井長度，匹配時可根據(jù)斜井長度以及隧道需風量選擇合適的風機以及風管。

2．3．2 向開挖面送風的軸流風機與風管匹配

選擇往開挖面送風的軸流風機與風管直徑主要取決于隧道開挖面的需風量和送風長度，這里匹配的時候暫不考慮開挖面需風量，首先選擇幾種型號的軸流風機與幾種直徑軟風管，計算出在通風距離分別為1 000，2 000，3 000 m時的風量，最后再根據(jù)開挖面需風量的要求，選擇適合本工程的風機風管匹配。其匹配計算原理同上，計算過程也不再贅述，匹配結(jié)果如表2所示。開挖面同時工作的軸流風機的需風量即為隧道需風量里考慮隧道內(nèi)有3臺風機同時 滿負荷運行，即Qf2等于3倍的風機出口風量。

表1 小功率大風量軸流風機與大直徑風管匹配計算結(jié)果Table 1 Calculation results of matching between small-power large-air-volume axial fan and large-diameter ventilation duct

表2 向開挖面送風的軸流風機與風管匹配計算結(jié)果Table 2 Calculation results of matching between axial fan and ventilation duct used to supply air to excavation face

2．3．3 單斜井雙正洞射流通風技術(shù)設(shè)備配套

按照隧道需風量的不同，可從表2中選擇適合本工程的往開挖面送風的軸流風機和風管配套，并且每種配套均對應(yīng)一個隧道需風量數(shù)值，從表1中選擇合 適的小功率大風量軸流風機與大直徑風管匹配。表3為部分配套方案，可供不同隧道的通風設(shè)計方案參考。

表3 單斜井雙正洞射流通風技術(shù)設(shè)備配套表Table 3 Parameters of jet ventilation for twin-tube tunnel accessed from one single inclined shaft

3 單斜井雙正洞射流通風技術(shù)在包家山隧道3#斜井的應(yīng)用

3．1 施工通風方式的確定

包家山隧道3#斜井工區(qū)［9］由于只有1個斜井，4個作業(yè)面的新風和污風均由該斜井進出，且由于正洞采用無軌運輸，需風量很大，按照常規(guī)方法通常采用壓入式通風，斜井需要布置4趟管路，對斜井斷面要求很高，難度很大，而且不經(jīng)濟。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用了單斜井雙正洞射流技術(shù)，如圖5所示。小功率大風量軸流風機(因為考慮盡量利用現(xiàn)場已有的通風設(shè)備，用2臺220 kW軸流風機替代)放在隧道右線內(nèi)，將隧道內(nèi)污風排出，新風從斜井進入隧道左線，壓入式軸流風機放置在隧道左線，對隧道4個開挖工作面進行獨頭壓入式送風，污風再從右線隧道的2臺220 kW軸流風機抽出洞外，形成一個自然流動配合機械通風的閉合通風系統(tǒng)。東西兩側(cè)軸流風機后面應(yīng)該放置55 kW射流風機，對軸流風機進行增壓，防止空氣倒流，造成污風循環(huán)，在正對斜井的橫通道設(shè)置風門，以防止污風循環(huán)。當隧道開挖進尺延長，可將軸流風機往開挖面方向移動，以減少隧道獨頭通風長度，增大風量，節(jié)約風管成本和用電成本，軸流風機后面的橫通道應(yīng)該及時封閉。

圖5 包家山隧道3#斜井工區(qū)施工通風方式示意圖Fig．5 Sketch of ventilation for No．3 inclined shaft lot of Baojiashan tunnel

3．2 應(yīng)用后通風效果測試

CO和NO2濃度測點距掌子面30 m，因為大里程方向很早就開挖至分界里程位置，所以分別在左線小里程和右線小里程方向進行測試，這里列出左線小里程的測試結(jié)果。

測試時通風距離為780m，左線掌子面風量為1 206m3/min，右線掌子面風量為1 126m3/min，爆破后30 min，距離掌子面30 m處CO濃度降至設(shè)計標準以內(nèi)。表4為左線小里程方向開挖爆破后15min開始測試，CO和NO2濃度以及風速變化值，從數(shù)據(jù)可以看出，掌子面風速和風量均滿足施工要求，放炮后60 min，CO濃度降至國家標準(30 mg/m3)，在整個出碴過程中CO濃度值一直為20～30 mg/m3，NO2濃度也遠遠低于國家標準(5 mg/m3)。

圖6為左線小里程方向的CO濃度曲線變化圖，從圖中可以看出，在爆破后30 min以內(nèi)，CO濃度值基本成直線下降，在30 min以后，CO濃度值才趨于平緩，說明當時排煙效果良好，進一步說明了單斜井雙正洞射流通風技術(shù)這種新型的施工通風模式能夠滿足現(xiàn)場施工通風的要求，可供類似隧道施工通風參考借鑒。

表4 左線小里程方向爆破15 min后空氣測試數(shù)據(jù)Table 4 Measured ventilation results in left tunnel tube 15 minutes after blasting

圖6 左線小里程方向CO濃度曲線變化圖Fig．6 Curve of variation of content of CO in left tunnel tube

4 結(jié)論與討論

采用單斜井雙正洞這種新型的通風模式，既能成功地解決由斜井進入正洞多作業(yè)面同時施工的通風難題，又可以保證隧道良好的施工作業(yè)環(huán)境，具有較大的理論價值和實踐價值;風機和風管的配套選型列表，可供類似隧道的施工通風參考借鑒。目前，在國內(nèi)暫無此類型通風方式的研究先例，要真正將單斜井雙正洞射流通風方式推廣并應(yīng)用，還需通過更多工程進行驗證。

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