何彥筠

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

1 工程概況

某隧道共設(shè)4個斜井，其中2號斜井位于隧道左線左側(cè)。采用雙車道無軌運輸，斜井長2 730 m，綜合坡率為-11.4%，承擔正洞施工任務(wù)，左、右線長4 025 m。2號斜井井口至正洞高差達300 m，且洞口處于山谷和河道的三角形頂端，自然風風壓大。尤其受冬季季風影響，炮煙、車輛尾氣、灰塵集中于進洞200～500 m范圍內(nèi)，造成污風排出困難形成了污風滯留區(qū)，施工作業(yè)進度和安全均得不到保障。

2 通風設(shè)計方案比選

2號斜井長達2 730 m，正洞最大獨頭掘進2 375 m，隧道正洞左右線4個開挖面均通過2號斜井獨口通風，且需解決斜井洞口自然風壓下如何排污的問題。方案比選如下：

a）壓入式通風 目前采用最多的通風方式，但國內(nèi)生產(chǎn)的通風設(shè)備難以提供足夠大的風量及風壓，且送風距離相對較短。

b）混合式通風 斜井內(nèi)占地面積大、通風設(shè)備多，故障率高及施工組織難度大，效果不理想。

c）中隔板風道式通風，存在長距離隔板施工的經(jīng)濟性差及隔板漏風等缺陷。

d）采用兩臺瑞典蓋雅變頻通風機，風管直徑2.2 m。斜井洞口制作隔離巷道、設(shè)置煙囪式排風口，改變了空氣的流動方向，從而達到了污風有效排出的效果。

3 理論計算

3.1 通風條件

a）最低溫度 -15℃；b）海拔 12 00 m；c）空氣比重 1.2 kg/m3；d）隧道通風系數(shù) 0.56；e）作業(yè)面最大柴油功率小于400 kW；f）風機選型計算 采用廠家通風計算軟件，滿足5 500 m通風距離（1號斜井的最大通風距離計算），單作業(yè)面風管出口流量20 m3/s，配置風機型號為 2×AVH180.200（2×200 kW）。

3.2 計算內(nèi)容

根據(jù)蓋雅公司設(shè)計，將通風按照最困難情況即正洞開挖至進口分界里程考慮。洞外設(shè)置風機兩臺，每臺風機負責向一個方向兩個掌子面送風。井底安裝軟式三叉管分風，每個掌子面風管安裝閘閥一個。其中系統(tǒng)風壓計算從理論上來講，通風系統(tǒng)克服通風阻力后在風管末端風流具有一定的動壓，克服阻力則取決于系統(tǒng)靜壓，動壓與靜壓之和即為系統(tǒng)需供風壓。其中系統(tǒng)風壓計算過程如下。

3.2.1 動壓計算

式中：γ為空氣密度，取1.2 kg/m3；v為末端管口風速，按工作面最小風速折算取12 m/s。

3.2.2 靜壓計算

風管直徑據(jù)風管廠提供的技術(shù)指標，采用PVC增強塑纖布作風管材料，摩擦阻力系數(shù)α取0.001 8 N·s2/m4。

a）管道風流沿程摩阻風壓損失 h摩=Q2Rf/PL=1.72×45.982/1.21=3 005.25 Pa.

b）局部阻力 h局≈0.1·h摩=0.1×3 005.25=300.5 Pa.

c）系統(tǒng)靜壓 h靜=h摩+h局=3 005.25+300.5=3 305.8 Pa.

d）系統(tǒng)風壓取值 h系統(tǒng)=h動+h靜=86.4+3 305.8=3 392.2 Pa，即風機需要提供不低于3 392.2 Pa的風壓補償，風量2 758.8 m3/min。通風管徑越大，則系統(tǒng)阻力越小，正洞選擇1.8 m的通風管即滿足要求。

為保證正洞兩個作業(yè)面可同時作業(yè)，斜井對風量要求高于正洞總和，即：斜井通風段，風機進口流量69.4 m3/s，斜井底風管出風量為54 m3/s；正洞通風段，風管進口出風量為54/2=27 m3/s，風管出口流量20 m3/s，隧道斷面約50 m2，作業(yè)面風速可達到0.4 m/s。經(jīng)過計算，斜道通風管采用2.2 m的直徑滿足要求。為了便于施工和確保通風效果，最后決定此項目正洞和斜井通風段，均采用2.2 m的通風管道，將有利于污風的引排。

4 隧道斜井洞口人工煙囪隔離巷道式污風引排技術(shù)

4.1 引排技術(shù)原理

受洞口壓力的影響較大，出風口與洞內(nèi)存在壓差，洞內(nèi)污濁空氣不能及時排出?？紤]到斜井口的排風方向朝向季風的主流動方向，因此采用在洞口增加人工煙囪來改變排風方向[1]。利用煙囪原理，用中隔板將斜井上、下部空間隔離，形成兩個相對獨立的氣流通道。上部空間利用隔板在斜井口向洞外延伸后，以與斜井斷面全封閉形式做成豎向煙囪形式。在斜井口安裝豎向通風道，從而形成煙囪效應(yīng)。將不利于斜井排污的自然風引流入洞，在洞內(nèi)形成對流、混合污風[2]。在自然形成的風壓降作用下，自隔板上部排出，有效地改善隧道通風條件和隧道作業(yè)環(huán)境。如圖1所示。

圖1 斜井洞口人工煙囪隔離巷道式污風引排原理示意圖（斜井施工）

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

4.3 隔離巷道設(shè)置方式

隔離巷道高度必須依據(jù)斜井凈空綜合考慮下部運輸及上部通風情況，并通過計算確定。上部隔離巷道需既能夠容納下通風管路，同時剩余空間能夠滿足克服巷道阻力正常排除污風的目的[3]。在滿足下部通道運輸?shù)那闆r下，合理選擇上部空間的大小。依據(jù)隧道高峰期洞內(nèi)施工排風、斜井口風壓以及斷面情況，施工確定通風巷道分隔斷面為下部通道高度不低于4.0 m，上部巷道高2.49 m。通風風管從上部巷道穿越，具體尺寸如圖3所示。根據(jù)通風設(shè)計，正洞內(nèi)回風速度不小于0.5 m/s。同時考慮兩個掌子面最大風量供風，通過隔板上部空間的計算風量為44 m3/s，隔板面積為9.38 m2，過流風速大于4.69 m/s。

圖3 斜井隔離巷道斷面及風管設(shè)置示意圖（單位:cm）

4.4 斜井洞口煙囪設(shè)置方式

斜井口煙囪結(jié)構(gòu)尺寸為9 m寬×2.4 m長×6 m高，煙囪外包斜井口。封面板選為彩鋼板，骨架采用角鋼焊接而成，主支架采用型鋼支架，彩鋼板與骨架及彩鋼板之間均用鉚釘連接，煙囪頂部靠支架與斜井口仰拱面形成支撐體系。先焊接型鋼支架，支架完成后，開始安設(shè)煙囪體系。煙囪安設(shè)以2 m為一節(jié)搭接安設(shè)，每節(jié)在地面焊接煙囪骨架，鉚固彩鋼板。采用吊車提升后，通過鉚釘固定及骨架焊接固定到型鋼骨架上。施工過程需注意接茬口的預(yù)留，以使各節(jié)連接密封性和整體性，保證通風效果。

4.5 斜井洞口段中隔板施工

斜井內(nèi)隔板采用彩鋼板，總體寬度7.53 m，洞內(nèi)支架采用5 cm等邊角鋼為主要材料，縱向支撐緊貼斜井兩側(cè)初支設(shè)置，橫向支架間距1.5 m，橫向支撐之間設(shè)置剪刀撐，便于支托彩鋼穩(wěn)固。彩鋼板采用3 mm瓦狀彩鋼，安裝采取搭接滿鋪方式，搭接長度不小于5 cm，并用鉚釘鉚接，同時在彩鋼瓦接縫處打膠進行密封。斜井施工過程隔板安裝長度，以洞內(nèi)、外風壓大致平衡的位置為宜。

4.6 風機、風管安裝

通風機設(shè)置在距洞口20～25 m，通風機安裝在工鋼支架上。通風管安裝于通風巷道內(nèi)，用膨脹螺栓固定于隧道頂部。

4.7 通風系統(tǒng)安裝調(diào)試

調(diào)試時機選擇：早晨洞口風較大、洞內(nèi)正處于出碴工序時段，洞內(nèi)通風質(zhì)量相對最差，以檢查隔離巷道的密閉性及驗證洞口煙囪狀通風口的最佳高度[4]。調(diào)試過程：a）將變頻通風機正常檔位開啟，逐節(jié)安裝煙囪狀通風口。采集通風參數(shù)及隧道內(nèi)通風效果數(shù)據(jù)，需達到《鐵路隧道施工規(guī)范》要求，最終確定煙囪最佳高度為5.7 m，煙囪排污達到了預(yù)期效果。b）根據(jù)洞內(nèi)送風距離的增加而加長隔板設(shè)置長度。通風效果表明，巷道隔板延長至120 m左右，即可解決斜井洞口200～500 m處污風無法排出的問題。進入正洞施工后，隨著隧道開挖面的延長，通過試驗將斜井隔板進一步延長，隧道通風改善明顯。

5 通風效果

風機于2011年8月正式開始換裝，通過現(xiàn)場檢測進出口風管風速，風損指標與設(shè)計接近，達到了設(shè)計預(yù)期效果。2號斜井蓋雅風機測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 2號斜井蓋雅風機測試數(shù)據(jù)

項目于2012年1月對斜井口通風進行改造完成。通過洞口制作隔離巷道、設(shè)置煙囪式排風口，在斜井上斷面加設(shè)隔板用于引流污風。污風通過隔板，由處于斜井口處5.7 m高煙囪排出，有效地解決了污風排出難的問題，改善了2號斜井通風質(zhì)量，同時施工用電也得到了一定程度的降低。

表2 通風機耗電量 kWh

通過相關(guān)資料可以看出，在正常通風情況下，隨著斜井開挖深度的延長，洞內(nèi)通風量需求逐步加大，通風機耗電量在逐步加大。但仔細分析表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，通風巷道安裝后的2012年2月之后的2—4月3個月，單月耗電量明顯低于安裝前的2011年的8—10月份。安裝之后的2012年2月份耗電量比安裝前2011年10月份耗電量從實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計要節(jié)省用電1萬度以上，合標準煤每月節(jié)省1.228 t，充分實現(xiàn)了增設(shè)煙囪及隔板后的節(jié)能效果，降低了通風成本。

6 結(jié)論

a）在長陡斜井、正洞通風距離長的情況下，通風設(shè)備的選型至關(guān)重要。本工程選擇的進口通風機及配套設(shè)施，可根據(jù)不同作業(yè)工況，合理選擇通風頻率，經(jīng)濟效益明顯，且有效解決了需風量大、風壓大、送風距離長的獨頭通風難題。

b）采用在洞口增加豎向煙囪，形成了豎向排風通道，改變了自然風與污風交叉方向。與機械強制排風相比，煙囪隔離巷道式自動引排工藝成本低、效果好。

c）隔離巷道高度需綜合考慮下部運輸及上部容納通風管，在斜井外20～25 m左右安裝通風機。在自然形成的風壓降作用下，自隔板上部排出，有效地改善了隧道通風條件，改善了隧道作業(yè)環(huán)境。

d）通風設(shè)備每個階段的調(diào)試，測試內(nèi)容包括氣象條件、管路風量和風壓、作業(yè)區(qū)段的有害氣體和粉塵濃度以及風機安設(shè)位置對各斷面風速的影響等。

e）特長隧道獨頭壓入式通風及自然風壓下斜井洞口設(shè)置煙囪隔離巷道式污風自動引排技術(shù)，在該隧道2號斜井得到了成功應(yīng)用，值得在其他隧道斜井施工中推廣應(yīng)用。