王 偉 魏鉑佳 杜榮祥

1 隧洞通風技術發(fā)展現(xiàn)狀

SL 303—2004《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》規(guī)定：“采用鉆爆法施工時，施工支洞間距不宜超過3 km”，即主洞獨頭掘進長度一般不超過1.5 km，考慮施工支洞長度，國內(nèi)鉆爆法施工隧洞獨頭通風長度一般控制在3 km以內(nèi)。隨著通風管質(zhì)量的不斷提升，獨頭通風距離長度有明顯的增加，如西康線秦嶺隧道，獨頭通風長度已達7.5 km，引漢濟渭出口段通風長度為6.5 km，巴基斯坦N-J水電站工程A4下游工作面獨頭通風長度5.3 km，從大量國內(nèi)外工程獨頭通風長度分析，鉆爆法施工獨頭通風長度達4 km即屬于先進水平。

隧洞采用TBM施工時，通風管節(jié)長大幅增加，一般在200 m以上，最大節(jié)長已達500 m，管節(jié)的增長使管路漏風率大幅減小，通風機有效通風距離大幅增長，一般可達10 km以上。如大伙房輸水隧洞TBM1通風長度12.82 km，引漢濟渭輸水隧洞嶺南TBM通風長度10.23 km，引黃工程聯(lián)結(jié)段7#隧洞通風長度13.52 km，巴基斯坦NJ水電站引水隧洞通風長度10.52 km。

2 隧洞施工通風方式

水利工程輸水隧洞通常為單洞，在同期工程中很少設置并行的兩條隧洞，施工過程中很少能用到雙洞或多洞情況下的巷道式通風方式，因此，在輸水隧洞工程中，當隧洞長度較短，或隧洞雖長但淺埋、容易設置施工支洞實現(xiàn)“長洞短打”的情況下，一般利用自然洞口或支洞口，采用基本的通風方式就能滿足通風要求。當隧洞既長又深埋、且不便設置施工支洞實現(xiàn)“長洞短打”的情況下，這就需要設置專門的輔助通風豎井或斜井，以實現(xiàn)長距離獨頭掘進情況下的通風要求。

2.1 隧洞基本通風方式

2.1.1 送風式

送風式的管路進風口設在洞外，出風口設在掌子面附近，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。

2.1.2 排風式

排風式分為負壓排風式和正壓排風式，管路的進風口設在掌子面附近，出風口設在洞外，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)隧洞到達掌子面，污濁空氣則直接由管路排至洞外。

2.1.3 混合式

混合式由送風式和排風式變換組合而成，可分為兩大類型，一類為長排短送混合式，一類為長送短排混合式，每種類型根據(jù)長短風管正負壓可變換成多種形式。

在風機的作用下，新鮮空氣從洞外進入隧洞，流向送風機的入口并進入送風管路，經(jīng)送風管路送到掌子面；污濁空氣從掌子面由隧洞流向排風管路的入口，進入排風管路，經(jīng)排風管排至洞外。

2.2 設置通風井條件下的通風方式

2.2.1 利用豎井自然排風

一般深埋隧洞四周巖溫較高，通風豎井底部空氣受地溫影響而升溫，井口和井底形成自然風壓，空氣自下而上形成自然風流，從而形成自然風由隧洞自然洞口流向通風豎井，此時可采用射流巷道式通風方式。該通風方式可分為兩種形式：當隧洞較短且洞內(nèi)采用污染較大的柴油機械運輸時，送風機放置于隧洞自然洞口外，新風由送風管路直接送到掌子面，掌子面污濁空氣及沿途污濁空氣流向通風豎井，經(jīng)豎井排出洞外。當隧洞很長且洞內(nèi)采用污染較小的進口柴油機械或電瓶車運輸時，可將送風機放置于洞內(nèi)通風豎井的上風側(cè)，這樣可以縮短通風管路長度，這對于減少通風管路漏風量和風壓等相當有意義。兩種通風形式見圖1。

這兩種形式，均可在洞內(nèi)增設射流風機，通過射流風機引射調(diào)整由洞口流向通風豎井的風量，若自然風流足夠大，可關掉射流風機。

2.2.2 利用豎井機械送風或排風

圖1 設通風豎井的射流巷道式通風示意圖

當自然風由通風豎井流向隧洞自然洞口，或掌子面到通風豎井距離太長時，可采用從豎井向洞內(nèi)送風的通風方式或正壓排風混合式通風方式。當隧洞較短且洞內(nèi)采用污染較大的柴油機械運輸時，采用從豎井向洞內(nèi)送風的通風方式，新風由通風豎井經(jīng)風管直接送至掌子面，污濁空氣從掌子面流向隧洞自然洞口，排至洞外。當隧洞很長且洞內(nèi)采用污染較小的進口柴油機械或電瓶車運輸時，采用正壓排風混合式通風方式，新風由隧洞自然洞口向洞內(nèi)流動，至送風機入口時，由送風管路送至掌子面，污濁空氣從掌子面流向排風管路風機入口，進入排風管路，經(jīng)通風豎井排出洞外。兩種通風形式分別見圖2、3。

圖2 設通風豎井的送風式通風示意圖

圖3 設通風豎井的混合式通風示意圖

2.2.3 高海拔隧洞的通風方式

通過送風式和排風式通風隧洞內(nèi)風流的靜壓分析，送風式通風的風流在隧洞內(nèi)的壓力大于隧洞外自然環(huán)境，相當于將隧洞高程下降了一定海拔高度，排風式則完全相反，因此高海拔隧洞施工通風中宜優(yōu)先選用送風式的通風方式。

另外，高海拔地表氣溫低，自然風壓較大，可將通風機或進風口布置在背陰處，通風機的風流方向與自然風流方向在全年絕大多數(shù)時間內(nèi)一致，增大自然風壓也就相當于下降了海拔高度。

2.2.4 水工深埋長隧洞通風方式

對于水利工程中的深埋長隧洞，由于隧洞埋深大，設置施工支洞較困難，獨頭掘進長度較長，通常采用TBM掘進機進行施工。TBM施工通常采用連續(xù)皮帶機出渣、機車進料或全部采用機車運輸?shù)姆绞?，機車一般采用無污染的電瓶車或低污染的內(nèi)燃機車牽引，這樣對于洞徑較大的隧洞，采用大管徑風管，可不設置通風豎井或少設置通風豎井即可滿足通風要求。通常當管片襯砌或一次支護后洞徑大于6 m時，可采用直徑2 m及以上風管，獨頭通風距離可超過10 km。比如大伙房輸水隧洞TBM1、引漢濟渭輸水隧洞嶺南TBM、吉林引松供水工程等，均采用2.2 m直徑風管，獨頭通風長度均超過10 km。

對于洞徑較小的隧洞，采用的通風管管徑較小，受風管耐壓限制，獨頭通風距離有限，這就需要設置通風豎井以滿足通風要求，通風方式可采用將送風機置于通風豎井上風側(cè)的射流巷道式通風方式或正壓排風混合式通風方式，如圖1（b）、3。

3 水利工程通風控制標準

水利、鐵路、公路、煤礦、冶金等行業(yè)都對隧洞（道）施工環(huán)境中含氧量、工作面最小風速、CO濃度、人員和柴油設備需氧量等做出了規(guī)定，其數(shù)值差別不大。SL 303—2004《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》規(guī)定的隧洞通風主要參數(shù)：（1）人員需風量：0.05 m3/s，即3 m3/min。（2）千克炸藥產(chǎn)生的有害氣體折合成CO量：40 L/kg。（3）柴油機械需風量：4.08 m3/（min·kW）（4）鉆爆法施工工作面最小風速為0.25 m/s；TBM施工最小風速為0.5 m/s。（5）洞室內(nèi)平均溫度不超過28℃。（6）當洞、井位于海拔1 000 m以上時，計算的通風量應乘以高程修正系數(shù)：施工人員所需風量修正系數(shù)為1.3～1.5；爆破散煙所需風量應除以高程修正系數(shù)：海拔高程修正系數(shù)為：0 m：1.0；1 000 m：0.90；1 500 m：0.85；2 000 m：0.81；使用柴油機械通風數(shù)為1.2～3.9，柴油機械通風量高程修正系數(shù)見圖4。

圖4 使用柴油機通風量高程修正系數(shù)

4 通風計算

隧洞施工通風計算主要考慮施工人員需風量、柴油機械需風量和最小風速等因素。下面結(jié)合深埋長隧洞TBM施工介紹通風計算。

4.1 需風量計算

施工人員需風量：

Qp=3kpN

柴油機械需風量：

Qd=∑3kePdi

允許最低風速所需風量：

Qv=Av

工作面需風量按上述計算最大值確定：

Qn=Max[Qp，Qd，Qv]

式中 Qp——隧洞內(nèi)施工人員呼吸所需要的總風量，m3/min；

kp——施工人員所需風量修正系數(shù)，取1.3；

N——洞內(nèi)最多施工人數(shù)；

Qd——柴油機械需風量，m3/min；

Pdi——工作面柴油機械功率，kW；

ke——柴油機械高程系數(shù)；

Qv——按允許最低風速計算的需風量，m3/min；

A——斷面面積，m2；

v——允許最低風速，m/s。需要注意的是TBM施工運輸若采用內(nèi)燃機車，車輛數(shù)目隨掘進長度逐步增加，通常工作面附近最大時有兩列車，而整條隧洞內(nèi)不只兩列車。因內(nèi)燃機車為移動柴油機械，故不能簡單地作為工作面需風機械，因其尾氣沿程排放，管道漏風對其有相同稀釋作用。但風機供風量應滿足各段柴油機械分布要求。

4.2 風機供風量和風壓計算

風機供風量實際為管路漏風計算，計算公式較多，青函隧道理論采用百米漏風率平均值，便于測定，計算漏風量時考慮了沿程風量的變化，更接近實際，故采用青函隧道理進行漏風計算。

風機供風量：

式中 Qf——風機供風量，m3/min；

Qn——工作面需風量，m3/min；

P100——百米漏風率；

L—通風長度，m。

摩擦阻力：

式中 hf——摩擦阻力，Pa；

λ——摩擦系數(shù)；

d——通風管直徑，m；

β——風管百米漏風率平均值；

L——風管長度，m；

Q0——風機工作點風量，m3/s。

局部阻力：

式中 hx——管部局部阻力，Pa；

v1——管路小斷面處的風速，m/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系數(shù)。

風機全壓（靜壓）：ht=hf+hx

5 通風設備選擇

5.1 通風機

隧洞通風機有軸流風機和離心風機。因軸流風機風壓低、風量大，串聯(lián)方便，適合長距離通風，在隧洞施工通風中被廣泛采用；離心風機使用較少。軸流風機通過串聯(lián)可增加風壓，通過并聯(lián)可增加風量。多級軸流風機串聯(lián)常采用兩兩對旋，對旋式風機相對于非對旋風機，具有損耗小，壓力大、效率高的特點。

5.2 通風管

隧洞施工通風中常用的風管有軟風管、硬風管和伸縮性風管。

軟風管是用涂塑布制成，基布為滌綸、維綸等紡織物，質(zhì)量小，漏風率低，拆裝搬運方便，適合做大直徑風管，只能用于正壓通風。

硬風管一般為鐵風管，通常采用法蘭盤連接，也有玻璃風管、鋁塑管、玻璃纖維塑料管，它們通常為板材在現(xiàn)場加工成型，可用于正壓通風也可用于負壓通風。

伸縮性風管通常為軟風管加鋼圈而成，主要用于負壓通風，由于阻力較大，僅用于短距離通風。

拉鏈式軟風管具有質(zhì)量小，漏風率小，拆裝搬運方便，適合于長隧洞的通風。輸水隧洞施工通風均采用拉鏈式軟風管，其中TBM軟風管單節(jié)長度在300 m以上。

6 結(jié)語

（1）水利工程中高海拔深埋長隧洞通常采用設置輔助通風豎井的通風方式，并充分利用豎井上、下壓差形成的自然風流，可減少風機供風量。

（2）通風計算時，需結(jié)合工程所處海拔和洞內(nèi)運輸方式，充分考慮海拔修正系數(shù)和柴油機械單位千瓦需風量，既要滿足工作面的最大需風量，也要滿足整條隧洞內(nèi)所有柴油機械需風總量。

（3）通風距離較長時，通常選用多級對旋式軸流風機和拉鏈式軟風管。