馬培新，劉文軍，胡偉峰

臥龍溝一號(hào)隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

馬培新1，劉文軍1，胡偉峰2

（1.青海省公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810001；2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100011）

高寒高海拔螺旋隧道的施工通風(fēng)受到海拔、隧道螺旋性等因素的影響，通風(fēng)效率低下，施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)與平原常規(guī)隧道相區(qū)別。針對(duì)臥龍溝一號(hào)隧道高寒、高海拔、螺旋性等特點(diǎn)，考慮各方面因素進(jìn)行通風(fēng)方案修正計(jì)算，并給出相應(yīng)的施工通風(fēng)安全管理方案和建議，供同類(lèi)隧道參考。

高原；螺旋隧道；風(fēng)機(jī)參數(shù)；通風(fēng)設(shè)計(jì)

隨著隧道技術(shù)理論的發(fā)展，越來(lái)越多的隧道工程將在施工環(huán)境更惡劣的高原地區(qū)建成，給隧道的施工通風(fēng)帶來(lái)了巨大的壓力，而高寒高海拔螺旋隧道的施工通風(fēng)同時(shí)受到海拔、隧道螺旋性等因素的影響，通風(fēng)效率更為低下[1]。

由于目前對(duì)于高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)沒(méi)有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，施工單位往往傾向于借鑒平原地區(qū)直線(xiàn)隧道的施工通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)。本研究以臥龍溝1號(hào)隧道為依托，針對(duì)臥龍溝一號(hào)隧道的高寒、高海拔、螺旋性等特點(diǎn)，考慮各方面因素進(jìn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，為今后該類(lèi)隧道的通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

臥龍溝一號(hào)隧道是西北地區(qū)首條處于高寒高海拔地區(qū)的螺旋型隧道，施工條件惡劣，氣壓低。隧道為一座上下分離的高速公路長(zhǎng)隧道，隧道左線(xiàn)全長(zhǎng)2 626 m，右線(xiàn)全長(zhǎng) 2 554 m，左、右線(xiàn)單向坡度分別為2.55%和2.52%，隧道最大獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 300 m，因此施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)方式。隧道范圍內(nèi)海拔約3 000 m，洞外大氣壓平均為 70.106 kPa。

臥龍溝1號(hào)隧道右線(xiàn)進(jìn)口平面線(xiàn)形為圓曲線(xiàn)，= 1 255 m，接緩和曲線(xiàn)，-120 m，再接圓曲線(xiàn)出洞，= 700 m；左線(xiàn)進(jìn)口平面線(xiàn)形為圓曲線(xiàn)，=1 288 m，接緩和曲線(xiàn)，-140 m，再接圓曲線(xiàn)出洞，=720 m。臥龍溝1號(hào)隧道尺寸如圖1所示。

圖1 臥龍溝1號(hào)隧道隧道線(xiàn)型

2 計(jì)算參數(shù)

臥龍溝一號(hào)隧道主洞內(nèi)輪廓采用單心圓形式[2]，拱半徑為5.61 m，凈空面積為64.49 m2，隧道施工采用兩端獨(dú)頭掘進(jìn)，獨(dú)頭掘進(jìn)最大長(zhǎng)度為1 300 m，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)管直徑為1.6 m。施工通風(fēng)系統(tǒng)橫斷面如圖2所示。

圖2 臥龍溝1號(hào)隧道橫斷面

臥龍溝一號(hào)隧道施工通風(fēng)詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 臥龍溝一號(hào)隧道施工通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

名稱(chēng)取值（數(shù)值）單位 通風(fēng)隧道總長(zhǎng)1 300m 隧道凈斷面面積64.49m2 爆破最大用藥量140.3kg 風(fēng)管直徑1.6m 煙霧拋甩距離根據(jù)計(jì)算確定m 隧道內(nèi)最大同時(shí)施工人數(shù)45人 C50裝載機(jī)2臺(tái) 220挖掘機(jī)1臺(tái) 25 t自卸機(jī)器4臺(tái)

3 結(jié)果分析

3.1 施工通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

3.1.1 海拔修正系數(shù)

高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)的需風(fēng)量計(jì)算方法需要在普通常規(guī)隧道施工通風(fēng)的計(jì)算方法上進(jìn)行修正。因?yàn)殡S著海拔高度的增加，大氣壓力降低，空氣重率和密度降低，出現(xiàn)了高原修正系數(shù)γ[3]，通過(guò)式（1）（2）能夠計(jì)算出具體海拔高度的γ值，而γ值的倒數(shù)所反映的就是高原空氣膨脹率，即海拔高度為0處的空氣在高寒高海拔地區(qū)體積會(huì)膨脹1/γ倍，因此，高寒高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量也必須依此進(jìn)行高程修成。

隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，單位體積中氣體分子數(shù)減少，空氣稀薄，空氣重率和密度降低有以下關(guān)系：

=0（1－/44 300）4.256（1）

式（1）中：0為常壓下的空氣密度，一般為1.2 kg/m3；為海拔高程。

隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，出現(xiàn)了高原修正系數(shù)：

式（2）中：γ為高原修正系數(shù)；z為高程處的空氣密度；0為海平面處的空氣密度，一般取1.2 kg/m3。

計(jì)算得高原修正系數(shù)γ=0.74。

3.1.2 風(fēng)量修正計(jì)算

3.1.2.1 按洞內(nèi)最多工作人員需風(fēng)量修正

高寒高海拔隧道中，隧道內(nèi)每人供應(yīng)新鮮空氣量為 4 m3/min（平原地區(qū)為3 m3/min），則按工作人數(shù)計(jì)算修正風(fēng)量如下：

1=4（3）

式（3）中：1為工作面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)所需風(fēng)量，m3/min；為高程修正系數(shù)1/γ；為隧道內(nèi)最多工作人數(shù)。

計(jì)算得1=243 m3/min。

3.1.2.2 按炸藥用量修正風(fēng)量

在高原隧道環(huán)境下，炮煙體積膨脹，此時(shí)產(chǎn)生的有害氣體體積增加了1/γ倍，則根據(jù)式（4）計(jì)算風(fēng)量：

限制最低風(fēng)速是為了給隧道內(nèi)排塵，這種計(jì)算風(fēng)量的方法主要考慮的是隧道內(nèi)風(fēng)速因素，而與空氣重率等無(wú)關(guān)，所以海拔高度對(duì)排塵風(fēng)量無(wú)影響，因此不考慮高原修正。

《公路隧道施工規(guī)范》規(guī)定，全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，導(dǎo)坑內(nèi)不應(yīng)小于0.25 m/s。

3=60··（5）

式（5）中：為工作面最小風(fēng)速，全斷面開(kāi)挖取0.15 m/s；為隧道斷面面積，64.49 m2。

代入式（5）得3=580.4 m3/min。

3.1.2.4 按稀釋和排出內(nèi)燃設(shè)備廢氣修正風(fēng)量

在高原環(huán)境下，由于含氧量低，普通柴油機(jī)的耗油量和廢氣排放量有所增加，在低氣壓的高原條件下，內(nèi)燃設(shè)備排放的廢氣也發(fā)生體積膨脹。根據(jù)高原情況下CO的限值要求，對(duì)隧道施工采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，作出如下建議：海拔2 km以下時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3 m3/（min·kW）；海拔2～3 km時(shí)，供風(fēng)量不宜小于3.5 m3/（min·kW）；海拔3～4 km時(shí)供風(fēng)量不小于4 m3/（min·kW）；海拔4～5 km時(shí)供風(fēng)量不小于4.5 m3/（min·kW）；海拔5 km以上時(shí)供風(fēng)量不小于 5 m3/（min·kW）。

式（6）中：4為稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量，m3/min；為單位功率內(nèi)燃設(shè)備供風(fēng)量，取4 m3/（min·kW）；i為每種內(nèi)燃設(shè)備的額定功率，詳見(jiàn)表2。

筆者設(shè)計(jì)了一種十字交叉型懸臂梁約束支撐微納測(cè)頭?；趬簵U失穩(wěn)原理，利用壓電裝置改變懸臂梁的軸向受力以改變其剛度，進(jìn)而改變約束支撐機(jī)構(gòu)的整體剛度。基于最小勢(shì)能原理建立約束支撐機(jī)構(gòu)的剛度模型，為計(jì)算變剛度控制過(guò)程所需壓電驅(qū)動(dòng)力提供重要的理論依據(jù)，并通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和變剛度調(diào)節(jié)的可行性。

表2 臥龍溝1號(hào)隧道內(nèi)燃設(shè)備配置表

機(jī)械名稱(chēng)配置臺(tái)數(shù)工作臺(tái)數(shù)單機(jī)功率/kW C50裝載機(jī)21142 220挖掘機(jī)11114 25t自卸機(jī)器42186

計(jì)算得4=2 512 m3/min。

臥龍溝一號(hào)隧道內(nèi)工作面需風(fēng)量計(jì)算值如表3所示。

表3 工作面需風(fēng)量計(jì)算

序號(hào)計(jì)算需風(fēng)量方法分類(lèi)計(jì)算結(jié)果/（m3·min-1） 1按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算Q1243 2按排出炮煙計(jì)算Q2360 3按允許最低平均風(fēng)速計(jì)算Q3580 4按稀釋和排出內(nèi)燃廢氣計(jì)算Q42 512

取上述計(jì)算風(fēng)量的最大值作為計(jì)算風(fēng)量：d=max（1，2，3，4）=2 512 m3/min。

3.1.3 通風(fēng)機(jī)所需供風(fēng)量

由于風(fēng)管在送風(fēng)過(guò)程中存在漏風(fēng)[4-5]，因此，將漏風(fēng)率考慮進(jìn)去，用管道漏風(fēng)系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)量進(jìn)行修正，作為通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量：

式（7）中：為管道漏風(fēng)系數(shù)；為百米平均漏風(fēng)率，取1.2%；為通風(fēng)距離，m。

則通風(fēng)機(jī)所需供風(fēng)量為：

=d（8）

式（8）中：為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量；為管道漏風(fēng)系數(shù)；d為計(jì)算風(fēng)量。

計(jì)算得：=1.17×2 512=2 939 m3/min，即48.98 m3/s。

3.1.4 管道壓力損失及通風(fēng)機(jī)全壓

管路的摩擦風(fēng)阻計(jì)算公式為：

式（9）中：f為管路的摩擦風(fēng)阻，kg/m7；c為摩擦系數(shù)；為空氣密度；為過(guò)風(fēng)斷面當(dāng)量直徑；為風(fēng)管百米漏風(fēng)率平均值；為隧道長(zhǎng)度；為風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

平面曲線(xiàn)半徑＜2 000 m的曲線(xiàn)隧道，沿程阻力系數(shù)可按式（10）計(jì)算：

c=1.823 5·-0.078（10）

式（10）中：c為曲線(xiàn)隧道壁面摩阻損失系數(shù)；為隧道壁面摩阻損失系數(shù)；為曲線(xiàn)段平面曲線(xiàn)半徑，m。

將=0.019 4、=0.9 kg/m3、= 1.6 m、=1.2%、= 1 300 m、= 48.98 m3/s代入式（9）中，得f=4 935 Pa。為簡(jiǎn)化計(jì)算，局部阻力損失取為沿程阻力損失的10%，即t=0.1f=0.1·4 935=493.5 Pa。

通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓按通風(fēng)系統(tǒng)克服局部阻力、沿程風(fēng)阻之和計(jì)算，即t=max（f+t）=4 935+493.5=5 429 Pa。

3.1.5 通風(fēng)機(jī)功率

根據(jù)《海拔高度、氣壓、氣溫、沸點(diǎn)、空氣密度、含氧量、柴油機(jī)功率、電氣功率、勞動(dòng)者體力對(duì)照表》[5]，考慮在海拔高度為3 000 m左右電氣電機(jī)功率下降9%，為保證隧道通風(fēng)正常需風(fēng)量，將軸流風(fēng)機(jī)功率調(diào)高使用。

式（11）中：為通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；t為通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓；為通風(fēng)機(jī)工作效率，取60%（電氣電動(dòng)機(jī)功率為平原地區(qū)的91%）。

3.1.6 通風(fēng)機(jī)參數(shù)

由以上計(jì)算可知選擇的通風(fēng)機(jī)的最低技術(shù)參數(shù)要求為：=2 939 m3/min，t=5 429 Pa，=487 kW。

3.2 施工通風(fēng)方案

根據(jù)臥龍溝一號(hào)隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，現(xiàn)擬用如下實(shí)施方案。

由以上計(jì)算可知選擇的通風(fēng)機(jī)最低技術(shù)參數(shù)要求為：=2 939 m3/min，t=5 429 Pa，=487 kW，使用SDF(B)-4- N2.5軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表4所示。

表4 風(fēng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)

風(fēng)機(jī)型號(hào)風(fēng)量/（m3·min-1）風(fēng)壓/Pa最大配用電機(jī)功率/kW SDF(B)-4-No12.51 550～2 9121 378～5 355110×2

針對(duì)如上通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓需要，并針對(duì)曲線(xiàn)上坡排風(fēng)的不利條件，經(jīng)認(rèn)真研究比選，施工通風(fēng)決定分兩個(gè)階段分別采用如下兩種通風(fēng)方式，在第二階段（掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)750 m）時(shí)增設(shè)一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行接力通風(fēng)。隧道內(nèi)分段風(fēng)機(jī)布置方式最低技術(shù)參數(shù)要求如表5所示。

表5 各階段風(fēng)機(jī)最低技術(shù)參數(shù)

階段掘進(jìn)長(zhǎng)度/m風(fēng)機(jī)風(fēng)量/（m3·min-1）風(fēng)機(jī)風(fēng)壓/Pa風(fēng)機(jī)功率/kW風(fēng)機(jī)布設(shè)臺(tái)數(shù)備注 15002 6701 557.4127.02掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)750 m時(shí)增設(shè)接力風(fēng)機(jī) 7502 7502 559.52152 21 0002 8323 740.0323.94 1 3002 9395 4294874

注：風(fēng)機(jī)布設(shè)臺(tái)數(shù)為左右線(xiàn)臺(tái)數(shù)之和。

施工通風(fēng)采用單管壓入式通風(fēng)，通風(fēng)機(jī)在進(jìn)口洞外30 m安裝，根據(jù)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度調(diào)頻使用，當(dāng)掘進(jìn)長(zhǎng)度較短時(shí)，使用一級(jí)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著進(jìn)度增加，依次使用一級(jí)高速、二級(jí)低速、二級(jí)高速。采用1.6 m直徑柔性通風(fēng)管道，通風(fēng)管隨掌子面的推進(jìn)接長(zhǎng)，接長(zhǎng)到距離掌子面約25 m處。新鮮空氣通過(guò)柔性通風(fēng)管道壓入到工作面，洞中的污染氣體及粉塵沿隧洞排出洞外。

第一階段：前期隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度在750 m以下，只依靠在隧道出口處布置一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)方式運(yùn)行，為避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)，洞口風(fēng)機(jī)需要安設(shè)在距離洞口30 m以外。當(dāng)掘進(jìn)長(zhǎng)度較短時(shí)，使用一級(jí)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著進(jìn)度增加，依次使用一級(jí)高速、二級(jí)低速、二級(jí)高速。

第二階段：當(dāng)高速檔也不能滿(mǎn)足需要風(fēng)量風(fēng)壓時(shí)，進(jìn)入第二階段。當(dāng)掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)750 m，在洞內(nèi)加設(shè)一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)作為接力式風(fēng)機(jī)。

通風(fēng)布置如圖3所示。

圖3 隧道施工通風(fēng)縱斷面布置

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，螺旋隧道風(fēng)管布設(shè)于隧道曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)拱腰處時(shí)通風(fēng)效果較好。因此，臥龍溝一號(hào)隧道施工通風(fēng)采用單管壓入式通風(fēng)，將風(fēng)管貼壁布設(shè)于隧道曲線(xiàn)外側(cè)拱腰處距底部2 m左右，采用=1.6 m柔性通風(fēng)管道，通風(fēng)管隨掌子面的推進(jìn)接長(zhǎng)，接長(zhǎng)到距掌子面約25 m處，隧道施工通風(fēng)橫斷面布置如圖4所示。

3.3 通風(fēng)安全管理

臥龍溝一號(hào)隧道工作面200 m附近范圍內(nèi)區(qū)域，至少需要通風(fēng)12.2 min后才能完全達(dá)到施工安全要求，對(duì)于1 300 m的長(zhǎng)距離壓入式通風(fēng)，全隧道空氣環(huán)境至少通風(fēng)40 min才能達(dá)到施工安全要求。

圖4 隧道施工通風(fēng)橫斷面布置

隧道爆破后，不建議立即進(jìn)入隧道內(nèi)施工，若遇緊急情況必須進(jìn)入隧道內(nèi)，也必須在通風(fēng)30 min后，選擇恰當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)入，機(jī)械也應(yīng)沿隧道曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)濃度較低處行駛，避開(kāi)CO氣團(tuán)峰值。

回流向隧道出口方向運(yùn)動(dòng)，沿隧道坡度呈下坡運(yùn)動(dòng)，CO密度較其他氣體小，受浮升力作用，CO氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被向上抬升，氧氣則沉積在隧道底部運(yùn)動(dòng)，因此CO氣體主要集中于隧道拱頂處和隧道曲線(xiàn)外側(cè)。針對(duì)這一特點(diǎn)，施工通風(fēng)若要設(shè)置射流風(fēng)機(jī)時(shí)優(yōu)先考慮布置于螺旋隧道曲線(xiàn)外側(cè)拱腰或拱頂處，將有效提升有害氣體排出效率。

3.4 高寒高海拔螺旋隧道施工通風(fēng)注意事項(xiàng)

該隧道為小半徑螺旋曲線(xiàn)隧道[6]，曲線(xiàn)最小半徑為 700 m，半徑小，風(fēng)管也隨隧洞曲線(xiàn)布置，彎折處較多，導(dǎo)致風(fēng)力損失加大；柔性通風(fēng)管道在通過(guò)車(chē)行橫洞、二襯臺(tái)車(chē)時(shí)需合理布設(shè)，及時(shí)調(diào)整風(fēng)管架設(shè)線(xiàn)性，減少折彎，避免加大風(fēng)力損失。

隧道是上坡施工，集中升坡，進(jìn)出口高差達(dá)67 m，隧道進(jìn)口掌子面洞底高程進(jìn)洞后高于洞口洞頂高程，因此煙塵不易排出洞外；當(dāng)隧道進(jìn)口端通風(fēng)情況不理想時(shí)，可在隧道加寬段增設(shè)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，通過(guò)柔性通風(fēng)管道與原通風(fēng)機(jī)串聯(lián)。保障洞內(nèi)空氣清新，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

在施工過(guò)程中施工機(jī)械及人為因素會(huì)造成風(fēng)管破損，導(dǎo)致風(fēng)力損失增加。需及時(shí)派人對(duì)風(fēng)管破損處進(jìn)行縫補(bǔ)，并使風(fēng)袋接頭盡量順直。

4 結(jié)論

對(duì)于高寒高海拔螺旋隧道，受海拔因素和螺旋線(xiàn)型的影響，施工通風(fēng)效率降低，必須按照新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)通風(fēng)參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)臥龍溝一號(hào)隧道的工程概況，采用工程實(shí)際參數(shù)，在3 000 m海拔高度及螺旋半徑=700 m及最大掘進(jìn) 距離為1 300 m的參數(shù)下進(jìn)行隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算，并給出相應(yīng)的施工通風(fēng)安全管理方案和建議，為同類(lèi)工程提供 參考。

［1］楊立新.現(xiàn)代隧道施工通風(fēng)技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］高峰，張捷，連曉飛，等.螺旋隧道獨(dú)頭掘進(jìn)壓入式通風(fēng)參數(shù)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（4）：41-46.

［3］張仕杰.淺談高原地區(qū)長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011（Suppl 2）：60-62.

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U455.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.004

2095－6835（2021）01－0009－04

馬培新（1969—），回族，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣饭こ獭?/p>

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕