郭佳城 盧春浩

摘要：當隧道開挖掌子面較多時，所需風(fēng)量急劇增加，一般推薦采用隔板式通風(fēng)方式。對于高海拔隧道，設(shè)計需風(fēng)量的合理與否對于保障隧道內(nèi)正常通風(fēng)和作業(yè)人員施工安全意義重大。文章依托于川藏鐵路采用隔板式通風(fēng)的某高海拔隧道，進行施工通風(fēng)需風(fēng)量的海拔高度修正計算，同時考慮隔板式風(fēng)道漏風(fēng)率的影響，最終得到該隧道的設(shè)計需風(fēng)量為1376.2 m3/min，研究成果可為類似高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量修正計算提供一定的參考價值。

[基金項目]西南交通大學(xué)2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：200137）

[作者簡介]郭佳城（1996—），男，碩士，研究方向為隧道通風(fēng)節(jié)能及防災(zāi);盧春浩（2000—），男，本科，研究方向為隧道通風(fēng)。

高海拔地區(qū)通常具有“三低”的環(huán)境特征，即“低溫、低氧、低壓”，在該區(qū)域內(nèi)進行隧道施工時，保障隧道內(nèi)作業(yè)面空氣質(zhì)量面臨著巨大挑戰(zhàn)。施工通風(fēng)作為隧道內(nèi)外空氣熱交換的唯一手段，其對于滿足隧道內(nèi)充足供風(fēng)和作業(yè)人員施工安全起著至關(guān)重要的作用。當隧道開挖斷面過大或開挖作業(yè)面過多時，其會導(dǎo)致需風(fēng)量劇增。若采用常規(guī)風(fēng)管（直徑一般為1.8～2.2 m）通風(fēng)，當風(fēng)管直徑一定時，需風(fēng)量的增大將使得風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速過大，而沿程阻力與風(fēng)速平方成正比，從而大大增加風(fēng)機的通風(fēng)功率和經(jīng)濟成本?；诖?，考慮到高海拔隧道施工的特殊環(huán)境和需風(fēng)量的劇增，施工通風(fēng)一般采用較大斷面的隔板式通風(fēng)方式。而需風(fēng)量修正計算是高海拔隧道隔板式通風(fēng)中必須考慮的關(guān)鍵性問題之一。

針對高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量修正計算，國內(nèi)眾多學(xué)者已開展了一系列研究。茍紅松等[1]在考慮海拔高度和空氣性質(zhì)的關(guān)系基礎(chǔ)上對高海拔隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量計算、通風(fēng)阻力變化及風(fēng)機選型展開分析，并進行修正計算;肖元平等[2]在隧道施工引入單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)，并通過對風(fēng)機選型及風(fēng)機和風(fēng)管配套選型進行理論計算說明這種通風(fēng)模式的科學(xué)性，并成功解決了由斜井進入正洞多工作面同時施工的通風(fēng)難題;趙冬波等[3]通過對隔板風(fēng)道通風(fēng)技術(shù)的通風(fēng)原理、布置方式、適用條件和操作要點等進行分析，提出合理的需風(fēng)量計算方法，并通過案例試算證明隔板式通風(fēng)的節(jié)能優(yōu)勢;曹傳文[4]針對大坂山隧道通風(fēng)技術(shù)參數(shù)難以滿足施工通風(fēng)要求的問題，在考慮海拔變化因素基礎(chǔ)上展開通風(fēng)風(fēng)量和通風(fēng)阻力的系數(shù)修正計算并驗證其可行性。

本文依托川藏鐵路某高海拔隧道工程，該隧道采用隔板式通風(fēng)方式，對其施工通風(fēng)需風(fēng)量修正計算方法展開研究，研究成果可為類似隧道施工通風(fēng)設(shè)計提供有益的借鑒價值。

1 工程概況

川藏鐵路某隧道工程海拔3 500 m，全長為37 958 m，最大埋深可達1 673 m。隧道主洞結(jié)構(gòu)形式為曲墻式隧道，采用雙洞單線行車模式，其左、右線斷面面積為80 m2，單斜井長度為3 789 m，斜井斷面面積60 m2。該隧道具有超特長、埋深大的特點，為了滿足工期需要，需利用斜井進行長隧短打，并兼顧隧道左、右線施工。由于施工作業(yè)掌子面較多，其所需需風(fēng)量較大，且無論采用分修還是合修，隧道施工斷面面積均較大，施工通風(fēng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。隧道利用斜井進行多掌子面分段施工示意如圖1所示。

當隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量較大時，采用現(xiàn)有的柔性拉鏈式風(fēng)管已明顯不能滿足施工通風(fēng)需求，故需采用斷面較大且密閉性較好的隔板式通風(fēng)方式，其隔板式通風(fēng)橫斷面示意圖和通風(fēng)流程圖分別如圖2、圖3所示。

2 海拔高度對大氣參數(shù)的影響

隧道需風(fēng)量主要是由滿足施工人員呼吸、稀釋施工機械排污廢氣、爆破排煙、最小風(fēng)速需風(fēng)量四者中的最大值決定。而高海拔地區(qū)環(huán)境因素和平原地區(qū)相比，其發(fā)生了明顯的改變，故需要在考慮影響需風(fēng)量的環(huán)境因素基礎(chǔ)上進行需風(fēng)量修正。本節(jié)主要研究海拔高度對大氣氧含量和重度的影響。

2.1 海拔高度對氧含量的影響

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算公式：

式中：P為氣體壓強，Pa;V為氣體體積，m3;n為氣體物質(zhì)的量，mol;T為體系溫度，K;R為理想氣體常數(shù)，J/mol·K。

克拉伯龍方程設(shè)摩爾體積為Vm，則有：

假設(shè)有1 m3空氣，則可將體積濃度轉(zhuǎn)化成質(zhì)量濃度為：

式中：C為質(zhì)量濃度，g/m3;X為氧氣的體積分數(shù)。

故氧氣的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換公式為：

根據(jù)式（4）可得氧氣質(zhì)量密度（即質(zhì)量濃度）隨海拔的變化規(guī)律如表1所示。

通過計算，可得出氧氣質(zhì)量密度隨海拔高度變化計算結(jié)果如圖4所示。

綜上所述，氧氣質(zhì)量密度隨著海拔高度的增加下降較為明顯，海拔高度從0 m上升至6 000 m時，氧氣質(zhì)量密度從182.8 g/m3降低至152.4 g/m3。相同體積下海拔高度6 000 m處氧含量相當于0 m處氧含量的53.8 %。

2.2 海拔高度對重度的影響

隨著隧道所處的海拔變高，大氣重度將逐漸減小，其重度與海拔高度的關(guān)系式[5]為：

式中：γh為高度h處的大氣重度，N/m3;γ0為高度0處的大氣重度，N/m3;h為海拔高度，m。

大氣重度海拔修正系數(shù)為：

隨著海拔高度的逐漸升高，大氣重度γh將逐漸降低，大氣重度海拔修正系數(shù)小于1。

綜上所述，海拔高度對大氣氧含量濃度和大氣重度均會產(chǎn)生較大影響，施工通風(fēng)需風(fēng)量計算需考慮這兩種因素的影響。

3 考慮海拔高度的隧道需風(fēng)量修正計算

高海拔環(huán)境條件對人員、機械排污以及爆破煙塵均有影響，而最小風(fēng)速主要考慮的是對粉塵濃度的影響，海拔因素影響較小，故本節(jié)主要針對前述三者進行需風(fēng)量的海拔高度修正計算。

3.1 施工人員需風(fēng)量修正

隧道內(nèi)作業(yè)施工其人員需風(fēng)量計算公式為：

式中：Vp為隧道施工人員呼吸所需需風(fēng)量，m3/min;m為隧道內(nèi)各工序最多作業(yè)人員數(shù)量，主洞按80人計;K為風(fēng)量備用系數(shù)，常取1.1。

平原人員需風(fēng)，按照每人3 m3/min，依托工程為3 500 m的高海拔隧道，根據(jù)環(huán)境影響規(guī)律，計算采用4 m3/min進行海拔修正。

3.2 稀釋爆破排煙需風(fēng)量修正

本隧道采用鉆爆法施工，以全斷面開挖的最大耗藥量進行計算，分別考慮周邊眼、掏槽眼以及輔助眼的炸藥用量。本文綜合考慮選擇使用按照排出炮煙計算風(fēng)量，其公式[6]為：

式中：Q為爆破排煙需風(fēng)量，m3/min;t為爆破后排煙通風(fēng)時間，20 min;G為斷面爆破所需炸藥量，250 kg;b為斷面所用炸藥每1 kg所產(chǎn)生的CO量，一般取為40 L/kg;A為斷面面積，該隧道斷面為80 m2;L0為風(fēng)管通風(fēng)長度，取為100 m;Pq為各區(qū)間末端的風(fēng)量比，此處取為1;Ca為CO設(shè)計濃度，根據(jù)TB 10204-2002《鐵路隧道施工規(guī)范》CO濃度取為80 ppm即0.008 %。

而在高海拔地區(qū)，隨著大氣重度下降，同等條件下產(chǎn)生的有害氣體體積增大，此時需要更多的需風(fēng)量。本依托工程隧道海拔高為3 500 m，由式（6）可計算得到大氣重度海拔修正系數(shù)Kγ=0.705，代入需風(fēng)量修正計算公式為：

3.3 稀釋施工機械尾氣排放需風(fēng)量修正

隧道施工中當進行掌子面開挖、立架、出渣以及二襯等工序施工時，其施工機械較多將產(chǎn)生大量的有害廢氣，必須及時將其排出隧道從而保障隧道內(nèi)衛(wèi)生標準，其需風(fēng)量計算為：

式中：Q為稀釋施工機械尾氣排放所需總需風(fēng)量，m3/min;α為各施工機械作業(yè)利用率;均取為0.65;Q1為稀釋單位功率內(nèi)燃機產(chǎn)生廢氣需風(fēng)量，m3/（min·kW）;Ni為隧道內(nèi)所有施工機械功率，kW。

隧道洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備在出渣時假定有1臺側(cè)卸式裝載機和3臺自卸汽車，其中側(cè)卸式裝載計算功率為145 kW;自卸車計算功率100 kW。

平原地區(qū)稀釋1 kW功率排放有害氣體所需風(fēng)量定為3 m3/（min·kW），隨著海拔高度的增加，考慮有害體積增大，3 000～4 000 m海拔地區(qū)的隧道施工稀釋1 kW功率排放有害氣體所需風(fēng)量定為6 m3/（min·kW）。

3.4 施工斷面最小風(fēng)速需風(fēng)量

根據(jù)JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，隧道全斷面開挖時通風(fēng)風(fēng)速不應(yīng)低于0.15 m/s，導(dǎo)洞風(fēng)速不宜低于0.25 m/s，但均不應(yīng)大于6 m/s[7]。隧道施工通風(fēng)應(yīng)滿足洞內(nèi)各項作業(yè)所需要的最小風(fēng)量。則隧道掌子面按最小風(fēng)速計算的風(fēng)量計算式為：

式中：Qv為最小風(fēng)速需風(fēng)量，m3/min;v為允許最低風(fēng)速，m/s;A為開挖斷面積，m2。

4 隔板式通風(fēng)漏風(fēng)率現(xiàn)場實測

高海拔隧道隔板式通風(fēng)中的漏風(fēng)現(xiàn)象主要受到隔板材料的施作方式和材料性能的影響。根據(jù)關(guān)角隧道、六盤山隧道、引漢濟渭引水隧道、長洪嶺鐵路隧道等采用隔板式通風(fēng)的隧道調(diào)研可知，目前主要有2種施作方式：隔板材料（薄鐵皮）拼裝以及現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有完全密封性，其漏風(fēng)率為0，若采用該施作方式，計算需風(fēng)量海拔修正的最大值即為設(shè)計需風(fēng)量，此時不需考慮漏風(fēng)率的影響;當采用隔板材料拼裝時，由于通風(fēng)管道并非完全密閉，故需對需風(fēng)量進行漏風(fēng)率修正。

本文對長洪嶺隧道隔板風(fēng)道不同位置處的風(fēng)量進行現(xiàn)場測試，采用式（12）計算得到該隧道隔板式風(fēng)道的平均百米漏風(fēng)率。長洪嶺隧道施工中的隔板風(fēng)道布置如圖5所示。

隧道平均100 m漏風(fēng)率計算式為：

式中：P100為管路平均100 m漏風(fēng)率;Qf為風(fēng)機供風(fēng)量，m3/s;Q0為管路末端風(fēng)量，m3/s;L為管路長度，m。

通過實測，長洪嶺隧道的漏風(fēng)率現(xiàn)場測試結(jié)果位于0.97 %～2.95 %之間，平均100 m漏風(fēng)率取為2.28 %，故可將長洪嶺隧道平均100 m漏風(fēng)率測試值作為本文隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量修正計算的漏風(fēng)率取值。

5 隔板式通風(fēng)設(shè)計需風(fēng)量確定

本文以川藏鐵路某隧道為例進行計算，隧道海拔高度3 500 m，隧道采用斜井隔板式通風(fēng)方式，隧道結(jié)構(gòu)型式為雙洞單線上、下行分離，單洞隧道面積為80 m2，施工通風(fēng)考慮人員、機械排污、爆破排煙以及最小風(fēng)速（排塵）四者需風(fēng)量，同時考慮高海拔環(huán)境因素對需風(fēng)量的影響，其計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)上述最大需風(fēng)量計算結(jié)果，同時考慮隔板式通風(fēng)沿程平均100 m漏風(fēng)率為2.28 %，則計算得到該隧道最終的設(shè)計需風(fēng)量為1 376.2 m3/min。

6 結(jié)論

本文基于隔板式通風(fēng)的高海拔隧道展開施工通風(fēng)需風(fēng)量修正計算方法研究，主要得到結(jié)論：

（1）探究了高海拔環(huán)境下海拔高度對于空氣氧含量和重度的影響。其中，氧氣質(zhì)量密度隨海拔高度的增加下降較為明顯，當海拔高度從0 m上升至6 000 m時，氧氣質(zhì)量密度從182.8 g/m3降低至152.4 g/m3;同時大氣重度γh也隨海拔高度的升高逐漸降低，大氣重度海拔修正系數(shù)小于1。

（2）計算得到平原地區(qū)施工人員呼吸、稀釋爆破排煙需風(fēng)量、稀釋施工機械尾氣排放需風(fēng)量及最小風(fēng)速需風(fēng)量的計算公式，并針對前三者進行考慮海拔高度的需風(fēng)量修正。

（3）通過對長洪嶺隧道隔板式通風(fēng)進行漏風(fēng)率現(xiàn)場實測，得到該隧道平均100 m漏風(fēng)率為2.28 %，并將其作為本文需風(fēng)量修正計算的漏風(fēng)率取值。

（4）依托于川藏鐵路某隧道工程，在考慮海拔高度條件下展開四種施工通風(fēng)需風(fēng)量的修正計算，并得到其中需風(fēng)量最大值為1 345.5 m3/min;同時，考慮漏風(fēng)率影響得到該隧道最終的設(shè)計需風(fēng)量為1 376.2 m3/min。

參考文獻

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