魯小龍

（川藏鐵路有限公司 西藏指揮部，四川 成都 610000）

0 引言

隨著鐵路隧道施工長度的增加，為縮短施工期、改善運輸條件和降低施工通風(fēng)難度，勢必會增加施工工作面，多開輔助坑道。輔助坑道的長度、數(shù)量、斷面位置對隧道施工有至關(guān)重要的影響。

國內(nèi)學(xué)者從位置選擇、數(shù)量和斷面等方面對輔助坑道的設(shè)計展開了諸多研究。從施工角度看，陳鴻等［1］認為采用多個斜井時，應(yīng)優(yōu)先選擇“八”字形斜井布置，合理利用現(xiàn)場資源加快施工進度；彭仙淼［2］介紹了某高速公路特長隧道豎斜井方案的設(shè)計過程，認為需綜合考慮通風(fēng)換氣、火災(zāi)工況及土建費用等因素；彭勁松等［3］以韶關(guān)市某高速公路仙人峒隧道為工程實例，提出特長隧道通風(fēng)豎斜井設(shè)計的基本思路和方法，無軌運輸斜井方案將成為設(shè)計的優(yōu)先選擇。劉旭全等［4］結(jié)合中衛(wèi)—蘭州高速鐵路香山特長隧道施工實踐，針對輔助坑道的形式、位置、坡率及斷面尺寸等要素，對隧道斜井設(shè)計方案優(yōu)化情況進行總結(jié)，提高了運輸效率，加快了施工進度；趙立財?shù)龋?］從設(shè)計線路、斷面尺寸、裝渣設(shè)備、支護結(jié)構(gòu)4個方面對敖包梁隧道斜井設(shè)計方案進行優(yōu)化，工期節(jié)省5.5個月，人工費減少1 500萬元。從通風(fēng)角度看，劉鎖［6］從安全風(fēng)險、施工難度、多種施工方案功效測算和結(jié)構(gòu)分析、工期目標(biāo)等方面對斜井設(shè)計方案進行了優(yōu)化；宋志榮［7］闡述了聯(lián)絡(luò)通道上跨主洞、地下風(fēng)機房挑頂、各交叉口施工、斜井出洞等關(guān)鍵施工技術(shù)；郭萬林［8］認為特長隧道豎斜井設(shè)置既要考慮通風(fēng)區(qū)段的需要，還要考慮施工費用、方便性及運營成本等問題；唐協(xié)等［9］在綜合米倉山隧道縱向分區(qū)段送排式通風(fēng)考慮因素后，確定了兩端采用無軌斜井和中部豎井的4區(qū)段通風(fēng)方案；呂康成等［10］對特長公路隧道通風(fēng)設(shè)計若干問題進行分析研究并總結(jié)了相應(yīng)對策。

針對高原鐵路某隧道現(xiàn)場存在的進洞條件不便、井身施工周期長、反坡運距長等問題，提出短橫洞優(yōu)化方案，進一步從工期、費用、可行性等方面論證并通過理論計算和數(shù)值模擬對方案進行驗證，在保證高原長距離獨頭隧道施工風(fēng)量要求的前提下加快施工進度，優(yōu)化后方案可解決高原隧道長距離獨頭通風(fēng)難題，工程進度得以保障。

1 工程概況

高原鐵路某隧道長12.76 km，設(shè)1座橫洞、2座斜井，采用鉆爆法施工，進口和洞身段為單洞雙線，出口段為雙洞三線，斷面型式多。1#斜井與橫洞間的施工為控制工期的關(guān)鍵，同時也是重難點工程。隧道進口至出口為長距離下坡，坡度為3‰~25‰；最大埋深為進口段1 110 m，最小埋深為出口段210 m。1#斜井長1 855 m，為33.7‰的單面坡，洞口高程為3 676.6 m。前期采用獨頭壓入式通風(fēng)，后期進口方向貫通后采用巷道式通風(fēng)，最長通風(fēng)距離4 180 m。原輔助坑道及正洞施工任務(wù)量見圖1。

圖1 高原鐵路某隧道原斜井及橫洞施工任務(wù)示意圖

2 方案總體情況

2.1 斜井方案的問題及短橫洞方案的提出

2.1.1 斜井方案問題

根據(jù)高原鐵路某隧道原斜井平縱斷面圖可知，設(shè)計方案主要存在以下問題：1#斜井長1 855 m，施工期長達13.5個月，因長距離反坡施工，重載運輸車輛上坡困難，且小斷面大機械作業(yè)工效低、斜井施工抽排水量大，掌子面易積水，導(dǎo)致帶水作業(yè)工效低，施工難度大。

2.1.2 短橫洞方案的提出

由于原斜井進入正洞時間較晚，工期長，難度大，因此對斜井施工及通風(fēng)方案進行優(yōu)化，提出短橫洞方案。

原斜井長1 855 m，優(yōu)化方案為斜井改成短橫洞，短橫洞洞口標(biāo)高3 608 m，長553 m，洞口高度降低68.6 m，可實現(xiàn)早進洞，并且工期短、難度低。方案優(yōu)化后的平面圖及實景見圖2、圖3。

圖2 斜井改短橫洞方案優(yōu)化平面圖

圖3 短橫洞方案優(yōu)化位置實景

2.2 方案對比分析

2.2.1 工期對比分析

根據(jù)進度指標(biāo)，計算、編排原斜井方案和短橫洞方案的工期，結(jié)果見表1。

由圖2和表1分析可知：斜井優(yōu)化為短橫洞方案后，井底向進口方向平移1 400 m，施工長度減少1 302 m，可提前25個月貫通進入正洞，實現(xiàn)巷道式通風(fēng)；隧道總工期較施工圖設(shè)計工期提前6.7個月；但施工通風(fēng)難度有所增加，最長獨頭通風(fēng)距離較原斜井設(shè)計方案增加了681 m（最大通風(fēng)長度4 861 m）。

表1 隧道施工期及關(guān)鍵路線計算結(jié)果

2.2.2 費用投入分析

根據(jù)合同清單及概（預(yù)）算原則，對1#斜井優(yōu)化為短橫洞方案后的費用成本進行了計算，主要包括輔助坑道洞身開挖、清污分流及通風(fēng)輔助措施增加成本等，計算結(jié)果見表2。

表2 費用成本投入計算 萬元

經(jīng)分析，短橫洞方案在經(jīng)濟性方面可行，但在高原隧道施工過程中，施工通風(fēng)是影響工期的關(guān)鍵因素，因此有必要對短橫洞通風(fēng)方案進行詳細分析與研究，以確保高原長距離隧道獨頭施工通風(fēng)的效果。

3 通風(fēng)量計算與技術(shù)經(jīng)濟可行性

3.1 隧道需風(fēng)量計算原則

根據(jù)QC-R 9653—2017《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》，掌子面需風(fēng)量計算應(yīng)滿足下列要求：

（1）洞內(nèi)同時工作的人員，每人每分鐘供給新鮮空氣為3.0 m3；

（2）爆破后掌子面有害氣體排除或沖淡至容許濃度所需時間為15 min。每千克炸藥爆破后，可產(chǎn)生約40 L的CO；

（3）洞內(nèi)柴油機械按3.0 m3/kW·min需風(fēng)量計算；

（4）風(fēng)管的百米漏風(fēng)率平均值須≤1%；

（5）工作面附近的最小風(fēng)速不得低于0.15 m/s，最大風(fēng)速不得超過6 m/s。

3.2 掌子面風(fēng)量計算與修正

3.2.1 風(fēng)量計算

在隧道施工通風(fēng)計算中按照以下標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)量計算：（1）隧道施工作業(yè)面所需通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)同時工作的最多人數(shù)所需要的通風(fēng)量；（2）一次起爆藥量所產(chǎn)生的有害氣體濃度降低到標(biāo)準(zhǔn)允許值所需要的通風(fēng)量；（3）隧道內(nèi)同時作業(yè)的內(nèi)燃機械產(chǎn)生的有害氣體濃度稀釋到標(biāo)準(zhǔn)允許所需要的通風(fēng)量；最終取上述3項的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風(fēng)量，然后按最小風(fēng)速進行驗算。計算結(jié)果見表3。

表3 隧道掌子面需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/min

經(jīng)計算，正洞及橫洞工作面需風(fēng)量均由一次起爆藥量所產(chǎn)生的有害氣體降低到允許濃度所需要的通風(fēng)量計算作為控制指標(biāo)。

3.2.2 風(fēng)量修正

海拔越高，空氣密度越低，空氣壓力越小。因此對高海拔地區(qū)需進行海拔修正，掌子面修正需風(fēng)量計算見式（1）（短橫洞海拔高3 608 m，壓力為481.1 mmHg）：

式中：Q高為高原地區(qū)修正后需風(fēng)量；Q0為正常需風(fēng)量。

計算結(jié)果見表4。

表4 隧道掌子面修正需風(fēng)量計算結(jié)果 m3/min

3.2.3 風(fēng)機控制風(fēng)量的計算

根據(jù)隧道施工組織安排確定最長通風(fēng)距離并計算出風(fēng)機控制風(fēng)量，其中最遠獨頭通風(fēng)距離按照5 000 m計算。計算結(jié)果見表5，控制風(fēng)量見式（2）：

表5 隧道風(fēng)機控制風(fēng)量計算結(jié)果

式中：Qf為風(fēng)機需風(fēng)量；L為最遠通風(fēng)距離。

3.3 風(fēng)壓計算及風(fēng)機選型

3.3.1 風(fēng)壓計算

（1）管路沿程阻力計算。根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》，每100 m平均漏風(fēng)率不宜大于1%。隧道施工通風(fēng)機需提供的風(fēng)壓需能克服風(fēng)管阻力，通風(fēng)阻力受風(fēng)管直徑和送風(fēng)距離影響會有很大差距，風(fēng)機通風(fēng)管路阻力與風(fēng)機風(fēng)量的關(guān)系見式（3）：

式中：P為管路沿程阻力，Pa；λ為摩阻系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；d為風(fēng)管直徑，m；L為管路長度，m；β為風(fēng)管百米漏風(fēng)率；Qf為風(fēng)機工作點風(fēng)量，m3。

（2）管路局部阻力計算。局部阻力P局（包括轉(zhuǎn)彎、半徑等）計算見式（4）：

式中：∑ξ為局部阻力系數(shù)；v為風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速；ρ取相應(yīng)海拔高度空氣密度。

（3）風(fēng)機的初步選型。根據(jù)風(fēng)機控制風(fēng)量的大小和風(fēng)壓，通過風(fēng)機功率初步選擇適宜的風(fēng)機類型。其中，風(fēng)機全壓效率ηt=0.8，電機效率ηm=0.95，風(fēng)機功率計算見式（5）：

隧道風(fēng)機功率初選計算結(jié)果見表6。

表6 隧道風(fēng)機功率初選計算結(jié)果

3.3.2 風(fēng)機選型

由計算結(jié)果可知風(fēng)機功率為419.25 kW，初選風(fēng)機型號為2×250 kW，根據(jù)風(fēng)機性能曲線和管路阻力曲線擬合風(fēng)機工況點選擇適宜風(fēng)機。風(fēng)機風(fēng)管匹配計算結(jié)果見表7。

表7 隧道風(fēng)機風(fēng)管匹配計算結(jié)果

3.4 短橫洞方案技術(shù)可行性

經(jīng)計算，短橫洞方案施工通風(fēng)技術(shù)參數(shù)見表8。

表8 施工通風(fēng)方案技術(shù)參數(shù)

綜上分析，短橫洞通風(fēng)方案中通風(fēng)設(shè)備和風(fēng)管投入數(shù)量較少，技術(shù)可行。

3.5 短橫洞方案通風(fēng)經(jīng)濟成本分析

3.5.1 設(shè)備與材料

通風(fēng)機是隧道施工通風(fēng)中最重要的設(shè)備，風(fēng)管為一次性投入主材。根據(jù)施工方案的不同，對風(fēng)機設(shè)備及材料投入見表9。

表9 施工通風(fēng)設(shè)備與材料投入統(tǒng)計

3.5.2 電費

通風(fēng)電費是施工過程中的最大能耗，根據(jù)施工期安排對斜井和短橫洞電費進行計算，結(jié)果見表10。

表10 施工通風(fēng)設(shè)備耗電量統(tǒng)計

3.5.3 經(jīng)濟性分析

根據(jù)現(xiàn)場施工組織設(shè)計及工期進度安排，從設(shè)備、投入材料及電費3個方面對通風(fēng)方案進行經(jīng)濟分析，短橫洞方案比斜井方案增加24.64萬元（見表11）。

表11 施工通風(fēng)方案經(jīng)濟性統(tǒng)計

4 通風(fēng)數(shù)值模擬計算

4.1 模型的建立及參數(shù)計算與修正

在笛卡爾坐標(biāo)系下建立模型，根據(jù)隧道整體設(shè)計內(nèi)容及短橫洞施工組織設(shè)計方案，利用軟件建立短橫洞工區(qū)整體空間分布（見圖4）。

圖4 隧道優(yōu)化后短橫洞與主洞工程示意圖

將優(yōu)化后的短橫洞施工段簡化為4個區(qū)域：橫洞區(qū)（553 m）、主洞直線區(qū)1（260 m）、主洞曲線區(qū)（2 138 m）、主洞直線區(qū)2（2 438 m）。結(jié)合工程實際需求，本次數(shù)值選取主洞直線區(qū)2，距離最大開挖進尺1 000 m范圍進行數(shù)值分析。計算模型示意見圖5。

圖5 隧道計算模型示意圖

數(shù)值分析采用直徑2.5 m風(fēng)管，風(fēng)管長度980 m，風(fēng)管末端是新鮮空氣出口，即三維模型的速度入口，距離掌子面20 m。

4.2 邊界條件

（1）隧道采用獨頭壓入式通風(fēng)，布設(shè)1條直徑2.5 m風(fēng)管，因此模型有1個速度入口。根據(jù)需風(fēng)量計算得到速度入口的風(fēng)速為11.5 m/s，沿速度入口法線方向，送入的是新鮮空氣。

（2）爆破發(fā)生在隧道的掌子面，炮煙拋擲距離的經(jīng)驗公式見式（6）：

式中：L拋為炮煙拋擲距離；G為爆破所用炸藥質(zhì)量312 kg。

（3）爆破瞬間產(chǎn)生的CO在炮煙拋擲范圍內(nèi)均勻分布。爆破后炮煙拋擲范圍內(nèi)CO質(zhì)量分數(shù)為式（7）：

式中：C為CO質(zhì)量分數(shù)，b為每千克炸藥爆炸時產(chǎn)生的CO氣體體積，取0.04 m3/kg；A為隧道橫截面積，為122 m2；

計算得出CO質(zhì)量分數(shù)為0.001 276，換算為質(zhì)量濃度為1 595 mg/m3。

（4）出口邊界條件，隧道掌子面1 000 m處作為此次數(shù)值模擬的出口邊界，采用三維數(shù)值模型的自由流出口，計算方法見式（8）：

式中：u，v和w分別是出口速度在x，y和z方向上的分量；Pout為外部環(huán)境壓強；k為紊流脈動動能；ε為紊流脈動動能的耗散率。后2項均為湍流模型中的參數(shù)，計算中選擇的是常數(shù)。

（5）隧道邊壁和掌子面均為無滑動邊界，采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法。

經(jīng)計算，各參數(shù)結(jié)算修正結(jié)果見表12。

表12 施工通風(fēng)方案經(jīng)濟性統(tǒng)計

圖7 縱向各測點最大濃度值及時間

4.3 計算結(jié)果分析

依據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》，CO最高允許質(zhì)量濃度為30 mg/m3，即CO濃度0.024‰為控制濃度標(biāo)準(zhǔn)（安全濃度）；同時根據(jù)規(guī)范CO短時接觸容許質(zhì)量濃度為100 mg/m3，即0.080‰為準(zhǔn)入濃度標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.1 隧道內(nèi)CO濃度空間變化規(guī)律分析

從三維模型隧道上截取z=0、100、200、300、400、500、600、700、800、900 m處共10個截面，相當(dāng)于分別距離掌子面1 000、900、800、700、600、500、400、300、200、100 m。因距地面約1.6 m處為人的呼吸高度，此高度的CO最易被人吸收，在隧道中軸線上距離地面1.6 m布置測點，并在同一高度以相同橫向距離布置另外2個測點，取這3個測點的CO分數(shù)平均值作為該點的CO質(zhì)量分數(shù)。從爆破發(fā)生時刻（即t=0）開始計時，通風(fēng)過程中監(jiān)測得到各個面CO濃度值值隨時間的變化特征見圖6—圖8。

圖6 CO濃度隨通風(fēng)時間變化特征

圖8 縱向各測點達到CO控制值所需時間

由以上分析可知：（1）隧道爆破后，不同測點CO濃度隨通風(fēng)時間呈先升后降趨勢。（2）與掌子面距離增大，不同測點CO最大濃度也在不斷下降，距掌子面100 m處CO最大濃度達1.909‰，距掌子面1 000 m處CO濃度降至0.682‰。（3）與掌子面距離增大，不同測點CO濃度達到峰值所需時間近似線性增加，距掌子面100 m處所用時間為37 s，1 000 m所用時間為834 s。

4.3.2 掌子面附近CO濃度模擬與分析

在隧道施工過程中，距離掌子面200 m以內(nèi)范圍是施工人員主要集中區(qū)域。在該范圍內(nèi)的CO濃度于施工影響更大，此處從橫、縱斷面2個角度，對掌子面200 m范圍內(nèi)CO濃度進行分析（見圖9）。

圖9 掌子面200 m處截面CO濃度變化

（1）CO橫斷面變化規(guī)律。從圖中可以看出：①爆破后通風(fēng)120 s時CO濃度達到最大值1.814‰；通風(fēng)180 s后CO下降為1.397‰。②通風(fēng)240 s后濃度為0.926‰，通風(fēng)600 s時降至0.112‰，相比通風(fēng)120 s時下降了99.9%，已降至控制濃度以下。③通風(fēng)720 s后，距掌子面200 m處爆破產(chǎn)生的CO濃度已經(jīng)保持在控制濃度內(nèi)。

（2）CO縱斷面變化規(guī)律。提取隧道縱斷面云圖數(shù)據(jù)（見圖10），從云圖中可以看到，距離隧道掌子面300 m范圍CO質(zhì)量百分數(shù)的變化情況，隨著通風(fēng)時間的不斷增加，CO在向洞口方向逐漸擴散。

圖10 距離隧道掌子面300 m內(nèi)CO濃度變化

4.3.3 洞內(nèi)風(fēng)速值的模擬與分析

根據(jù)規(guī)范要求，在全斷面施工中風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s。

（1）隧道橫向風(fēng)速分析。在模型中選取z=900、800、700 m處3個截面，即距離掌子面100、200和300 m位置處，提取30、120、360、800和1 800 s這5個時間點上3個截面的最大速度和平均速度（見圖11）。由圖11可見：隨著距掌子面距離的增加，不同截面的風(fēng)速最大值及平均值均逐漸減??；隧道通風(fēng)800 s后，各截面的平均風(fēng)速趨于穩(wěn)定，在平均風(fēng)速線上下小幅波動。

圖11 隧道不同截面平均速度和最大速度隨時間變化情況

（2）隧道縱向風(fēng)速分析。沿隧道縱向中線布置測線，取z=3 m高度布置測線，提取出通風(fēng)15 min后該測線上各點速度值（見圖12）。與掌子面距離增大，各測點位置的縱向風(fēng)速出現(xiàn)了小范圍波動，整體呈下降趨勢，最大風(fēng)速為1.39 m/s，最小風(fēng)速1.22 m/s。

圖12 通風(fēng)15 min距離地面3 m中軸線上各點速度大小

綜上分析可知：爆破通風(fēng)15~20 min后，在距離掌子面200 m范圍內(nèi)CO濃度小于規(guī)范要求的0.024‰，可滿足現(xiàn)場人員施工安全作業(yè)要求；通過對隧道洞內(nèi)橫縱向風(fēng)速分析，爆破后通風(fēng)30 min內(nèi)，洞內(nèi)風(fēng)速最小值能夠滿足規(guī)范規(guī)定，均＞0.15 m/s。通過數(shù)值模擬計算，短橫洞通風(fēng)設(shè)計方案可滿足現(xiàn)場施工作業(yè)和規(guī)范要求，技術(shù)可行。

5 結(jié)論與建議

通過斜井方案與短橫洞方案的對比分析，可見短橫洞方案技術(shù)經(jīng)濟可行，能夠提前實現(xiàn)巷道式通風(fēng)，同時在滿足現(xiàn)場施工通風(fēng)效果前提下，可節(jié)省工期6.7個月，降低了施工難度。

但在高原鐵路隧道施工通風(fēng)過程中，仍存在以下問題會影響通風(fēng)效果：軸流風(fēng)機的性能影響因素眾多，施工過程中應(yīng)增加對風(fēng)機安裝角度、徑向間距、擴壓器等因素的研究，提高隧道通風(fēng)效果和風(fēng)機效率。另外，壓差的增加勢必會造成風(fēng)管漏風(fēng)率的增加，為保證現(xiàn)場環(huán)境作業(yè)效果，建議選擇百米漏風(fēng)率小的風(fēng)管，同時引進智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)并做好風(fēng)管漏風(fēng)率性能參數(shù)測試，減少風(fēng)管漏風(fēng)。此外，應(yīng)采取相應(yīng)新能源設(shè)備、水壓爆破及通風(fēng)除塵設(shè)備等措施，以保證高原隧道通風(fēng)效果。