中铁二十三局集团第一工程有限公司 276800
摘要：本文通过大瑞铁路单线隧道传统巷道式通风方式的改进和优化，探索出了一种小断面、单线长大隧道通风技术，实践证明，此通风技术可有效解决长大隧道难以解决的通风难题，同时节约通风成本，经济技术可行。
关键词：小断面；长大隧道；通风；技术研究；
1.引言
长大隧道通风在隧道施工中至关重要。通风不良，洞内空气污浊影响洞内施工人员职业健康；洞内环境温度过高，造成机械设备寿命期缩短；洞内能见度降低，存在较大的安全隐患，以上问题在小断面长大隧道尤为严重。传统压入式通风轴流风机布设在隧道洞口，压入新鲜空气至掘进掌子面形成洞内负压排出污浊空气，此种通风方式适用于单洞隧道设计。对于采用平导与正洞并行，正洞与平导有横通道联通的隧道设计，由于横通道沟通，形成空气正负压风压相互消减，往往随着掘进是深度的加大，通风效果显著降低。如何解决小断面平导正洞并行单线长大隧道通风问题，是我们工程技术人员必须面对和努力寻求解决的难题。
2 .工程简介
新建铁路大瑞线大保段站前Ⅱ标段杉阳隧道，位于云南省永平县境内，设计为单线二级电气化铁路。隧道设计为正洞与平导并行，平导为Ⅱ线预留线，正洞与平导轴线间距30m，设置横通道沟通平导与正洞，横通道间距400m~500m。
正洞长13.39Km，最小开挖断面50.14㎡，最大开挖段面55.6㎡，衬砌后断面46.14㎡。平导长13417.78m，最小开挖段面27㎡，最大开挖断面34.5㎡。
该隧道采用两头掘进，每工作面施工长度6695m，平导先于正洞开挖，采用钻爆法施工，出碴、洞内施工资源采用无轨运输方式。
进口为反坡施工，同时因掌子面裂隙水发育，裂隙水对爆破烟尘起到吸收降尘作用，烟尘向外排放顺畅，洞内施工环境相对较好。
出口段为顺坡施工，随着掘进深度加大，施工环境难以满足施工作业环境要求。
3 .传统压入式通风对施工的影响
本文在引言部分对平导正洞并行隧道通风效果低的原因已作分析，即随掘进深度加大，横通道的数量增多，采用传统压入式通风效果降低明显，对施工带来诸多影响：
一是随着掘进深度的增加，通风效果降低，洞内热量难以及时传送至洞外，温度持续升高，经实测洞内温度最高达52°C，二衬处温度36°C左右。由于通风不畅洞内持续高温，作业人员、机械功效明显低于常温隧道施工。
二是洞内粉尘、施工机械尾气长时间积聚，洞内施工环境恶劣，对作业人员身心健康和机械寿命造成极大损害。
4 .传统压入式通风优化改进措施
通过试验总结，本隧道采取以下改进优化通风技术。
4.1压入式通风改变为巷道式通风
目前杉阳隧道进、出口均已开挖超过1800m，需将压入式通风方式改为巷道式通风。杉阳进口将压入式风机已移至洞内，为保障轴流风机所需新鲜空气，将横通道口进行封闭，同时根据洞内排烟效果，采取从洞口每间隔一定距离安装射流风机，以接力方式将洞外新鲜空气送至轴流风机处。
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4.2进出风道设置
将巷道式进风道设于平导，出风道设于正洞，主要考虑的因素有以下几个方面：
（1）平导有错车道段落，断面大利于轴流风机布设；
（2）平导除掌子面附近有施工机械外，已施工段落基本无任何污染源，可作为新鲜空气通道；
（3）正洞断面大，已施工段落二衬表面光滑，作为出风通道时阻力小，有利于污风的排出；
（4）正洞内柴油动力设备较多，产生的废气量大，其中正洞、平导出碴车均通过正洞进行，将其排入平导较为困难。
4.3正洞风机移至平导内
将正洞洞口风机移至平导洞内，距施工横通道（距正洞掌子面第二个横通道口）100m处，该风机通过横通道拐弯送风入正洞。为防止正洞风管在横通道处拐弯时，造成风管扭曲，影响通风效果，将正洞风机放置与横通道内，靠近正洞侧风管拐弯处采取事先加工好的铁皮弯管与风机连接，另一端同软质风管连接牢固。
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衫阳隧道出口风机风管拐弯示意图
4.4临时封闭横通道增设射流风机
除施工横通道外，其余横通道进行临时封闭，以防止平导新鲜空气与正洞污风混合，临时封闭可采用帆布挂设，并做好固定及密封。平导洞内风机向掌子面方向移动，可与正洞风机相隔50m，为平导掌子面提供新鲜空气，为保证空气质量，平导采取有效措施进行临时封闭，仅容许轴流风机风管通过，计划按450m左右间距依次增加设置射流风机向洞内输送新鲜空气。同时在平导施工通道处增加一射流风机，加快平导内污风通过施工横通道排入正洞。在正洞内每间隔700m左右按照施工进度情况依次增加设置射流风机，形成负压，将正洞内污浊空气向洞外排出。
根据计算后在轴流风机选型时都充分考虑了施工安全储备系数，射流风机布置间距按照正洞700m/台，平导450m/台考虑，在将来实施过程中，将根据现场具体施工情况动态调整，尤其是隧道处于上坡掘进时，或是在二衬表面较潮湿处污风排出较困难时，射流风机可能还需要调整加密。以确保施工通风效果，保证施工安全、正常、高效进行。
射流风机安装时要结合现场排风实际情况，应优先考虑安装在如污风聚集、不排风不畅处，同时要尽量靠近横通道处，以便于用电线路的连接。
4.5风量、通风阻力、漏风计算及设备能力校验
风机配备数量见下表：
杉阳隧道全隧通风风机配备表
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4.5.1风量计算
（1）按作业人数计算：
Q=qkm
q—作业人员供风量3m³/min；
k—风量备用系数 取1.25
m—工作面同一时间洞内最多作业人数：正洞40人，平导25人；
Q正洞=3×1.25×40=150m³/min；
Q平导=3×1.25×25=93.75m³/min；
（2）按最小风速计算：
Q=V·S×60
V—洞内允许最小风速：0.25m/s；
S—最大断面积：正洞55m²，平导25m²；
Q正洞=0.25×55×60=825m³/min；
Q平导=0.25×25×60=375m³/min；
（3）按爆破工作量确定风量：
按洞内同一时间内爆破使用最多炸药量计算风量：Q=5Ab/t
A—一次性最大爆破炸药用量：正洞100kg，平导75kg；
b—一公斤炸药爆破时所构成的一氧化碳体积（L），取40L;
t—爆破通风时间：30min；
Q正洞=5×100×40/30=667m³/min；
Q平导=5×75×40/30=500m³/min；
按照爆破后稀释一氧化碳至许可最高浓度计算：
Q=5/6×(10·A·K/t)错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。×60
K—风量备用系数：取1.10
Q正洞=5/6×10·100·1.1/30×60=1833m³/min；
Q平导=5/6×10·75·1.1/30×60=1375m³/min；
（4）按照稀释内燃机作业废气计算：
Q=Ni·a
Ni—洞内同时作业内燃机总功率：正洞采用无轨运输方式，按1台220型挖掘机175kw，3台红岩金刚出渣车（每台150kw）同时作业考虑，共625kw；平导1台扒渣机（ITC/312）75KW, 2台红岩金刚出渣车（每台150kw），同时作业考虑375 kw。
a—内燃机每Kw所需风量，取3m³/min；
Q正洞=625×3=1875m³/min；
Q平导=375×3=1125m³/min；
根据隧道内作业组合，正洞采用无轨运输时，机械与人员共同施工，所需的总风量Q正=1875+150=2025 m³/min；Q平=1125+93.75=1219 m³/min；
进行高山地区风量修正：
Q高1=100Q正/P高=2531 m³/min；
Q高2=100Q平/P高=1524 m³/min；
Q高—高山修正后的风量M³/min；
Q正—正常情况下计算的风量M³/min；
P高—高山地区大气压KPa；（约80KPa）
正洞Qmax(150,825,1833,2531)为Qmax=2531m³/min，故正洞目前所需风量由稀释内燃机作业废气及保证人员供氧风量控制；平导Qmax(93.75,375,1375,1524)为Qmax=1524m³/min，故平导所需风量也由稀释内燃机作业废气及保证人员供氧风量控制。
4.5.2通风阻力计算
（1）摩擦阻力：
h摩=λLV2/2D
λ—风管摩擦阻力系数，取0.015；
L —最长通风管长度，正洞取1000m，平导取1500m；
D —风管直径，正洞1.5m，平导1.2m；
V —通风平均风速=错误！未找到引用源。，正洞19.1m/s，平导20.2m/s；
h摩（正洞）=1824Pa
h摩（平导）=3825Pa
（2）局部阻力：
h局=ζρV2/2g
ζ—局部阻力系数，取1.0
ρ—空气密度，取1.16kg/m³
V—风流经过局部断面形状变化后的速度（m/s）
g—重量加速度，g=9.81m/s²
h局（正洞）=212Pa
h局（平导）=237Pa
（3）其他阻力：
h其他=0.1 h摩
h摩（正洞）=182Pa
h摩（平导）=382Pa
隧道总风压h总= h摩总+h局总+h其他
H总（正洞）=2218Pa
H总（平导）=4444Pa
4.5.3漏风计算
风管全程漏风系数P=1/（1-L×P100/100）
L —通风管长度；
P100—100m风管漏风率，取1%；
P正洞=1.11，∴ Q需（正洞）=Q正洞·P=2248 m³/min；
P平导=1.18，∴ Q需（平导）=Q平导·P=1623m³/min；
4.5.4设备供风能力校验
正洞使用风机型号为山西侯马鑫丰康风机厂生产的SDF（C）-№12.5型风机，额定最大流量160000m³/h，折算每分钟流量为2667＞Q需（正洞）=2248；额定最大风压为6000Pa＞h总（正洞）=2218Pa；因此正洞供风能力满足需求，根据以上对比可知，额定风压值富余量较大，因此正洞供风长度主要由风量额限定，按风机最大供风能力2667m³/min反算，漏风率可取P=2667/2025=1.31，继而反算L最大可取值为2400m，即正洞独头压入单机可供风长度为2400m。
平导使用风机型号为西安交大咸阳风机厂生产的SDDY1100型对旋式通风机，额定最大流量110000m³/h，折算每分钟流量为1833 m³＞Q需（平导）1623 m³；额定最大风压为5400Pa＞h总（平导）4444Pa；因此平导供风能力满足需求，另外按风机最大供风能力1833m³/min反算，漏风率可取P=1833/1375=1.33，继而反算L最大可取值为2500m，即平导独头压入单机可供风长度为2500m，根据最大风压反算L最大可取值为1840m，取Lmax=1840m，即平导独头压入单机可供风长度为1840m，超过此长度时，需另作设计或加设其他辅助通风设备。
5. 结语
随着国内基建持续推进，长大单线小断面隧道工程越来越多，施工前的通风设计尤为重要。本文结合杉阳隧道通风技术研究的工程实践，总结出了以压入式通风改变为巷道式通风方式的措施，实践证明技术经济可行，可为以后类似工程的施工起到一定的借鉴指导作用。
参考文献
【1】《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）
【2】《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ 204-2008）
【3】《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）
【4】《现代隧道施工通风技术》人民交通出版社