任发通
中国水电建设集团十五工程局有限公司 陕西省西安市 710000
【摘要】我国隧道施工技术飞速发展，并形成了以钻爆和浅埋暗挖法两大方法为典型的施工方法，引领着世界隧道施工技术的进步。当前长大隧道数量急剧增加，且多采用无轨运输施工，如果单一依靠斜竖井施工随之带来技术和成本等诸多问题，而无斜竖井条件下长距离施工通风问题，则成为制约快速施工的难题。通过青海加西公路J X-1标段青岗峡隧道通风施工措施的研究，我们获得了在长大公路隧道施工通风过程中采用洞口压入式通风为主，洞内机械接力保证风压、局部改善通风条件等综合通风方式，能够快速的提高洞内空气质量达到标准要求，相比于传统竖井通风，极大地降低了成本，保证了施工工期。
【关键词】隧道 通风 关键技术
1.工程概况
青海省加定（青甘界）至海晏（西海）公路工程是青海省交通运输“十三五”重点规划项目，该线路建成后将对完善及兰（州）西（宁）格（尔木）地区国家公路网、促进国家重点经济区的发展、加快国家西部大开发战略的实施具有十分重要的战略意义。我局联合体中标的青海加西公路JX-1标石羊岭隧道左线起迄里程为ZK0+548～ZK3+110，总长2562m；右线隧道起迄里程为K0+585～K6+615，总长4030m。在公路隧道开挖施工过程中，钻爆法仍然是现在最重要的也是最经济的施工手段，钻爆法施工中由于钻眼、爆破、出渣、喷射混凝土、机械燃气、车辆运输尾气排放及周边围岩有害气体溢出等的影响，洞内各种有害气体和粉尘浓度增高，氧气含量大大降低，空气污染严重，洞内作业环境恶劣，对洞内工作人员的健康产生较大影响。在公路隧道施工通风中，有效的通风方式应为洞内施工提供充足的新鲜空气、及时有效的排除洞内粉尘和炮烟，稀释各种有毒有害气体，改善洞内环境条件，保障作业人员身体健康、保证正常的安全生产，提高施工质量和劳动生产率等，因此，隧道通风也就成为洞挖施工的关键技术之一。
2.主要技术措施
2.1施工通风影响因素与控制标准研究
2.1.1隧道施工通风的目的
在铁路、公路、水利、国防工程及地铁等隧道施工过程中，为保障洞内施工作业人员的安全，洞内需不断的输入新鲜空气（空气中的氧气含量不得低于19.5%），并排出有害气体及粉尘，因此，必须采取有效的施工通风措施以满足这一要求。通过有效的独头通风措施需达到以下要求：
(1)为洞内施工作业人员提供充足的新鲜空气；
(2)稀释洞内有害气体和粉尘以达到标准控制要求，保证正常的作业环境；
(3)保障洞内良好的工作环境条件(适宜的风速、温度和湿度)，提高工作效率；
(4)洞内发生火灾时，应能够限制火灾的蔓延，为灭火工作创造条件。
2.1.2隧道施工过程中的污染源
在公路隧道施工爆破开挖过程中，洞内有限空间内常见的有害成分主要有CO、NO2、SO2、柴油机废气、粉尘、可燃性气体和硫化氢等。主要污染源如下所述：
(1)爆破产生的炮烟
(2)柴油机产生的废气
(3)洞内围岩释放有害气体
(4)地温
(5)其他污染
2.1.3石羊岭隧道施工通风控制标准综合确定
我国各规范所规定的有害气体最高允许浓度值(包括一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物)、粉尘容许浓度、氧气含量以及隧道开挖时工作面风速，这几个通风控制标准值均相同，对比发现隧道施工时每人新鲜空气量(3m3/min)、内燃机械作业1KW供风量(3m3/min)也均一致。但《冶金地下矿山安全规程》对使用柴油机设备情况下的有害气体最大允许浓度放宽了1倍，即CO为60mg/m3，氮氧化物为10mg/m3。
由于各行业对洞室施工环境的控制标准较为相似或基本相同，确定引汉济渭石羊岭隧道钻爆段可以《铁路隧道施工规范》相关规定作为基础，作为其施工通风控制标准：
(1)有害气体最高允许浓度值
CO浓度≤30mg/m3，当必须进入工作面检查时，浓度可为100mg/m3，但必须在30min内降至30mg/m3(24ppm)；二氧化碳按体积计不得大于0.5％。氮氧化物(换算成(NO2)低于5mg/m3。
(2)粉尘含量：lm3空气中含有游离SiO2(10％以上)的粉尘最大为2mg。
(3)温度：洞内温度不宜超过28℃。
(4)氧气含量：按体积计，不得低于20％。
(5)施工过程中，洞内每人供给新鲜风量不应低于3m3/min；采用内燃机械作业，1KW的供风量≥3m3/min。
(6)隧道开挖时工作面风速不应小于0．25m／s。
2.2隧道通风方式及计算
2.2.1隧道通风方式的选择
隧道施工通风的方式按照动力的来源分为自然通风和机械通风。自然通风利用的是自然风压，而机械通风利用的则是通风机产生的风压。机械通风的基本方式主要有送风式、排风式、混合式、并用式和巷道式。由于石羊岭隧道独头掘进，最大供风长度为1820m，综合考虑采用送风式通风方式。
2.2.2隧道通风计算
2.2.2.1出口段风量计算与说明
施工通风所需风量按洞内同时工作的最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量和内燃机械设备总功率分别计算，取其中最大值作为控制风量。
(1)主要计算参数选取考虑如下：
洞内同时工作最多人数按100人/工作面考虑；
洞内允许最小风速Vmin=0.2m/s；
洞内每人应供应新鲜风3m3/min；
内燃机械设备作业供风量3m3/（min?kw)；
风管平均百米漏风率为β=0.02，风管摩阻系数为λ=0.02。
（2）风量计算过程如下：
①.按人数计算风量时所需要风量:
Q=N*q=100*3=300 m3/min。
式中：Q—同时作业人员所需风量，m3/min；N—同时作业人数，100人；q—每人供应新风量，3m3/min。
②.按最小风速计算风量时所需要风量:
Q=v*s=48.89*0.25=880 m3/min
式中：Q—需风量，m3/min；V—风速，取0.25m/s；S—隧道断面积，48.89m2(以III类围岩断面计算)。
③. 按稀释和排出内燃机废气计算供风量：
Q=2.75×装载机功率+1×其他机械
式中：Q—内燃机械作业所需风量，m3/min；自卸汽车功率=214*3 kw，装载机功率=162 kw；
经计算需风量为1087.5m3/min。（所计算的总风量Q即是稀释内燃设备排放废气洞内所需要的总风量，而不是工作面所需要的风量）。
④.排出炮烟计算所需风量:
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式中：QO—爆破排烟所需总风量，m3/min；
t—通风时间（min），30min；
m—一次爆破炸药消耗量（kg）,187.5kg；
F—隧道断面面积（m2），48.89 m2；
L—通风换气长度取L=100m。
经计算需风量为428.7m3/min。
（3）通过以上计算取最大值作为计算风量：
Qmax=max =max﹛300,880,1087.5, 428.7﹜=1087.5m3/min。
（4）风管漏风损失修正风量
通风计算取主洞最大通风长度L=1820m。风机所需风量为：
B=L/100=1820/100=18.2
A=(1-β)B=(1-0.02)18.2=0.4111
Q机=Qmax/A=1087.5/0.4111=2645.3m3/min
（5）风压计算
C=ρ×L=4400；W=C/2D=4400/（2*1.4）=1571.43
S风管=πD2/4=1.539m2；
=Q需/S风管=1087.5/1.539=706.63m/min=11.78m/s；
H摩=λ×W× =0.02×1571.43×11.782=4361.3Pa
H=1.2 H摩=5233.56Pa。
2.2.2.2通风设备的选型
根据上面计算结果，斜井口采用1台2×110kw SDF(C)-No12.5型通风机，风管选择便于装卸和维修的Ф1400mmPVC拉链式软风管。通风距离最大时的供风量可以满足最大需风量要求。
2.3 通风技术现场测试研究
石羊岭隧道工程独头最大通风长度达到4400m，随着隧道施工开挖的不断进行，其通风长度也越来越大，施工通风问题必将成为隧道正常安全施工的主要控制因素之一。为了减少通风排烟时间，最大化的施工工序高效衔接，采取压入式或混合式通风方式较为理想，但混合式通风布置通风管线受断面大小影响，且随着掘进的不断进行需要反复移动设备，理论可行但实际操作困难，所以石羊岭项目采用压入式通风为主、洞内机械接力保证风压、局部改善通风条件等综合通风方式。
2.3.1 通风方案
在石羊岭支洞口安装一台SFD（D4）-No11.5型轴流风机，支洞内采用Φ1400mm拉链式软风筒，主洞全部采用Φ1200mm拉链式软风筒，通过轴流风机把洞外新鲜空气送入掌子面，风筒出风口距掌子面约30m。通风过程中对工作面空气质量检测，空气质量不能满足施工需要时，在爆破安全距离外加设一台接力风机。
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2.3.2 通风空气质量检测
2.3.2.1 空气质量检测项目
对施工通风时的隧道环境进行测试，所测项目包括：粉尘、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气、二氧化氮浓度、温度。
2.3.2.2检测工况
检测时间为开挖爆破完成，通风30min后进行。
2.3.2.3检测结果
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根据上表数据分析，隧道通风在K4+900位置处时，空气质量开始下降，此时通风长度达2649m，在K5+620位置处时，空气质量检测达到警戒值，通风长度为3369m。
2.3.3按照方案实施
2015年7月24日，我部将原洞口位置一台SFD（D4）-No11.5型轴流风机其中的2节进行拆除，安装在K4+632位置，作为接力风机。安装完成后，对掌子面空气质量进行检测，监测数据如下：
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通过上表数据分析，在洞内增加一台接力风机后，隧道掌子面空气质量能够满足施工需要。
3.结束语
通过石羊岭隧道通风施工措施的研究，我们获得了在长大公路隧道施工通风过程中采用洞口压入式通风为主，洞内机械接力保证风压、局部改善通风条件等综合通风方式，能够快速的提高洞内空气质量达到标准要求，相比于传统竖井通风，极大地降低了成本，保证了施工工期。