云桂铁路六郎隧道施工通风技术
Construction Ventilation Technology of Liulang Tunnel of Yungui Railway
潘红卫 PAN Hong-wei
（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆401121）
（CR17BG No.4 Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China）
摘要： 在长大隧道的施工中，施工通风技术对施工的影响很大，针对隧道的具体情况采用不同的施工通风方案是保证隧道通风效果的先决条件，云桂铁路六郎隧道施工通风技术针对六郎隧道三个工区的不同特点，制定了压入式通风、巷道通风及相结合的通风方式，并在实际应用中取得了良好的通风效果，为同类型的长大隧道通风提供一定的借鉴。
Abstract: In the construction of long and large tunnel, the construction ventilation technology has great effect. Different construction methods should be taken according to the specific condition of the tunnel in order to ensure the effect of the ventilation effect. For the construction of Liulang Tunnel of Yunnan-Guizhou Railway, according to the different characteristics of the three working zones, the press-into type ventilation, roadway ventilation and integrated ventilation ways are made and good effects have been achieved in actual application, which can provide reference for similar long and large tunnel ventilation.
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关键词 ： 通风；阶段；巷道；风量计算
Key words: ventilation；stage；roadway；air volume calculation
中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0122-06
0引言
良好的通风设计是隧道安全施工的基本前提，本文结合云桂铁路六郎隧道单口掘进最大长度5597m的工程设计要求，在传统隧道通风设计的基础上，提出“分段”通风设计理念，利用六郎隧道横洞上下隔层使正洞和平导形成巷道式通风，一来解决传统隧道通风因隧道过长导致通风效果不佳的问题，二来可以根据不同阶段施工要求，对风机位置合理调整布置，可以使隧道施工中各个工作面能够得到充足新鲜风流补给，使沿途污浊空气及时排出洞外，提高隧道施工的安全系数。
1.工程概况
云桂铁路六郎隧道总长14090m，进口里程DK573+807，出口里程DK587+897，纵坡为4513m的3‰上坡、1330m的9‰下坡、8247m的15.5‰下坡；曲线半径为6000m，隧道最大埋深大概为550m左右。隧道设置“贯通平导＋横洞”辅助坑道，线路左侧30m平行正洞方向设无轨单车道贯通平导1座（起讫里程：PDK573+830~PDK587+920），全长14090m，每隔420m设1条连接正洞的横通道；DK582+300里程线路左侧设1座244m长的无轨双车道横洞。
按照辅助坑道的设计要求，结合现场条件，六郎隧道被分割为进口、横洞、出口三个工区同步进行坑道施工。其中进口工区起讫里程为DK573+807～DK578+320，承担4513m正洞和4490m平导施工任务；横洞工区起讫里程为DK578+320～DK582+300，承担3980m正洞、244m横洞和3980m平导施工任务；出口工区承担DK582+300~DK587+897，承担5597m正洞和5620m平导施工任务，各工区管段均为顺坡施工。
2各工区不同施工阶段通风系统设计
根据六郎隧道设有贯通平导的特点，该隧道通风方案总体思路是：三大工区第一阶段平导、正洞施工一律采用常规压入式通风设计，随着施工活动的逐步推进，在平导掘进1500m～2000m后会逐步转为巷道式通风设计，使平导进风，正洞排风，形成一条前后贯穿的通风回路，同时设置射流风机来增加正洞排风量，从而提高污浊空气排放效率。在横洞工区，横洞断面被安装隔板分割成一条上部连接平导进风系统、下部连接正洞排风系统的风道，分阶段前移轴流风机，同时在平导及横通道设置风门。为了进一步提高通风效率，还需要对轴流风机至作业面的供风距离或增设射流风机进行动态优化调整，使隧洞维持一个良好的通风质量，使作业人员感到舒适，从而在节本降耗的基础上充分体现“以人为本”的施工理念。
2.1 六郎隧道进口工区通风设计
六郎隧道进口工区的通风设计和施工分四个阶段逐步展开。
2.1.1 第一阶段施工通风
5号横通道新开作业面之前，有一个平导作业面和一个正洞作业面正在同步施工，为了避免二者相互干扰，本环节采用压入式通风设计。首先，按照图1所示的通风设计，在平导、正洞两个洞口分别布置1台2×185kW（1#风机）和2×110kW（2#风机），采用轴流风机压入式通风设计来提高排风量，净化洞内空气。
2.1.2 第二阶段施工通风
平导开挖施工至5#横通道前方后，从5#横通道已进入正洞增设正洞作业面JK2和进口正洞作业面JK1；在没有与3#横通道贯通之前，为了提高5#横通道JK2排风量，平导洞口还需要设置一台2×132kW风机（3#风机）。按照图2所示的通风设计，1#和2#轴流风机同第一阶段依旧供应JK1与进口平导工作面JP1通风，并且需要将1台30kW射流风机设在5#横通道和平导交叉的拱顶部位，使横通道JK2的污浊空气流向平导洞口排出洞外。
2.1.3 第三阶段巷道式施工通风
如图3所示，当3#横通道与正洞JK1贯通后，就要把平导洞口处的风机移到平导与3#横通道交叉处小里程附近，同时用风门隔离2#、3#轴流风机与前方JP，使平导洞口进风，正洞洞口排风，形成一条贯通的通风回路。正洞洞口1#轴流风机不移动，继续为JK1作业面供风，安设在平导洞内横通道的两台轴流风机分别为JP作业面与JK2作业面供风，同时在横通道处设风门隔离平导与正洞的作业面，以满足巷道通风需要。另外，平导与3#横通道交叉处不易排风，需要在此处安设30kW射流风机，使污浊空气加速流动，通过正洞排出洞口。
2.1.4 第四阶段巷道式施工通风
当5#横通道与JK1工作面贯通时，应按设计要求将JK2施作到7#横通道，平导JP的9#横通道必须挖通。为了辅助正洞施工，需要在9#横通道另设JK3工作面，并将JK1的人员调配至该作业面。然后同前述第三阶段一样，将1#风机移至平导与6#横通道交叉口，该风机通过6#横通道向正洞送风，以确保JK2作业面有一个良好的空气质量。设在2#、3#横通道的风机移动到平导内7#横通道处小里程侧，为JP与JK3作业面送风，该横通道与平导之间设风门，隔离JP与2#、3#风机。另外，为避免1#~6#横通道之间串风，也需要设风门使之相互隔离。为确保7#、9#横通道有一个良好的空气质量，还要按图4所示将一台30kW射流风机设在两横通道和平导交叉处拱顶侧，使通道内的污浊空气加速流动排出洞外。
2.2 六郎隧道横洞工区通风设计
利用六郎隧道横洞上下隔层使正洞和平导形成巷道式通风。由于六郎隧道横洞施工过程中，平导不辅助正洞施工，因此在施工阶段平导只是作为新鲜空气的通道。
2.2.1 第一阶段施工通风
在18#横通道没有与正洞贯通之前，在第一阶段，平导和正洞之间尚未贯通，两个部位同步开展通风施工，为避免二者相互干扰，须采用不干扰式通风设计，并且正洞须另设2×132kW（5#风机）1台，横洞洞口也要安设1台2×110kW（4#风机），通过压入式通风方式来加速空气流通。具体布置见图5。
2.2.2 第二阶段巷道式施工通风
在18#横通道与正洞贯通后，在横洞范围内施做隔层形成两个通道，隔层上部作为新鲜空气的进口通道，隔层的下部作为污浊空气的出口通道。在横洞与平导的交叉处，在平导位置设置风门，以防从正洞排出的污浊空气进入平导。并且在18#横通道与平导交叉的大里程侧设置风门，以防新鲜空气与污浊空气串通，这样就使横洞隔层上部及平导18#横通道之间形成新鲜空气供入巷道，横洞隔层下部及正洞作为污浊空气排出巷道。将洞口的两台轴流风机移至平导内，5#风机通过19#横通道供应正洞内的通风，4#风机将风带接至平导掌子面供应平导通风。这样平导排出的浑浊空气只能由18#横通道流向正洞，因此在正洞18#横通道口设置一台射流风机将平导和正洞的浑浊空气排向交叉口，然后从横洞（244m）和平导与正洞交叉地段增加的彩钢瓦隔层下部使浑浊空气排出洞外。具体布置见图6。
2.2.3 第三阶段巷道式施工通风
在15#横通道与正洞贯通后，将平导的两台轴流风机前移，5#风机通过16#横通道供应正洞内的通风，4#风机放置在平导与15#横通道的大里程侧，将风带接至平导掌子面供应平导通风。这样平导排出的浑浊空气只能由15#横通道流向正洞，因此在正洞15#横通道口设置一台射流风机将平导和正洞的浑浊空气排向交叉口，由于正洞施工长度较长，所以在正洞与第15#横通道交叉口处增加一台射流风机将浑浊空气排向交叉口，然后从横洞（244m）和平导与正洞交叉地段增加的彩钢瓦隔层使浑浊空气形成上下两层排出洞外。具体布置见图7。
2.2.4 第四阶段巷道式施工通风
在第13#横通道与正洞贯通后，将平导的两台轴流风机前移，5#风机通过14#横通道供应正洞内的通风，4#风机放置在平导与13#横通道的大里程侧，将风带接至平导掌子面供应平导通风。这样平导排出的浑浊空气只能由15#横通道流向正洞，因此在正洞13#横通道口设置一台射流风机将平导和正洞的浑浊空气排向交叉口，由于正洞施工长度较长，所以在正洞与第13#横通道交叉口处增加一台射流风机将浑浊空气排向交叉口，然后从横洞（244米）和平导与正洞交叉地段增加的彩钢瓦隔层使浑浊空气形成上下两层排出洞外。具体布置见图8。
2.3 隧道出口工区施工通风设计原理同隧道进口，不作详细介绍。
3风量计算
隧洞内作业所需通风量应该结合已知参数通过计算得到。所需参数包括洞内所有人员呼吸所需要空气量、稀释炮烟所需空气量、洞内允许最小风速所需空气量、稀释内燃机械废气所需空气量等等，出风口风量按要求取其最大值。后方运输设备、人员可以通过射流风机使掌子面的空气加速流通，使作业面维持一个良好的空气质量。本文只对正洞、平导两个最末端工作面的情况进行计算。
3.1 正洞需求风量计算
3.1.1 正洞工作面所需风量
①按洞内同一时间内作业最多人数计算。
K——规定的单位需风量（m3/min）；
Ni——各内燃机的功率；
Ti——同时工作柴油机设备利用率系数。
正洞最大送风长度2000m，区段内最多可有2台重车、2台空车、二台装载机（150kW），自卸车装机功率230KW，重车负荷率0.8，空车负荷率0.4，设备利用率0.9，则总的使用功率：
∑NiTi=2×230×0.8×0.9+2×230×0.4×0.9+2×150×0.8×0.9=713kW
则稀释内燃设备废气所需风量
Q尾=3.6×∑NiTi=3.6×713=2567 m3/min
式中k—— 规定的单位需风量，取3.6m3/（min·kW）。
3.1.2 正洞通风机供风量确定
现阶段，各平导口配置风机功率2×132kW，供应风量为3300 m3/min。
取风管百米漏风率P100=1.2%,在送风长度为2000m的条件下，漏风系数=1.32，
作业面风量补给为2500m3/min，不仅满足了排除炮烟、允许最低风速的设计要求，而且也能保证人员安全，由此可以得到正洞内压入式风机的设计风量3300m3/min。
3.2 平导需求风量计算
3.2.1 平导工作面所需风量
平导内最多作业人数按30人计算，由公式（1）可以计算得：Q=3×30=90 m3/min。
①按允许最低风速计算。
平导内按开挖断面30 m2计算，由公式（2）可以计算得：Q平=v A×60=0.15×30×60=270 m3/min。
②按排除炮烟计算。
按3.1.1（3）设置各参数，则：G平导=1.1×3×45=148.5kg
L平导=G平导/5+15=44.7m
由以上公式（3）可以计算得工作面需风量：
=7.8/20×（148.5×（30×44.7）2）1/3=251 m3/min
③按平导稀释和排出内燃机械废气所需风量计算。
平导最大送风长度2000m，区段内最多可有2台重车、2台空车、一台扒碴机（90kW电动的），自卸车装机功率230kW，重车负荷率0.8，空车负荷率0.4，设备利用率0.9，则总的使用功率按公式（4）计算得：
∑NiTi=2×230×0.8×0.9+2×230×0.4×0.9=497kW
则稀释内燃设备废气所需风量
Q尾=3.6×∑NiTi=3.6×497=1789 m3/min
3.2.2 平导通风机风量确定
当前，平导口统一安设2×110kW的风机，供风量能达到2900 m3/min，基本满足通风要求。另外，取风管百米漏风率P100=1.2%,在送风长度为2000m的条件下，可通过下式计算漏风细数
通过计算得知，作业面可以得到2197 m3/min的风量补给，并且基本符合排除炮烟、允许最低风速、人员保健等方面的最大需风量（1789 m3/min）要求，由此可以得到平导为洞内压入式风机的设计风量，取2900 m3/min。
4通风设备配置
基于上文所述风量计算过程可确定风机配置要求。目前各环节风压基本满足通风指标，但是实际情况总与之存在差异，譬如前方爆破、喷锚、出碴、打眼等工序会产生大量污浊空气，使施工段的空气质量大幅下降。为确保洞内人员安全作业，应参照表1所示内容适当增加送风量，使洞内空气加速流通。
5通风的管理
隧道通风质量好坏主要取决于通风施工管理是否到位。以往施工通风质量较差的隧道，若不是通风设计缺陷所致，就是风机风管不匹配，还有一部分是因为通风管理不力，使得管道通风阻力较大，掌子面供风不足，导致隧洞排风量小，污浊空气长期滞留洞内，危害作业人员的生命健康。
在隧道通风施工中，中铁十七局集团第四工程有限公司始终秉承“合理布局，优化匹配，防漏降阻，严格管理、确保效果”二十字方针，从施工技术和质量控制上不断强化通风施工管理。基于岗位责任制和奖惩制度建立通风管理制度体系，组建通风专业施工班组，专司风机、风管的安装和维护工作。施工班组严格按照通风技术操作规程开展施工作业，并由项目部根据班组工作质量定期落实奖惩措施。按照通风设计要求，施工班组主要采用以下措施进行防漏降阻：
①以长代短：风管节长由以往的20～30m加长至50～100m，减少接头数量，即减少漏风量。②以大代小：在净空条件良好的条件下选用大直径风管。③截弯取直：装配风管时，先埋设吊挂锚杆（锚杆间距为5m），然后在杆上标示吊线位置，再将?准8mm盘条吊挂线拉直拉紧并焊固在锚杆上，尔后在吊挂线上挂风管。这样可使风管安装到达平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减少通风阻力。通过合理的通风设计和严格的通风管理，六郎隧道在施工期间始终维持着一个良好的通风效果，正洞内压入式风机送风量能达到3300 m3/min，最大送风长度2000m，工作面可得新鲜风量2500 m3/min，基本满足排除炮烟、允许最低风速、人员保健等方面的要求；平导洞内压入式风机的设计风量达到了2900 m3/min，工作面获得新鲜风量2197 m3/min，完全满足排除炮烟、允许最低风速、人员保健等方面的最大需风量（1789 m3/min）要求。
6结语
通过以上理论计算并经现场通风实际效果检验，总结出以下几点，为今后类似工程施工提供重要指导：①风量和风压的计算仅能满足掌子面的供风需要，能否使污浊空气高速排出洞外是施工者高度关心的问题。射流风机引入是解决这一问题的首要选择。②由于在形成巷道式通风的过程中，通风机等要移至平导内，对高压电的影响比较大，因此在施工组织设计中，提前考虑高压用电事宜。③由于通风工程的高效，在施工过程中，个别横通道要加大断面，满足平导及通过平导辅助正洞施工车辆的顺畅通行。④隧道通风施工是囊括前后方交叉作业、碴运等多道流程的系统工程。隧道通风阻力不能单纯按理论值计算，应该结合现场施工参数进行计算。故现场通风2500米的条件下，仍需串联一台风机提高洞内空气流速。⑤在隧道通风施工中，风门封堵非常关键。它在一定程度上决定着隧道通风质量。由于工序的需要，施工中不可能将每一个通道都堵死，设计施做开启式风门是比较符合现场实际的。
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