肖 勇, 徐林生，陳永權(quán), 何光友，左 明(.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074； .重慶市涪陵高速公路建設(shè)投資有限公司，重慶 408000)

特長公路隧道施工通風(fēng)若干技術(shù)問題研究

肖 勇1, 徐林生1，陳永權(quán)2, 何光友2，左 明2
(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074； 2.重慶市涪陵高速公路建設(shè)投資有限公司，重慶 408000)

特長隧道施工通風(fēng)的綜合研究是一項重要技術(shù)課題。文章主要根據(jù)特長公路隧道在施工過程中產(chǎn)生的污染氣體狀況，來探索其施工時應(yīng)采用的合理通風(fēng)方式，給出了特長公路隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量的計算方法，詳細(xì)論述了通風(fēng)機(jī)與風(fēng)管的合理選型、布置以及根據(jù)需風(fēng)量計算來針對性地設(shè)置相應(yīng)施工通風(fēng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)位置等內(nèi)容。

隧道施工通風(fēng); 需風(fēng)量；通風(fēng)方式；風(fēng)機(jī)

在特長公路隧道建設(shè)快速發(fā)展的大環(huán)境下，由于現(xiàn)代隧道大多以鉆爆法施工和無軌運(yùn)輸為主，其施工通風(fēng)問題就成為安全、快速施工的最大障礙。為確保施工人員在洞內(nèi)的安全，考慮到施工進(jìn)度及成本等因素，特長公路隧道施工通風(fēng)便成了設(shè)計單位、施工單位及建設(shè)管理單位必須研究的重大技術(shù)難題。

1 特長公路隧道施工污染源

1.1 有害氣體

在特長公路隧道的施工過程中，洞內(nèi)會因?yàn)槭┕ぴO(shè)備、地質(zhì)條件等因素產(chǎn)生各種對洞內(nèi)施工人員造成不利影響的有害物質(zhì)，其開挖方法決定了主要污染物的來源。而特長公路隧道施工一般采用深孔全斷面爆破開挖，所以其主要污染源的產(chǎn)生有：(1)因爆破產(chǎn)生的炮煙中夾帶的有害氣體；(2)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣；(3)爆破及錨噴過程中產(chǎn)生的粉塵。由于受不同地質(zhì)條件的影響，可能會產(chǎn)生瓦斯和天然氣等可燃?xì)怏w、硫化氫及缺氧空氣等，主要有CO、NOX、CO2、H2S、SO2等有毒有害氣體。隧道施工中有害氣體的允許濃度見表1。

表1 隧道施工中有害氣體允許濃度

1.2 粉塵

特長公路隧道施工中的粉塵一般指100 μm以下的巖粉、水泥粉塵、煙塵及焊塵等[2]。粉塵產(chǎn)生的原因主要有：(1)鉆孔鑿巖及爆破作業(yè)；(2)棄砟裝運(yùn)作業(yè)；(3)隧道內(nèi)混凝土攪拌車的運(yùn)作；(4)掘進(jìn)機(jī)的開挖作業(yè)；(5)噴混凝土作業(yè)。根據(jù)粉塵防治技術(shù)機(jī)理的不同，大體可將隧道內(nèi)粉塵防治技術(shù)措施分為減塵、降塵、排塵、除塵和個體防護(hù)5類[3]。隧道內(nèi)粉塵允許濃度值見表2。

表2 粉塵允許濃度值

1.3 其它有害因素

在特長公路隧道施工中，影響施工環(huán)境的其它因素還有很多，如溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓以及含放射性元素的物質(zhì)等。如果這些因素沒有妥當(dāng)處理好，同樣會危害隧道內(nèi)施工人員的健康，拖延施工進(jìn)度，從而降低工作效率。

2 特長公路隧道施工通風(fēng)方式

由于公路隧道修建越來越長，自然通風(fēng)根本無法滿足特長公路隧道在施工過程中的通風(fēng)要求，因此在特長公路隧道中，一般考慮采用長大通風(fēng)管路和巷道式進(jìn)行施工通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備也越來越大。機(jī)械通風(fēng)包括多種方式，一般根據(jù)隧道的長短、是否存在輔助坑道和自然地質(zhì)條件來選擇不同的通風(fēng)方式[4]。特長公路隧道施工通風(fēng)方式主要有壓入式、抽出式、混合式和巷道式。

2.1 管道式通風(fēng)

2.1.1 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)的工作原理是由通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣經(jīng)風(fēng)筒壓入隧道施工工作面，使污濁氣體沿隧道排出。這種通風(fēng)方式有效射程大，沖淡和排出炮煙的作用比較強(qiáng)[5]，污濁氣體在回流過程中不經(jīng)過通風(fēng)機(jī)，因此對通風(fēng)設(shè)備的污染小。但同時污濁氣體由工作面緩緩排出洞口，使整條隧洞都處于污濁氣體中。此通風(fēng)方式一般采用成本較低的柔性風(fēng)管，無軌運(yùn)輸施工的特長公路隧道可采用此通風(fēng)方式。

2.1.2 抽出式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)的工作原理是新鮮風(fēng)由隧道洞口流入，將污濁空氣從風(fēng)管吸出洞外。此通風(fēng)方式優(yōu)于壓入通風(fēng)式之處在于洞身段處于新風(fēng)中，有利于隧道后部的工作。由于風(fēng)口正對隧道內(nèi)的污濁氣體，所以排煙效果較好，相對壓入式通風(fēng)來說需風(fēng)量小，且污濁的回風(fēng)氣流不會污染整條隧道。抽出式通風(fēng)的缺點(diǎn)是施工工作面得到新鮮風(fēng)的時間相對較長，施工人員須等到工作面正常通風(fēng)情況下進(jìn)行作業(yè)，因此會延長特長公路隧道的施工進(jìn)度。抽出式通風(fēng)一般在有軌運(yùn)輸施工的隧道中采用。

2.1.3 混合式通風(fēng)

混合式通風(fēng)則兼具了壓入式通風(fēng)與抽出式通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，它在隧道施工工作面附近采用壓入式，在其后采用抽出式?；旌鲜酵L(fēng)有長壓短抽式和長抽短壓式兩種方式?；旌鲜酵L(fēng)適用于長大隧道通風(fēng)，因?yàn)樾枰鲈O(shè)一套通風(fēng)設(shè)備，所以隧洞凈空要求較大。

2.2 巷道式通風(fēng)

巷道式通風(fēng)主要是針對在長大隧道施工通風(fēng)中增設(shè)各種輔助坑道的情況，比如平行導(dǎo)坑、斜井、豎井及鉆孔等(圖1)[6]。巷道式通風(fēng)優(yōu)于其他通風(fēng)方式的地方在于其充分利用輔助坑道進(jìn)行施工通風(fēng)，不致回流廢氣污染隧道，同時也縮短了獨(dú)頭通風(fēng)的距離，使新鮮空氣更快速地到達(dá)工作面。但采用這種通風(fēng)方式的缺點(diǎn)是拖延了施工進(jìn)度以及加大了施工難度。

圖1 巷道式通風(fēng)圖示

3 特長公路隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量計算

在特長公路隧道施工中，為保證隧道掘進(jìn)的快速安全，通風(fēng)問題是其研究與落實(shí)的重點(diǎn)。在解決隧道施工環(huán)境的問題中，通風(fēng)不但可以持續(xù)為洞內(nèi)提供新鮮空氣，將粉塵及污染氣體排出到洞外，為隧道內(nèi)施工人員提供一個安全舒適的工作環(huán)境，而且還可以保護(hù)洞內(nèi)機(jī)電設(shè)備不受腐蝕，從而保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在施工通風(fēng)設(shè)計中，需根據(jù)實(shí)際工況、內(nèi)燃設(shè)備以及隧洞內(nèi)工作人員數(shù)量等因素來確定洞內(nèi)所需風(fēng)量和需安裝風(fēng)機(jī)數(shù)量。

(1)根據(jù)隧道施工中洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備功率和工作人員數(shù)量，其所需風(fēng)量等于功率通風(fēng)計算系數(shù)k乘以所有內(nèi)燃設(shè)備功率的總和再加上4n(n為作業(yè)人員數(shù)量)。

(2)根據(jù)沖淡爆破中產(chǎn)生的有害氣體，可以計算所需風(fēng)量。

①在壓入式通風(fēng)環(huán)境下，根據(jù)由于爆破原因在施工工作面產(chǎn)生的有害氣體濃度降至允許濃度，可以計算所需風(fēng)量：

②在吸出式通風(fēng)條件下，其需風(fēng)量計算為：

③在混合式通風(fēng)條件下，由于所使用的兩臺通風(fēng)機(jī)工作方式不同，所以須分別計算其風(fēng)量。

當(dāng)采用壓入式通風(fēng)方式向工作面提供新鮮風(fēng)時，其所需風(fēng)量為：

當(dāng)隧道采用吸出式通風(fēng)方式由風(fēng)機(jī)從工作面吸出污濁空氣時，風(fēng)機(jī)從施工工作面凈吸風(fēng)量等于工作面風(fēng)量與隧道掘進(jìn)斷面積乘以隧道允許最低平均風(fēng)速之和。

以上計算式中，t為散煙通風(fēng)時間(min)；G為一次爆破炸藥總量(kg)；A為隧道掘進(jìn)面的斷面積(m3)；L為隧道全長或臨界長度(m)；b為洞內(nèi)爆炸時產(chǎn)生的有害氣體總量；L0為抽出式風(fēng)管管口與施工工作面之間的距離(m)；φ為淋水系數(shù)。

(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速來計算需風(fēng)量。假如過風(fēng)斷面在40 m2以下其風(fēng)速取值為1.5～2.0 m/s；過風(fēng)斷面在40～100 m2之間其風(fēng)速取值為1.0～1.5 m/s。其需風(fēng)量等于隧道允許最小風(fēng)速乘以隧道凈空斷面，變斷面按最大斷面取值。

4 特長公路隧道施工通風(fēng)設(shè)備的選擇與布置

4.1 特長公路隧道施工風(fēng)機(jī)的選擇

4.1.1 風(fēng)機(jī)選擇參數(shù)

(1) 計算風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量Q0。在管道通風(fēng)中，風(fēng)管漏風(fēng)是主要問題。通風(fēng)管道漏風(fēng)率是直接評判管道安裝及管道維護(hù)質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)。洞內(nèi)工作風(fēng)量的計算公式為：

Q0=ηQ

式中：η為漏風(fēng)系數(shù)；Q為計算風(fēng)量(m3/min)。

(2) 計算風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓hf。

在選擇風(fēng)機(jī)時，其工作風(fēng)量與工作風(fēng)壓應(yīng)滿足Q0和hf的要求，但hf不應(yīng)大于風(fēng)管的允許工作壓力。

4.1.2 風(fēng)機(jī)選擇原則

在通風(fēng)機(jī)型號的選擇方面需遵循3個原則：通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量不能小于理論計算風(fēng)量，通風(fēng)機(jī)直徑與選取通風(fēng)管直徑不能差別太大，風(fēng)機(jī)全壓值不小于管道總阻力[7]。特長公路隧道施工通風(fēng)設(shè)計中，根據(jù)通風(fēng)方案計算出施工通風(fēng)所需的風(fēng)量及風(fēng)壓，由此選擇最合適、最經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)機(jī)類型。

考慮到通風(fēng)系統(tǒng)的控制及節(jié)能，應(yīng)盡量考慮選用無級變速節(jié)能的風(fēng)機(jī)。一般國內(nèi)通風(fēng)機(jī)標(biāo)定的風(fēng)量、風(fēng)壓、電機(jī)功率等在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中并不能夠全部有效發(fā)揮，在風(fēng)機(jī)選型時必須要大于所計算的風(fēng)量和風(fēng)壓，以確保在施工中通風(fēng)滿足要求[8]。

4.2 特長公路隧道施工風(fēng)機(jī)的安裝布置

4.2.1 特長公路隧道施工風(fēng)機(jī)安裝

在特長公路隧道施工中，需利用風(fēng)機(jī)排出隧道內(nèi)污濁氣體所含有的主要成分是內(nèi)燃機(jī)釋放的廢氣和開挖時爆破產(chǎn)生的炮煙。因此可以將風(fēng)機(jī)根據(jù)其主要作用分別安裝，將抽風(fēng)機(jī)安裝在隧道的中上部，主要是為了抽出洞內(nèi)污濁廢氣；壓風(fēng)機(jī)安裝在隧道的偏下部，主要是為了將低溫的新鮮空氣送入洞內(nèi)，以此為洞內(nèi)施工人員提供一個良好的工作環(huán)境。為減少施工通風(fēng)中風(fēng)機(jī)的振動，必須將風(fēng)機(jī)支架安裝牢固，以免影響風(fēng)機(jī)安裝質(zhì)量。風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在一定的高度，與風(fēng)管連接平順。

4.2.2 特長公路隧道施工風(fēng)機(jī)布置

在特長公路隧道施工時，可以在進(jìn)風(fēng)洞和無軸流風(fēng)機(jī)段布置較少射流風(fēng)機(jī)，在污風(fēng)洞和有軸流風(fēng)機(jī)段多布置射流風(fēng)機(jī)。在特長公路隧道施工通風(fēng)時，為了加速風(fēng)流速度，可在軸流風(fēng)機(jī)后方200 m處布設(shè)一臺射流風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的布置可根據(jù)風(fēng)機(jī)數(shù)量及布設(shè)方式的區(qū)別分為集中布置和串聯(lián)布置。集中布置是將滿足隧道通風(fēng)要求的所有風(fēng)機(jī)集中布設(shè)在隧道內(nèi)或隧道外，串聯(lián)布置則是將通風(fēng)機(jī)分散布置在隧道內(nèi)以形成串聯(lián)的布置方法。

4.3 特長公路隧道施工風(fēng)管布設(shè)

風(fēng)管的質(zhì)量與適用性以及風(fēng)管的安裝與維護(hù)在特長公路隧道施工通風(fēng)中都起著重要作用，一般在特長公路隧道中都采用的是長管路通風(fēng)?？紤]到風(fēng)管安裝的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，軟風(fēng)管比硬風(fēng)管更便于安裝，但須通過風(fēng)管漏風(fēng)率、風(fēng)阻、接頭氣密性、安裝條件等方面綜合考慮選擇合適的風(fēng)管。在確定風(fēng)管直徑時，應(yīng)根據(jù)隧道斷面、通風(fēng)量以及風(fēng)管長度綜合考慮。風(fēng)管的吊掛應(yīng)安裝主引鋼絲作為風(fēng)管吊裝的主索，風(fēng)管采用安裝活動掛鉤懸掛于主引鋼絲上，這樣不僅方便該段風(fēng)管的安裝，而且可有效防止因外力作用被損壞[9]。

5 特長公路隧道施工通風(fēng)管理

特長公路隧道施工通風(fēng)管理是完善施工方法、提高工作效率、減少能耗、降低施工通風(fēng)成本的關(guān)鍵因素[10]。由于許多施工單位對施工通風(fēng)工作不夠重視，在施工通風(fēng)技術(shù)和管理方面的缺失，直接影響施工通風(fēng)的效果，以及隧道開挖與通風(fēng)管理工作的不協(xié)調(diào)，造成拖延施工進(jìn)度，甚至損害施工人員的健康，所以必須加強(qiáng)通風(fēng)管理和完善通風(fēng)控制系統(tǒng)，在負(fù)責(zé)技術(shù)和管理方面配備專業(yè)的工作人員。為合理優(yōu)化施工通風(fēng)管理系統(tǒng)，為隧道提供一個安全健康的工作環(huán)境，施工通風(fēng)管理應(yīng)從通風(fēng)技術(shù)、通風(fēng)管路、風(fēng)機(jī)管理和通風(fēng)監(jiān)測方面入手。

5.1 通風(fēng)技術(shù)管理

對負(fù)責(zé)通風(fēng)工作的人員進(jìn)行必要的崗前培訓(xùn)，傳授必要的專業(yè)知識，經(jīng)嚴(yán)格考核合格后持證上崗。不定期地對隧道施工通風(fēng)管理人員及技術(shù)人員進(jìn)行安全意識培訓(xùn)，提高通風(fēng)技術(shù)水平。通風(fēng)技術(shù)管理要全面完善通風(fēng)設(shè)計方案，它是隧道施工通風(fēng)的前提保障。

5.2 通風(fēng)管路管理

確保通風(fēng)管道與風(fēng)機(jī)的合理匹配，要做到風(fēng)管連接平順且不漏風(fēng)。若發(fā)現(xiàn)風(fēng)管破壞或漏風(fēng)嚴(yán)重時，應(yīng)及時對其養(yǎng)護(hù)與維修。

5.3 風(fēng)機(jī)管理

對隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)定期檢查與維修，確保風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如風(fēng)機(jī)因故停轉(zhuǎn)，應(yīng)及時養(yǎng)護(hù)維修，保持其良好的運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)機(jī)是施工通風(fēng)的動力源，要保證其正常運(yùn)行，才能得到最佳的通風(fēng)效果。

5.4 通風(fēng)監(jiān)測

定期地對隧道進(jìn)行一次全面風(fēng)量測定，監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證通風(fēng)系統(tǒng)的合理性與可靠性。通風(fēng)監(jiān)測是為了及時將隧道施工通風(fēng)效果反饋給工作人員，若通風(fēng)效果不佳，須及時安排處理，保證隧道內(nèi)施工人員的工作環(huán)境。因此通風(fēng)監(jiān)測是隧道安全施工的保障。

6 結(jié)束語

綜上所述，特長公路隧道施工通風(fēng)與洞內(nèi)施工人員的安全與身體健康緊密聯(lián)系，還關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的使用效率等問題。隧道內(nèi)施工通風(fēng)的效果直接影響到施工環(huán)境的好壞，做好特長公路隧道的施工通風(fēng)，仍然需要我們從工程建設(shè)管理、人身安全與健康等多方面來綜合、系統(tǒng)地做進(jìn)一步的針對性專題研究。

[1] 交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司.2011年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2012(9):8-15.

[2] 趙馨鑫.長大公路隧道瀝青路面鋪裝環(huán)保施工技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué),2012.

[3] 龐耀壟.隧道施工爆破后的粉塵防治方法分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010(10):112-114.

[4] 蒲榮宇.高原特長隧道施工通風(fēng)技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2013(8):109-112.

[5] 孫峰波.長大隧道施工通風(fēng)技術(shù)探討[J].城市建設(shè)理論研究,2014(20):416-417.

[6] 程馳.長大隧道施工期空氣環(huán)境質(zhì)量分析及其控制措施研究[D].西南交通大學(xué),2008

[7] 吳奉亮.復(fù)雜公路隧道火災(zāi)風(fēng)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)求解模型應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報，2011,31(5):57-62.

[8] 陳福濤.談隧道施工通風(fēng)[J].山西建筑，2013，39(27)：144-145.

[9] 孫永麗.特長隧道通風(fēng)技術(shù)及設(shè)備運(yùn)行管理[J].科技信息,2010(31):324.

[10] 陳永輝,羅占夫,李建偉.關(guān)角隧道施工通風(fēng)問題初探[J].山西建筑,2009,35(25):324-325.

重慶市涪陵區(qū)科委與重慶市交通科技項目(JK2015-03)

肖勇(1992～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>

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[定稿日期]2016-07-13