臧浩宇 蓋明

摘要：高效通風(fēng)可改善隧道施工環(huán)境，提升空氣質(zhì)量，保障人員健康。但特長隧道施工通風(fēng)難度大、風(fēng)險隱患多，需結(jié)合項目所處區(qū)域、結(jié)構(gòu)設(shè)計，建設(shè)高效通風(fēng)體系，加強(qiáng)施工管理，使通風(fēng)效果符合施工需求。本文以某高速公路特長隧道項目為例，分析特長高速公路隧道高效通風(fēng)的施工管理、通風(fēng)施工風(fēng)險控制的具體思路，以優(yōu)化長距離隧道掘進(jìn)、建造時的通風(fēng)方案，科學(xué)選用風(fēng)機(jī)，完善隧道施工組織保障機(jī)制和隧道通風(fēng)技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：特長隧道；高速公路；施工；施工管理

DOI：10.12433/zgkjtz.20240742

高速公路特長隧道施工技術(shù)復(fù)雜，內(nèi)部施工間距長，施工環(huán)境特殊，通風(fēng)不暢會含有大量有害物質(zhì)，危及施工人員健康安全。為建立高效通風(fēng)體系，應(yīng)根據(jù)特長隧道施工特點，合理設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)，使通風(fēng)施工管理標(biāo)準(zhǔn)化，有效控制長隧道施工風(fēng)險，提高高速公路特長隧道的建設(shè)效率。

一、項目概況

某高速公路隧道項目，全長7.56km，最大埋深

0.76km，屬于高海拔特長隧道。隧道主洞樁號為K00+

120～K18+150，平行導(dǎo)洞樁號為PK00+120～PK18+

150，施工長度分別為3567m、3712m，包括土石方開挖作業(yè)、洞內(nèi)防護(hù)工程、隧道支護(hù)施工等子項目。主洞凈寬10m，凈高5m，側(cè)向?qū)挾?.5m，行車道為3.5×2m，設(shè)計速度60km/h，公路等級為二級公路。

二、特長隧道通風(fēng)方式

（一）機(jī)械通風(fēng)

基于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置形式，機(jī)械通風(fēng)分為壓入式、壓出式、混合式三種。

第一，壓入式。應(yīng)用風(fēng)機(jī)稀釋開挖面氣體、粉塵，傳送新鮮空氣，排放有害氣體及污染物。通風(fēng)期間，通風(fēng)管道內(nèi)新鮮空氣、污染混合物會相互作用，降低風(fēng)速后，增加射流斷面，新鮮空氣壓入后污染混合物反向流出。壓入式通風(fēng)稀釋效果良好，可全面排放洞內(nèi)污染物。但需考慮風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管損失和動能，預(yù)防污染物回流。

第二，壓出式。風(fēng)機(jī)可設(shè)置于隧道洞室外、洞室內(nèi)，風(fēng)機(jī)啟動后抽出有害氣體，加壓促進(jìn)新鮮空氣流動。壓出式通風(fēng)排污效果好，需風(fēng)量小，無回流風(fēng)險，通風(fēng)施工管理方便。但吸程短，通風(fēng)管要求高，常用于有軌隧道。

第三，混合式通風(fēng)。組合應(yīng)用壓入、壓出式通風(fēng)技術(shù)。壓出式風(fēng)機(jī)為主風(fēng)機(jī)，通風(fēng)組合為大功率風(fēng)機(jī)+柔性風(fēng)管。配合壓入式風(fēng)機(jī)，輔助通風(fēng)，集成通風(fēng)優(yōu)勢，延長通風(fēng)長度。但需控制通風(fēng)管道搭接長度，不小于20m。主機(jī)風(fēng)量應(yīng)大于輔機(jī)風(fēng)量，通風(fēng)管、洞口間距符合要求。

（二）既有通道輔助通風(fēng)

基于“長隧短挖”目標(biāo)，應(yīng)用斜井、豎井、平行導(dǎo)洞等既有通道設(shè)置通風(fēng)體系，縮短通風(fēng)距離。第一，洞口安裝風(fēng)機(jī)，平行導(dǎo)洞側(cè)挖通風(fēng)區(qū)，洞口設(shè)置風(fēng)門，作業(yè)面臨近通道作為通風(fēng)通道，促使風(fēng)流循環(huán)。主風(fēng)機(jī)啟動后，平行導(dǎo)洞內(nèi)負(fù)壓值增加，新鮮空氣流入，進(jìn)入主洞掌子面，實現(xiàn)通風(fēng)供氧。第二，應(yīng)用“無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)技術(shù)”更換風(fēng)機(jī)，布設(shè)射流風(fēng)機(jī)，增大風(fēng)量，改變風(fēng)機(jī)壓力，直接導(dǎo)入風(fēng)流。第三，分別在斜井、豎井安裝風(fēng)機(jī)，利用鉆孔、井道流出有害氣體，建立自然風(fēng)壓，利用隧道高差輔助通風(fēng)除塵。

三、特長高速公路隧道高效通風(fēng)施工設(shè)計

項目采用壓入式通風(fēng)方案，主洞、平行導(dǎo)洞通風(fēng)參數(shù)設(shè)計如下：

第一，壓入式通風(fēng)長度分別為3570m、3720m，主洞通風(fēng)管直徑1.8m，平行導(dǎo)洞通風(fēng)管徑1.5m。

第二，隧道斷面75m2、37m2，通風(fēng)管均為單管。

第三，需風(fēng)量分別為主洞2300～3612m3/min，平行導(dǎo)洞1900～2960m3/min，風(fēng)壓為8500Pa、13850Pa。主洞風(fēng)機(jī)為變頻節(jié)能對旋軸流通風(fēng)機(jī)，設(shè)有2臺，最大功率180kW。平行導(dǎo)洞風(fēng)機(jī)最大功率為2×110kW，轉(zhuǎn)速1480r/min，風(fēng)機(jī)型號SDF（c）N13，設(shè)有4臺。

第四，主洞、平行導(dǎo)洞洞口10m處需設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，均實施壓入式通風(fēng)。主洞洞口軸流風(fēng)機(jī)為2臺180kW風(fēng)機(jī)，平行洞口風(fēng)機(jī)為110kW風(fēng)機(jī)4臺。

四、特長高速公路隧道高效通風(fēng)施工管理與控制思路

（一）優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)

1.需風(fēng)量

隧道施工過程中，各類工況通風(fēng)所需風(fēng)量有所差異，需準(zhǔn)確計算隧道施工需風(fēng)量，確定“最小風(fēng)量值”。項目采用壓入式通風(fēng)方案，壓入式通風(fēng)需風(fēng)量計算公式如下：

（1）

其中，Q為施工作業(yè)面風(fēng)量（m3/min），t為隧道施工所需通風(fēng)時間（min），G為隧道開挖、掘進(jìn)爆破藥量（kg），L為隧道臨界長度（m），A為隧道掘進(jìn)斷面面積（m2），φ為淋水系數(shù)。P為1.5、1.8柔性通風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)，b為隧道施工時污染混合物總量。對于特長隧道，掘進(jìn)長度較大，爆破后隧道內(nèi)炮煙需稀釋至標(biāo)準(zhǔn)值，炮煙流動時，掌子面稀釋、標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生時炮煙流動距離為臨界長度。計算公式如下：

（2）

其中，K為隧道紊流擴(kuò)散系數(shù)。隧道通風(fēng)管徑、壓入式通風(fēng)有效射程是影響紊流擴(kuò)散系數(shù)的主要數(shù)據(jù)，取值范圍約為0.4～0.8。

2.通風(fēng)阻力

隧道施工通風(fēng)阻力包括局部阻力、摩擦阻力。其中，摩擦阻力存在于隧道施工全過程，為通風(fēng)主要阻力，包括層流摩擦阻力、紊流摩擦阻力兩種。

第一，層流阻力為通風(fēng)過程中，空氣分子流動時，阻止空氣分子運動的摩擦力。隧道通風(fēng)量為Q時，層流摩擦阻力為每平方米空氣需消耗的能量，該數(shù)值與隧道通風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)量變化成正比關(guān)系。

第二，紊流阻力是空氣質(zhì)點相互作用后的阻力，計算公式如下：

（3）

其中，hf為紊流阻力（Pa），L為通風(fēng)管長度（m），D為管徑（m），λ為達(dá)西系數(shù)，ρ為流體密度（kg/m3），v為平均風(fēng)速（m/s）。為保障隧道通風(fēng)效果，改善施工環(huán)境，需提前計算通風(fēng)阻力，優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計參數(shù)，保障特長隧道通風(fēng)質(zhì)量。

3.風(fēng)機(jī)參數(shù)

項目屬于特長隧道，基于壓入式通風(fēng)方案，安裝軸流風(fēng)機(jī)時，應(yīng)確保風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓的合理性。

第一，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、安裝角度明確后，產(chǎn)生的風(fēng)流量為恒定值，計算公式為：

（4）

其中，QZ為通風(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/min），P為風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)，Qmax為需風(fēng)量（m3/min），D、d為通風(fēng)設(shè)備動輪外徑、直徑（m），ca為通風(fēng)機(jī)出氣口氣流分速度（m/s）。

第二，風(fēng)壓為隧道通風(fēng)機(jī)全壓，根據(jù)公式計算：

（5）

其中，公式中，γ為空氣重率（N/s2），η為通風(fēng)機(jī)全壓通風(fēng)效率，g為重力加速度，?為通風(fēng)機(jī)輪速。高海拔地區(qū)，通風(fēng)機(jī)全壓值會變化，施工時應(yīng)及時監(jiān)測通風(fēng)機(jī)特性曲線、海拔高度值，調(diào)整風(fēng)壓。

（二）明確通風(fēng)施工要求

1.主洞通風(fēng)施工

第一，單頭壓入時，通風(fēng)間距低于1500m，計算平均風(fēng)速時，應(yīng)嚴(yán)格遵守隧道通風(fēng)施工管理規(guī)范，確保最低平均風(fēng)速取值合理。項目主洞壓入式通風(fēng)時，隧道土方開挖斷面面積為80m2，計算后平均風(fēng)速取值0.23m/s。

第二，持續(xù)開挖后，隧道兩側(cè)開挖長度大于1500m，通風(fēng)距離長、難度大。為保障通風(fēng)效果，應(yīng)移動風(fēng)機(jī)，設(shè)于主洞右洞內(nèi)，配合該區(qū)域既有巷道優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計。左洞需實施排煙處理，具體施工時應(yīng)封閉左右洞前側(cè)人行通道，沿線安裝通風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)安裝位置應(yīng)根據(jù)隧道開挖、施工點位靈活調(diào)整，確保隧道內(nèi)空氣質(zhì)量符合要求。

2.斜井輔助壓入通風(fēng)

部分區(qū)域利用斜井輔助壓入通風(fēng)，斜井通風(fēng)管道與主洞連接。施工時可基于隧道進(jìn)口方向布設(shè)3～4個通風(fēng)斷面。

第一，設(shè)置4個通風(fēng)斷面，斷面沿隧道進(jìn)口方向開挖，開挖長度大于150m、小于300m時，直接啟動通風(fēng)機(jī)，壓入計算風(fēng)量，供氧通風(fēng)。斜井兩側(cè)通風(fēng)裝置獨立運行，通風(fēng)管道負(fù)責(zé)方向不同，可結(jié)合隧道施工設(shè)計，合理調(diào)整通風(fēng)管道供風(fēng)區(qū)域，預(yù)防通風(fēng)高峰。斜井兩側(cè)開展爆破作業(yè)時，應(yīng)安裝射流風(fēng)機(jī)，及時處理爆破作業(yè)后的環(huán)境問題。

第二，從斜井出口區(qū)域兩側(cè)開挖，主洞、進(jìn)口區(qū)域未貫通前，連接斜井兩側(cè)排風(fēng)管道，建設(shè)風(fēng)室，風(fēng)室密閉，設(shè)有軸流式通風(fēng)機(jī)。正式施工后壓入新鮮空氣，同時向多個作業(yè)面供風(fēng)。為保障通風(fēng)效果，需增加通風(fēng)管道直徑。

（三）完善隧道通風(fēng)施工設(shè)計

1.合理布局

為預(yù)防隧道通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)、回流風(fēng)，出風(fēng)口位置應(yīng)與洞口保持一定距離，間距大于30m。作業(yè)過程中，通風(fēng)管需設(shè)于隧道拱腰處，便于推進(jìn)流水作業(yè)。通風(fēng)管、掌子面間距合理，符合通風(fēng)輻射要求。為減少通風(fēng)作業(yè)量，可配合使用其他降塵、排煙設(shè)備，降低通風(fēng)難度。

2.優(yōu)化配置

優(yōu)化隧道內(nèi)通風(fēng)機(jī)配置，增強(qiáng)通風(fēng)機(jī)性能。

第一，施工作業(yè)為開挖、掘進(jìn)，需貫通人行通道。施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)設(shè)計，主洞設(shè)置2臺軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號為SDF（P2）－N017/2，2臺射流風(fēng)機(jī)。平行導(dǎo)洞配置4臺軸流風(fēng)機(jī)，1臺射流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)型號為SDF（C）N012.5/2。設(shè)立風(fēng)機(jī)型號均為SSF－N014/30kW。

第二，進(jìn)尺1600m后，調(diào)整通風(fēng)方案，貫通行車通道。可將平行導(dǎo)洞作為輔助送風(fēng)巷道，在車行道后55m處布設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，共安裝4臺，通風(fēng)機(jī)功率分別為180kW、110kW。主洞、平行導(dǎo)洞連接后，橫通道處需布設(shè)風(fēng)門，阻隔污染混合物，預(yù)防污濁空氣回流。平行導(dǎo)洞排污時，通道需安裝射流風(fēng)機(jī)引流、排污，經(jīng)主洞回風(fēng)巷道排出隧道洞口。為保障新鮮空氣供應(yīng)量，平行導(dǎo)洞洞口處壓入送風(fēng)設(shè)備可采用110kW軸流風(fēng)機(jī)，洞內(nèi)均勻布設(shè)射流風(fēng)機(jī)。例如，距離洞口約200m處安裝3組6臺射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率為30kW，每組風(fēng)機(jī)間距100m。

3.加強(qiáng)管理

第一，防漏降阻。對于特長隧道通風(fēng)施工，應(yīng)基于防漏降阻目標(biāo)，降低通風(fēng)管道漏風(fēng)率、減小通風(fēng)摩阻系數(shù)，確保風(fēng)機(jī)輸送距離長、通風(fēng)效果好。首先，控制風(fēng)管接頭數(shù)量，采用柔性風(fēng)管，風(fēng)管接長后嚴(yán)格檢驗接口處密封性。風(fēng)帶破損后應(yīng)立即修補(bǔ)，并移動風(fēng)帶至掌子面，必要時應(yīng)更換風(fēng)帶。其次，風(fēng)管表面、內(nèi)壁干凈，材質(zhì)老化時間長，具有防水、抗燃特點。最后，適當(dāng)增加風(fēng)管節(jié)長度，控制風(fēng)量損失，項目風(fēng)管各節(jié)長度設(shè)計為30m。

第二，合理控制通風(fēng)時間。隧道爆破后，通風(fēng)時間應(yīng)大于15min。隧道掘進(jìn)深度增加后，可適當(dāng)增加通風(fēng)時間，確保廢氣、廢煙及時排出。

第三，重視通風(fēng)系統(tǒng)維護(hù)管理。持續(xù)監(jiān)測軸流通風(fēng)機(jī)、射流通風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備運行狀態(tài)，記錄運行參數(shù)。定期檢查、檢修通風(fēng)設(shè)施，發(fā)現(xiàn)故障后立即處理，降低通風(fēng)質(zhì)量風(fēng)險。通風(fēng)施工過程中加強(qiáng)安全培訓(xùn)、施工管理，通過統(tǒng)一安全教育、技術(shù)培訓(xùn)活動，增強(qiáng)施工人員安全意識，提升通風(fēng)技術(shù)能力，確保隧道通風(fēng)效果。

例如，可安排專業(yè)通風(fēng)管道施工管理小組，使其及時維修、保養(yǎng)、檢查風(fēng)管，調(diào)整不順、不平區(qū)域，發(fā)現(xiàn)風(fēng)管存在漏風(fēng)現(xiàn)象后及時處理。通風(fēng)管道破損長度、寬度小時，可采用補(bǔ)縫工藝修補(bǔ)。管節(jié)破損嚴(yán)重、難以修補(bǔ)時需立即更換，控制管道漏風(fēng)系數(shù)，確保通風(fēng)管道密封度。操作風(fēng)機(jī)時，應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員值守，嚴(yán)格按照規(guī)定操作風(fēng)機(jī)，確保風(fēng)機(jī)狀態(tài)良好、穩(wěn)定。

第四，做好排煙處理。通風(fēng)期間，可應(yīng)用大循環(huán)無風(fēng)門排煙技術(shù)，輔助排煙，或應(yīng)用水幕降塵器排煙、降塵，確保隧道爆破、掘進(jìn)時，土石方出渣時不揚塵，通風(fēng)效果良好。項目采用鍍鋅鋼管作為降塵裝置，鋼管上鉆入小孔，套裝閘閥，一端堵死后緊靠掌子面安裝。安裝后開閘，釋放水霧，以此降塵、輔助排放炮煙。

隧道行車洞每60m可設(shè)置3m×2m排煙口，安裝組合風(fēng)閥。排煙時采用單側(cè)、雙側(cè)組合排煙方式，保證隧道各區(qū)段排煙效果，使通風(fēng)機(jī)送風(fēng)、排風(fēng)曲線保持穩(wěn)定，減少近端排煙量過大、遠(yuǎn)端排煙量不足問題。

第五，排查隧道通風(fēng)隱患。首先，結(jié)合特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，監(jiān)測風(fēng)機(jī)電能傳輸路徑。排查風(fēng)機(jī)控制箱、配電室線路連接情況，保證風(fēng)機(jī)電流傳輸穩(wěn)定性。其次，檢查風(fēng)機(jī)預(yù)埋件、連接點的固定情況。風(fēng)機(jī)自重、隧道內(nèi)滲水、爆破施工等因素會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)設(shè)備、風(fēng)管元件松動問題，影響通風(fēng)效果。可采用專用儀器，檢查、加固風(fēng)機(jī)，使其穩(wěn)定性、安全性符合要求。再次，控制風(fēng)機(jī)電阻，使風(fēng)機(jī)電機(jī)絕緣正常，電流平衡穩(wěn)定，葉片正常旋轉(zhuǎn)。例如，運用萬用表測量風(fēng)機(jī)外殼、電機(jī)絕緣情況，測試電機(jī)運行時的電流值，觀察葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。第四，隧道施工環(huán)境較差，作業(yè)面灰塵、濕度會影響風(fēng)機(jī)設(shè)備運行狀態(tài)。施工期間應(yīng)結(jié)合隧道風(fēng)機(jī)設(shè)備運行需求，加強(qiáng)環(huán)境管理，做好通風(fēng)機(jī)清、查、測、檢的維保工作，全方位排查通風(fēng)設(shè)備安全隱患，保障隧道通風(fēng)質(zhì)量。

五、結(jié)語

綜上所述，通風(fēng)是隧道施工關(guān)鍵內(nèi)容，高效通風(fēng)效果可改善隧道內(nèi)施工環(huán)境，保障施工人員安全。高速公路特長隧道項目中，建設(shè)方應(yīng)基于隧道長距離、工藝復(fù)雜等特點，滿足內(nèi)部通風(fēng)需求，模擬通風(fēng)技術(shù)，對比隧道通風(fēng)方案，篩選最佳通風(fēng)設(shè)計，及時排出隧道內(nèi)污染物、有害氣體，保障工人健康，提升特長隧道施工進(jìn)度，為高速公路隧道交通體系的完善創(chuàng)造有利條件。

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作者簡介：臧浩宇（1989），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市人，工程師，本科，主要研究方向為特長隧道施工現(xiàn)場管理；蓋明（1987），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市人，工程師，本科，主要研究方向為山區(qū)高速公路橋梁隧道施工管理。