特长公路隧道施工过程通风设计、实施与检测

张 华，陈 浩

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

在隧道和地下工程的施工过程中，通风是隧道内外空气交换的惟一手段，是保障施工安全不可缺少的技术环节。特别是对于有瓦斯、高温等不利因素的隧道，必须保证充足的通风量，降低洞内有害物质的浓度，避免灾害的发生。对于特长公路隧道，其施工通风问题已经成为隧道快速施工的“瓶颈”[1]。在特长隧道施工安全、进度及经济等方面，通风问题也是工程设计、施工和管理面临的重要问题。

文献[2]以合武铁路大别山隧道施工通风为例，详细介绍了施工通风的风量、风压计算、通风系统布置及通风技术的改善方法，在隧道现场施工通风中取得了良好的应用效果。文献[3]以两河口公路隧道为例，进行了独头掘进所需风量计算与隧道三维空间内风流结构和有害气体浓度扩散的数值模拟，指出压入式通风时，在隧道的回流区中央位置摆放射流风机能够明显加快有害气体的减排速度，建议射流风机的工作距离为120 m左右。文献[4]对无风门大功率射流巷道式通风方式进行了模拟仿真，并对锦屏交通辅助洞风机的布置设计进行了优化。通过计算比较隧道出口处的CO浓度、隧道内平均CO浓度及隧道内最高CO浓度3个浓度指标，得出了横通道处射流风机布置的最佳方式。文献[5]针对地下工程洞室施工中的隧洞通风开展理想状态下气体运动状态及通风过程研究，得到施工通风过程中有害气体扩散的浓度变化公式与有害气体的扩散变化规律，指出恒通风量通风模式在节能方面存在不足。文献[6]介绍了国内最长独头掘进公路隧道——麦积山隧道施工中的通风布置方式及通风设备，阐述了一种通风效果良好的施工通风方案。文献[7]研究了高海拔地区隧道施工通风风量计算及风机选型，指出高原地区的施工通风难度比常压下增大很多，高原地区的施工通风风量计算应考虑不同海拔高度时有害气体的体积膨胀及浓度限值。文献[8]介绍了长8 168 m的华蓥山隧道采用压入式和射流巷道式相结合的通风方式，通过对隧道需风量、瓦斯工区分布、风筒与隧道的具体阻力计算,对施工通风风机进行了优化配置，并确定了各个工区的施工通风方案,较好地解决了特长公路瓦斯隧道的施工通风问题。可见，特长隧道施工通风是一项重要研究课题，因隧道所在海拔、施工方法、通风方法、施工工期要求等影响显著，需针对隧道工程开展专项研究。论文围绕长6 873 m的通省特长公路隧道施工过程的通风问题，从方案设计、实施与检测验证等展开研究，以制定合理的施工通风设计和施工方案，丰富和提高特长隧道施工通风技术。

1 工程概况

通省隧道系湖北省十堰至房县高速公路上的特长公路隧道，是十房高速公路上的控制工程。隧道进口位于十堰市房县土城镇马蹄山村，出口位于土城镇塘埂村，如图1所示。隧道设计为分离式双洞隧道，两洞轴线相距48.6 m。隧址区域地形复杂、山岭险峻、峰峦叠嶂，最大埋深约500 m。左线设计长度为6 900 m，隧道纵断面采用+1.90%的单向坡；右线设计长度为6 873 m，隧道纵断面采用+1.90%的单向坡。独头掘进长度约为隧道设计长度的一半。

图1 通省隧道平面

2 通风方案设计

2.1 方式选择

由于现场产生的有害物质多种多样，而且隧道内的作业地点(如上半断面、下半断面、铺底、铺设防水板、二次衬砌作业等)也很多，编制通风计划时要考虑的环境因素十分复杂[9]；因此，应根据隧道规模、隧道横断面大小、独头掘进长度以及施工方法等，来选择最合适的通风方式，以经济、高效地利用通风机和风管等通风设备。通省隧道长达6 873 m，独头掘进3 450 m，自然通风无法满足施工需求，必须采用管道通风、巷道式通风等机械通风方式。

结合管道通风、巷道式通风的特点，拟采用压入式通风与巷道式通风相结合的方案，即前掘进长低于2 000 m阶段采用压入式通风，2 000 m以后阶段采用巷道式通风。在压入式通风阶段，将轴流风机分别布置在左右洞的洞口，通过风管向掌子面压送新鲜空气，横通道在贯通后及时采取措施进行封闭；在巷道式通风阶段，将轴流风机移至距离掌子面最近的横通道处对掌子面进行压入式送风，每贯通1处横通道将轴流风机前移1次，同时采用射流风机在洞口至轴流风机间进行辅助通风。具体做法是，左、右洞根据后部施工工序，轮流换边作业，左、右洞交替作为进风洞和排风洞。车辆由排风洞驶入、驶出，进风洞可安排对空气质量影响较小的后部工序作业。根据施工需要换边作业，满足多工序平行作业要求。

2.2 阶段划分

通省隧道进口段施工通风主要分为4个阶段。

(1)第1阶段。左、右洞各自掘进前2 000 m时，左、右洞各自采用压入式管道通风。

(2)第2阶段。第2个车行横通道贯通后，采用巷道式通风，新鲜风流自右洞进入，污风自左洞排出；在右洞第2个车行横通道后一定距离处，设置轴流风机，对工作面进行压入式通风。

(3)第3阶段初期。当第3个车行横通道贯通后，进行换边作业，新鲜风流自左洞进入，污风自右洞排出，并将轴流风机移至左洞第3个车行横通道后一定距离处，对工作面进行压入式通风。

(4)第3阶段中后期。竖井溜渣孔贯通后，随着竖井正向钻爆开挖的进行，竖井扩挖掌子面的施工以及井底出渣作业都将对隧道正洞的施工通风产生影响，其具体的通风布置情况需根据施工后现场施工环境重新设计。

2.3 通风布置

根据通省隧道施工通风基本设计参数，进行不同通风阶段的设计计算，形成如下通风布置方案，如图2、3和表1、2所示。

图2 第1阶段通风布置

图3 第2阶段通风布置

表1 第1阶段现场风机配置情况

表2 第2阶段现场风机配置

3 通风方案实施

第1阶段在隧道洞口外30 m处设置SDF(C)-NO13型轴流风机，接1.8 m的软风管向隧道施工掌子面压送新鲜空气，风管布置于隧道右侧起拱线位置处，风管出口距掌子面15 m，随掌子面推进逐步接长风管。在实际施工中，压入式通风至1 500 m后通风效果下降，无法满足施工卫生标准。需采取小功率轴流风机进行接力送风来成功完成前2 000 m的隧道施工通风。此阶段风机具体布置情况为：洞口大功率轴流风机(SDF(C)-NO13型轴流风机)送风至1 200 m处，接小功率轴流风机(左、右洞分别采用PF110-SW55和SD-1NO11A轴流风机)继续向掌子面送风，风管均采用直径1.8 m的胶皮风管，如图5所示。此阶段初期通风效果较好，爆破后通风10 min左右掌子面即可进行出渣作业。随着掌子面的推进风管逐渐接长，通风效果逐渐变差，经改善后通风效果得到提高，爆破通风15 min左右掌子面已可进行出渣作业。

表3 第3阶段现场风机配置

图4 第3阶段通风布置

图5 第1阶段风机现场布置

第2阶段，将洞口的2台SDF(C)-NO13型风机移至右洞第2个车行横通道后方80 m处(2台风机间隔10 m)，接直径1.8 m的风管，分别向左右洞掌子面压送新鲜空气，风管布置于隧道起拱线位置，风管出口距掌子面15 m。射流风机分别布置于左右洞距离洞口100 m的洞内进行辅助通风，风向与隧道内的风向相同。此阶段洞内轴流风机布置位置如图6所示。此通风布置使用于隧道2 000～2 500 m(第3个横通道前方200 m左右处)，通风15 min后掌子面即可进行出渣作业。

图6 第2阶段风机现场布置

第3阶段的施工通风布置与第2阶段相似，不同的是轴流风机布置于左洞第3个横通道处，新鲜空气由左洞进入隧道，经轴流风机压送至掌子面，污染空气经右洞排出隧道，射流风机分别布置于左洞ZK110+165和ZK111+460处，向洞内压风，如图7所示。此通风布置拟使用至本工程施工完成，具体情况还需根据后期通风效果做出相应调整。

图7 第3阶段风机现场布置

4 通风检测

为验证和完善施工通风设计，保证隧道施工安全，保护洞内施工人员的健康，对隧道各施工通风阶段洞内空气质量进行了现场检测[10]。

4.1 检测内容与仪器

通过对施工过程中隧道内不同部位压力、风速、温度、湿度、有害气体和粉尘浓度的现场测试，可以得到有害气体和粉尘在隧道内的分布规律，为改善和优化通风方案提供依据。现场测试使用的仪器如图8所示。

图8 现场检测仪器

4.2 测点布置

现场测试风速时，每个断面布置6～8个测点，最终取其平均值作为该断面的量测值，如图9所示。测试CO及粉尘浓度时，对测量断面一侧的固定点即呼吸道高度进行持续观测。

图9 风速测点布置

压入式通风阶段风速、有害气体及粉尘的测试部位分别为风管出风口及其周围、掌子面附近、台车处、沿隧道轴线断面、隧道洞口等。

射流巷道式通风阶段的测试部位分别为掌子面压入式通风部分风管出风口及其周围、掌子面附近、台车处、射流风机进出口及其周围、进风洞轴流风机安装断面、沿隧道轴线断面、隧道洞口等。

4.3 检测结果分析

通过对通省隧道施工过程中有害气体及粉尘的监测，得到大量实测数据。因篇幅受限，在此仅给出典型工况即隧道爆破后通风效果现场测试结果。选取隧道施工通风已进入第3阶段即掘进至ZK112+603，风机布置情况为轴流风机布置于左洞第3个横通道(ZK112+363.399)后方80 m处，新鲜空气由左洞进入隧道，经轴流风机压送至掌子面，污染空气经右洞排出隧道，射流风机分别布置于左洞洞口ZK110+165和ZK111+460处向洞内压风。掌子面爆破施工后，迅速到达测量断面(掌子面后方90 m和300 m)进行测点处通风后1 h内的粉尘和CO浓度观测。

图10、11给出了距掌子面后方90 m和300 m粉尘浓度的变化情况。结合图10、11可知：整个检测过程中，粉尘浓度一直高于施工作业环境卫生标准(8 mg·m-3)；掌子面后方90 m处断面的粉尘浓度均在该洞掌子面爆破后10 min左右达到峰值，然后开始逐渐下降，通风40 min后逐渐达到施工作业环境卫生标准；掌子面后方300 m处断面的粉尘浓度均在该洞掌子面爆破后20 min左右达到峰值，然后迅速下降，通风40 min后基本达到施工作业环境卫生标准；总体来看，右洞检测断面的峰值浓度低于左洞相应的检测断面，且通风后达到峰值浓度所需的时间比左洞短，右洞粉尘浓度的下降速度较快。

图10 距掌子面后方90 m处断面粉尘浓度变化

图11 距掌子面后方300 m处断面粉尘浓度变化

图12 距掌子面后方90 m处断面CO浓度变化

图13 距掌子面后方300m处断面CO浓度变化

图12、13给出了距掌子面后方90 m和300 m CO浓度变化情况。结合图12、13可知，各测量断面的CO浓度随通风时间延长均先后达到峰值，然后再缓慢下降；CO浓度降至施工作业卫生标准(30 mg·m-3，约26 ppm)所需的时间均超过1 h；右洞通风效果优于左洞，右洞各检测断面的峰值浓度小于左洞对应断面的峰值浓度。

5 结 语

(1)特长公路隧道施工过程通风方案受掘进长度影响显著。左、右洞各自掘进前2 000 m时，可采用压入式管道通风。待掘进长度超过2 000 m，车行横通道贯通，可采用巷道式通风，新鲜风流自右洞进入，污风自左洞排出，并在第2个车行横通道附近设置轴流风机进行压入式通风。

(2)排风洞(右洞)的通风效果要优于进风洞(左洞)。2台射流风机均布置于左洞，新鲜空气对掌子面回风的阻碍效应增大，左洞污染空气排出更加困难。建议将左洞洞口的射流风机移至右洞开通的横通道后方约100 m处以诱导左洞(进风洞)风流快速进入右洞(排风洞)。

(3)通省特长公路隧道左右洞爆破后洞内粉尘完全达到施工作业环境标准所需的时间约为40 min，而CO浓度降至施工作业标准所需时间较长(大于1 h)。建议将掌子面爆破后的通风时间定为60 min。