高原缺氧环境长隧洞小断面通风排烟技术研究

魏 青，郭俊波

（1.四川兴东禹建设工程有限公司，610000，成都；2.中国人民武装警察部队水电第三总队，610036，成都）

高原缺氧环境长隧洞小断面通风排烟技术研究

魏 青1，郭俊波2

（1.四川兴东禹建设工程有限公司，610000，成都；2.中国人民武装警察部队水电第三总队，610036，成都）

水利水电工程中引水隧洞比较常见，通风排烟对工程进度和人员职业健康至关重要，尤其超长引水隧洞随着进深加大，通风排烟效果不理想。西藏拉洛水利枢纽德罗引水隧洞根据该地域特殊性和实际情况进行周密考虑，通过分期规划，采取改善措施，解决了缺氧环境下长隧洞小断面通风排烟问题，对类似地区类似工程的设计和施工具有一定经验借鉴意义。

高原；长隧洞；小断面；通风排烟；拉洛水利枢纽

一、概 述

1.工程概况

德罗引水隧洞紧接进水口布置，采用无压引水方式，标准断面为马蹄形，断面腰线宽度4.03 m，高4.05 m，衬砌厚度40 cm。进口高程4 283.50 m，出口高程 4 280.00 m，隧洞洞长7 520.76m，纵坡0.466，隧洞出口接压力前池。隧洞由三部分组成。第一部分长39.6 m，为消力池段，采用城门洞型，宽度4.0 m，高5.5 m，池深1.5 m，长25 m，池后接长15 m渐变段，渐变为马蹄形标准段。第二部分为引水隧洞标准段，断面为马蹄形，最大尺寸4.3 m×4.05 m。第三部分分两部分，一为引水隧洞加高段，断面为城门洞型，尺寸4.0 m×5.35 m；二为引水隧洞加强段，断面为城门洞型，尺寸4.0 m×5.35 m，同时在德罗隧洞桩号Y7+ 456.6布置一条交通洞，洞身断面为城门洞型，尺寸为4.0 m×4.1 m，洞长127.27 m。

德罗引水隧洞设置三条施工支洞，其中#1施工支洞布置在进口段，与主洞交点桩号为 Y0+060 m，长158.2 m，承担进口段钻爆开挖和衬砌施工任务。#2施工支洞布置在德罗隧洞中上段，与主洞交点桩号为Y2+ 407.12，长643.37 m，承担隧洞中上段钻爆开挖和衬砌施工任务。#3施工支洞布置在德罗隧洞中段，与主洞交点桩号为Y4+702.97，长341.48 m，承担隧洞中下段钻爆开挖和衬砌施工任务。施工支洞均采用城门洞型断面，断面宽、高尺寸4.0 m×4.2 m。

2.地质情况

隧洞沿线地面高程为4 300 m～4 500 m，隧洞一般埋深100 m～150 m，最大埋深213 m。隧洞围岩主要为侏罗系遮拉组（J2Z）页岩夹薄层砂岩、出口部分为侏罗系日当组（J1r）页岩。隧洞轴线与岩层走向夹角一般0°～50°。隧洞区地应力以构造应力为主导，最大水平主应力方向21°～37°，与隧洞轴线夹角6°～56°。隧洞最大埋深处于低地应力水平，最大水平主应力9.1 MPa、自重应力5.3 MPa，接近围岩抗压强度（6～8 MPa），存在软岩大变形的可能。

3.通风排烟现状

①隧洞地处高海拔地区，含氧量严重不足，对通风供氧要求高。

②隧洞单一工作面长，通风机性能满足不了要求，送风风筒漏风十分严重。

③隧洞各施工支洞断面比主洞断面小，造成通风排烟困难。

④通风管理技术落后，通风时间不够，废气没有完全排出洞外就过早停机，造成污染废气循环积累。

⑤地质条件差，均为Ⅳ、Ⅴ类围岩，工期紧、任务重、安全压力大，通风排烟制约着整体工期。

表1 温度与风速的关系

二、隧洞施工污染源

德罗引水隧洞属于小断面长隧洞，开挖时有6个工作面，但因地形及隧洞长度影响，几个工作面通风排烟长度均超过了1 600 m，为确保隧洞开挖安全、快速，必须解决通风排烟问题，隧洞越长解决通风排烟除尘的难度越大。隧洞内空气中的有害气体、粉尘使隧洞内环境恶化，严重影响施工人员的安全和健康，极大地影响生产效率。隧洞内有害气体主要来源于开挖爆破、出渣、喷射混凝土产生的烟雾和粉尘。这些有害气体不但能影响能见度和施工进度，还影响作业安全，危害施工人员的身体健康。

三、隧洞内环境条件标准

1.洞内温度与风速

按照我国《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》（DT/T 5099—2011）的规定，洞内平均温度不应超过28℃，应根据不同温度，按表 1调节洞内风速以提高散热及排烟效果，但工作面附近的最小风速不得小于0.15 m/s，最大风速也不应大于4.0 m/s。

2.洞内空气标准

《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》（DT/T 5099—2011）规定，洞内每个作业人员应供新鲜空气3 m3/min。洞内空气中含量为10%以上游离SiO2的粉尘浓度最高为2 mg/m3。

3.洞内通风要求

①在高原地区，隧洞内氧气含量不低于空间体积的18%。

②在每m3空气中含有大于10%的游离SiO2粉尘不得大于2mg，游离SiO2含量小于10%时，有毒的粉尘不得大于4 mg。

③CO不大于30 mg/m3，CO2、氮氧化物和瓦斯含量要低于体积的0.5%。

④洞内气温不高于28℃，噪声不大于90分贝。

⑤供应每人的新鲜空气不低于3 m3/min；低瓦斯情况下，供应每人的新鲜空气不低于4 m3/min；内燃机工作情况下，供应每人的新鲜空气不低于3 m3/min·kW，开挖时的断面风速不低于0.15 m/s。

四、通风排烟方案

隧洞通风的基本原理是利用外来新鲜空气冲淡、稀释施工中产生的各类有害气体，使之达到安全卫生标准。通风量计算包括施工人员所需风量计算、爆破散烟的需风量计算、满足最小风速所需风量计算及冲淡柴油机废气所需风量计算等，设计风量为这四项计算风量的最大值。

1.通风风量分析

（1）计算原则

根据洞室施工程序、方法、施工设备配置及通风方式的安排，采用纯稀释理论、隧洞最小风速计算方法进行通风量计算。计算中，通风管路按100 m漏风率取1%～2%，沿程风压损失最大取20%，隧洞断面风速不小于0.5 m/s。

按规范规定，开挖时需要的通风量应根据下列原则分别计算，取其中最大数值。

①按洞内同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给3.0 m3的新鲜空气。

②按爆破规定时间内将工作面的有害气体排出或冲淡至容许浓度计算，每千克炸药爆破后可产生折合成40 L的CO气体。

③洞内使用柴油机械时，可按每千瓦每分钟4 m3风量计算，并与同时工作的人员所需的通风量相加。

④全断面开挖风速不小于0.15 m/s。

⑤计算的通风量，应按最大最小容许风速和相应洞内温度所需的风速进行校核。

（2）施工人员需风量

根据《水利水电工程施工手册》：

VP=VP×M×K式中，VP为施工人员需风量，m3/min；VP为每人所需新鲜空气量，取3m3/min·人；M为同时作业最多人数，取m=8；K为风量备用系数，取1.1～1.15。

根据不同作业面计算施工人员需风量：

VP施≈27.6（m3/min）

（3）出渣机械人员通风量

出渣采用电动机械作业，按1台斗容0.5m3电动挖掘机 （86kW）、2台8t电动自卸车（2×70kW）同时作业人员按4人计：

VP=VP×M×K=13.8（m3/min）

因此，作业总风量V=13.8（m3/min）

（4）排除爆破废气所需风量

根据《隧道施工及组织管理指南》：

QH=100×E×be/（e'×t）

式中，QH为稀释炮烟所需风量，m3/min；E为同时爆破的炸药量（kg），E=截面积×循尺深度×单位围岩用炸药量；be为1 kg炸药爆破后所产生的一氧化碳；e'为允许有害气体的浓度，一般为0.02；t为规定通风时间（min），取散烟时间30 min。

经计算：QH=488.88（m3/min）

（5）最小风速风量

计算公式：Qu≥Vf×F（m3/s）

式中，Vf为最小风速 （m/s），取0.15 m/s；F为隧洞最大断面积（m2）；

经计算：Qu施=216（m3/min）

（6）通风量确定

综合考虑炮后散烟与作业人员施工不会同时进行，出渣过程及喷混凝土时连续进行通风排烟外，其他时段采用间隔通风。采用爆破排烟加施工人员用风量以及最小风速要求下的通风量进行比较，经分析隧洞各个施工部位的最小通风量为488.88 m3/min。

2.通风设备选型

根据上述计算确定的最小通风量，施工通风设备选用AVH90.2.8型通风机（距离1800m，最大通风量2739 m3/min，考虑风管分叉，单个工作面分风量约1 300 m3/min），考虑到高原降效系数0.6、叉管、风阻、风管漏风以及风压损失，所选设备可满足通风量需要。

3.风管选择

风管选用直径为1 000 mm的涂塑帆布风筒，接头采用拉链式连接，拆装方便。从各支洞口延支洞布置，风筒吊挂在隧洞顶部，进入主洞后根据工作面进行转弯，接至施工作业部位。

4.分期通风规划

通风散烟、除尘的影响是连续性的，针对德罗引水隧洞的洞室施工程序及施工进度安排，各支洞 （交通洞）、主洞室施工通风总体上分为Ⅲ期布置。

①在各工作面开挖未贯通时，采用通风机进行压入式通风。

②#1支洞与进口、交通洞与出口工作面贯通时，采用压入式与巷道式通风，在#1支洞、交通洞采用压入式供风，进口与出口自然通风；#3支洞与交通洞工作面贯通时，#3支洞采用压入式供风，进口与出口及交通洞采用巷道通风；#2支洞与#3支洞工作面贯通时，采用压入式与混合式通风，在#1、#3支洞采用压入式供风，#2支洞采用离心风机进行负压供风。

③#1支洞与#2支洞开挖面贯通，开挖结束，以自然通风为主，机械辅助通风。

图1 Ι期通风规划示意图

图2 Ⅱ期通风规划示意图

图3 Ⅲ期通风规划示意图

表2 通风设备分类汇总表

5.通风设备汇总

通风设备分类汇总见表2。

五、技术要点及安全措施

1.技术要点

①风管出风口距离工作面的距离不宜太远，否则会在工作面附近形成循环风流，炮烟难以散去。德罗引水隧洞建议风筒距离工作面为35～45 m。此外出风口要正对工作面，避免形成局部风流，且要在风筒转弯处的进风口处使用刚性风筒，避免风损增大。

②采用压入式通风，回风会携带污风污染整个通道，尤其在交叉口处，还会扩散到另外一个作业面。因此在交叉口出要合理布置风门，阻止回风向另一个工作面扩散，提高通风排烟效率。

③爆破后炮烟往往集中在工作面附近一定距离内，在此范围内采取喷雾除尘措施能够有效降低回风中的粉尘含量。尤其对于长距离通风，在作业面60～80 m范围喷雾降尘，作业环境将明显改善。

④采用功率大、噪音低、性能优越的通风机，不仅能保证洞内通风稳定可靠，而且能有效降低每延米通风功率，节约电源，经济效益十分显著。

⑤在长隧洞施工中，受风筒破损、老化、变径、转弯等因素影响，往往实际风损要大于理论计算值，单台风机无法满足长距离通风要求时，宜采用通风机串联方式进行接力通风。接力通风机尽量采用同型号的通风机，且通风口处用一节刚性风筒与柔性风筒连接。

⑥在高原缺氧状态下，要考虑施工降效问题，根据海拔和含氧量进行降效计算，德罗引水隧洞地处4 300 m海拔，含氧量为内地60%～66%范围，所以此处降效按60%计算。

2.安全措施

①爆破材料运输、储存、加工、现场装药、连线、起爆及瞎炮处理必须遵循《爆破安全规程》的有关规定。

②进行爆破时设备、人员应撤离至飞石、有害气体和爆破冲击波影响范围之外，且无落石威胁的安全地点，对难以撤离的施工机具、设备应以隔离遮盖防护。

③洞内用电由专业电工定期、不定期进行供电线路的维护检修，所有设备均要安装漏电保护器。

④加强洞内围岩变形观测，及时掌握围岩稳定情况，发现异常情况立即采取措施。

⑤所有洞内作业人员在上岗前须经过安全培训，学习安全知识，树立安全意识，对风筒采取保护措施，不得随意挪动和破坏。

⑥在离各工作面最近的避车道配备氧气瓶，确保在人员缺氧或受伤状态时能供应及时。

[1]李国华，等.超长引水隧洞施工期通风措施研究[J].人民长江，2016（47）.

[2]卢建设.小断面长隧洞施工的通风排烟及除尘[J].水利水电施工，2013（03）.

责任编辑 李建章

Research on ventilation and smoke exhausting technologies for small sections of a long tunnel under oxygen-deficient environment

Wei Qing，Guo Junbo

It is common to include diversion tunnels in the construction of hydropower stations.In this case, induce ventilating and smoke exhausting system can play a significant role for ensuring schedule of construction and health of workers,especially when long diversion tunnel is getting deeper and unfavorable condition is involved.More considerations had been given to local particularities and actual conditions during the construction of Deluo Diversion Tunnel of Laluo Water Complex in Tibet.Solutions are designed to induce ventilating and smoke exhausting in small section of long tunnel under oxygen-deficient environment,which is of reference value for design and construction of similar projects.

plateau;long tunnel;small section;induce ventilating and smoke exhausting;Laluo Water Complex

TV+TB495

B

1000-1123（2016）20-0062-04

2016-10-18

魏青，助理工程师。