石林特长隧道2号斜井工区综合通风技术

申百囤

摘要：本文介绍了石林特长隧道2号斜井工区随着施工进展形成的三个阶段通风方式：长管路压入式通风、竖井通风、巷道式通风的设计、计算和组织管理要点。

关键词：斜井; 压入式; 竖井; 巷道式;通风

Abstract: This paper introduces the design, calculation and organizational management points of the three stages ventilation modes: long pipe press-into ventilation, shaft ventilation, tunnel ventilation formed in the construction process of extra long tunnel 2# slope construction area in Stone Forest.

Keywords: slope; the press-into type; shaft; tunnel type; ventilation

中图分类号: [U25]文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

云桂铁路石林特长隧道全长18208m，由中铁一局五公司承建，为云桂线最长隧道、全国最长单洞双线隧道、世界最长钻爆法施工的岩溶隧道。隧道最大埋深约250m，最小埋深约6m。该隧道设置“一平导+两斜井”的辅助坑道模式。平导设置于左线线路中线右侧35m，全长18122m。1号斜井位于隧道左线线路左侧，长度938m， 2号斜井位于隧道左线线路左侧，长度998m。石林隧道地质以灰岩为主，穿越6个断层4个破碎带，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占31.3%。主要地质风险为岩溶，为Ⅰ级风险隧道。

石林隧道2号斜井设计为曲线斜井，断面尺寸7.0m*6.5m（宽×高），与正洞垂交于DK662+000，井口到井底高差84m。根据整体施工组织设计安排，斜井进入交叉口后平导、正洞4个工作面同时施工。该工区独头最长施工距离3510m。为提高通风效果，经过经济比选决定在斜井进交叉口横通道（DK662+000）位置增设压风竖井，人工挖孔，深度103m，护壁后直径2.0m；在隧道正洞DK661+900拱顶中部增设排烟竖井，人工挖孔，深度78m，护壁后直径2.0m。

2 施工通风控制条件

2.1保证洞内作业人员有足够的新鲜空气,洞内空气中氧气含量按照体积计不小于20%。

2.2粉尘含量容许浓度：每m3空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg；每m3空气中含有10%以下游离二氧化硅的粉尘为4mg。

2.3空气中常见有害气体浓度应符合下列要求

2.3.1一氧化碳容许浓度不得大于30mg/m3，特殊情况下，施工人员必须进入开挖工作面时，浓度可为100mg/m3，但工作时间不得大于30min。

2.3.2二氧化碳按体积计不大于0.5%。

2.3.3氮氧化合物换算成二氧化氮浓度应控制在5mg/m3以下。

2.4隧道内气温不高于28℃。

2.5隧道内噪声不得大于90dB。

2.6洞内风量要求：隧道施工时供给每人的新鲜空气量不应低于3m3/min，采用内燃机械作业时供风量不应低于3m3/(min.kw)。

2.7风速的确定:正洞内不小于0.15m/s， 平导内不小于0.25m/s。

3 各阶段通风方案设计

通风设计分三阶段设计，以最大需风量为依据选配通风设施。2号斜井第一阶段通风（斜井井身段及交叉口）采用长管路压入式；第二阶段通风充分利用增设的2个通风竖井进行压风和排烟，在排烟竖井安设射流风机1台辅助排烟；第三阶段通风利用横通道位置竖井和平导巷道式通风。

3.1第一阶段长管路压入式通风

风机采用SDF(c)轴流风机，通风管采用定制风管，解决行车净空及降低风阻。长管路压入式送新鲜空气至掌子面，污风沿洞身自然流出。

3.2第二阶段竖井通风

平导在施工中是超前导洞，为正洞进行地质预报；同一里程平导底标高比正洞低2.1m，解决施工及运营中的排水问题；施工中可根据施工进展情况，及时增加工作面，降低工期风险；运营后是应急救援通道。平导顶低于正洞顶约7m，根据洞内污风排放规律，经过经济比选在斜井进交叉口横通道（DK662+000）位置增设压风竖井，深度103m；在隧道正洞DK661+900拱顶中部增设排烟竖井，深度78m。提前安排，在正洞及横通道开挖前完成竖井施工，确保施工安全。

轴流风机从横通道竖井吸入新鲜空气，在横通道口通过定制设风门三通钢风筒、软风筒送达掌子面。在交叉口横通道顶部设一射流风机，引导平导污风加速流动。为提高排烟效果，在正洞排烟竖井下部安装射流风机一台，通过引流经由竖井排放。加之洞内外高差及温差的综合作用，排烟速度快，工作区域空气质量好，工效大大提高。

3.3第三阶段巷道式通风与压入式通风形成的综合通风方式

在正洞通过交叉口后第一个横通道，封闭交叉口横通道正洞侧，轴流风机设置于平导，轴流风机面向掘进方向通过风门封堵。由竖井、横通道、平导组成新鲜空气通道，轴流风机送风至掌子面，污风通过横通道、正洞、正洞竖井排出，形成巷道式、压入式、竖井排烟的综合通风方式。在正洞一定间距布置射流风机，加快污风速度。随着新横通道开挖贯通，封闭后方横通道，平导轴流风机前移。有效缩短了通风距离，降低了风机功率，节约通风成本。

4 通风参数的计算

4.1轴流风机选择

4.1.1风量计算

1）按洞内同时工作最多人数进行计算

（4-1）

Q1为按洞内同时工作最多人数计算需要的风量， m3/min；

q为每人每分钟呼吸所需空气量,q=4m3/min；

m为同时工作人数；

K为风量备用系数，取K=1.15。

2）按允许最低风速进行计算

（4-2）

Q2为按允许最低平均风速计算需要的风量， m3/min；

A为隧道断面积，变断面时取最大值，m2；

V为最小风速，取0.15m/s。

3）按爆破后稀释CO至许可浓度进行计算

（4-3）

Q3为按爆破后稀释CO至许可浓度计算需要的风量， m3/min；

t为通风时间，取t=30min。

G为同时爆破炸药用量，Kg。

L为掌子面满足下一循环施工的长度，取200m。

4）按稀释和排除内燃机废气进行计算

（4-4）

Q4为按稀释和排除内燃机废气计算需要的风量， m3/min；

k为功率通风计算系数, k=3.0m3/min；

Ni为各台柴油机械设备的功率

Ti为利用率系数

Q=max[Q1，Q2，Q3，Q4] （4-5）

Q为通风设计量，m3/min；

（4-6）

Pc为风管漏风系数；

l为最长通风距离，m；

β取值0.015；

（4-7）

Q供为通风机供风量， m3/min；

4.1.2风机风压计算

（4-8）

Rf为风阻系数；

α为摩阻系数，;

D为风筒直径。

（4-9）

Hf为风机设计全压，Pa；

HD为隧道内阻力损失，取50 Pa；

H其他为其他阻力损失，取60 Pa。

4.1.3风机功率计算

（4-10）

Hf为风机工作风压

η为风机工作效率，取80%

K为功率储备系数，取1.05

4.1.4第一阶段斜井长管路压入式通风轴流风机计算

1）风量计算

m取30人，由公式（4-1）得，Q1=180m3/min；

A取45m2，由公式（4-2）得，Q2=405m3/min；

计划进尺3m，炸药单耗0.9kg/m3,炮眼利用率90%，故G取135Kg，由公式（4-3）得，Q3=577m3/min；

根据表1，由公式（4-4）得，Q4=1793m3/min；取Q=1793m3/min。

l取1000m，由公式（4-6）得，Pc=1.163；由公式（4-7）得，Q供=2085m3/min。

2）风机风压计算

D取1.5m，由公式（4-8）得，Rf=1.926；

代入前面计算结果，由公式（4-9）得，Hf=2110Pa。

3）风机功率计算

代入前面计算结果，由公式（4-10）得，W= 96kW。

4.1.5第二、第三阶段正洞轴流风机计算

同4.1.4计算过程，m取60人，A取140m2，G取294Kg（最大进尺3m，炸药单耗0.6kg/m3，炮眼利用率90%），l取600m，D取1.5m。

经计算，Q供=2924m3/min；Hf=2617Pa；W= 167kW。

4.1.6第二、第三阶段平导轴流风机计算

平导开挖断面和斜井相同，除l取600m外，其它同斜井参数。

经计算，Q供=1964m3/min；Hf=1241Pa；W= 53kW。

4.2射流风机选择

4.2.1通风阻力计算

(4-11)

式中：ΔPr为通风阻力，Pa；

ζ为局部阻力系数(对特长隧道而言，每500～600m设置横通道一处，局部阻力相对沿程摩擦阻力较小，计算时可忽略)；

λi为隧道内沿程摩擦阻力系数；

di为隧道的水力直径, m ；

V = Q/A,为隧道内的风速, m/s；

ρ为空气容重,取1.2kg/m3。

(4-12)

式中: 为隧道壁面粗糙度,单位mm；

(4-13)

式中:C为隧道断面周长,m。

4.2.2射流通风升压力计算

(4-14)

式中：ΔPj为射流通风升压力，Pa；

K为喷流系数，取0.85；

Vj为射流风机出风口风速,m/s；

φ为面积比，φ=Fj/A；

Fj为射流风机的出风口面积，m2 ；

A为隧道横断面面积，m2；

Ψ为速度比，Ψ =V/Vj。

4.2.3射流风机台数计算

(4-15)

式中：n为射流风机需要台数；

ΔPr为通风阻力，Pa；

ΔPj为射流通风升压力，Pa。

4.2.4第三阶段通风平导射流风机计算

ζ取0，λi取,0.15，di取7.7m， l取3510m，Q经计算取1964 m3/min，由式（4-11）得，ΔPr=22Pa；

Vj取44.5m/s,Fj取1.13m2，其它同前，由式（4-14）得，ΔPj=50Pa；由式（4-15）得，n≈1。

4.2.5第三阶段通风正洞射流风机计算

ζ取0，λi取,0.15，di取13m，l取3510m，Q经计算取2924 m3/min，由公式（4-11）得，ΔPr=2.5Pa；

Vj取44.5m/s,Fj取1.13m2，其它同前，由式（4-14）得，ΔPj=16.2Pa；由式（4-15）得，n≈0。

4.2.6各阶段通风计算汇总表

5 通风设备选型

根据计算结果，结合侯马风机风量风压曲线表，选定风机型号、功率。2号斜井第一阶段通风轴流风机选用1台SDF(c)12.5型，风管选用φ1500mm定制风管。第二、第三阶段平导轴流风机选用2台SDF(c)11型（两个工作面）、正洞轴流风机选用2台SDF(c)12.5型2*110kW，射流风机选用SSF型30kW，平导安设2台，正洞顶部排烟竖井安设1台。平导风管选用定制φ1500mm定制风管，正洞风管选用φ1500mm柔性拉链风管。风管平均百米漏风率不大于0.015，平均百米静压损失为70Pa，摩阻系数不大于0.02。考虑长大隧道防火防爆要求，采用阻燃、抗静电双抗软风管，抗静电阻大于108Ω，阻燃氧指数大于27。

6施工通风管理要点

6.1通风质量控制

6.1.1严格按通风专项方案中要求的风机型号、风管配置，保证通风质量。

6.1.2二衬台车设计时预留通风管通道，可设置钢制硬风筒两头连接或穿过，减少弯折，确保平顺度，降低风阻。

6.1.3在二衬台车上安设大型换气扇，降低二衬作业区段温度，杜绝截流风量事件发生。同时及时对通风管破损修补，减少漏风量。

6.1.4不过车横通道封闭墙封堵严密,减少漏风量，避免造成污风循环。

6.1.5爆破后开挖面可通过洒水降尘、水幕降尘等措施，减少扬尘。

6.1.6安排专人负责风机的运营管理，把握好通风时机和通风时间。

6.1.7内燃设备安装废气净化装置并保证有效运转，降低废气排放量。

6.1.8及时铺底，保证洞内运输道路平整，减少内燃设备污染物排放。

6.1.9射流风机布置在拱顶，并严格按通风专项方案间距布置射流风机，保证排污风效果。

6.1.10风管节长由以往的20-30m加长至50-100m，减少接头数量，减少漏风量。

6.1.11建立以岗位责任制和奖惩制为核心的通风管理制度，组建专业通风班组。通风班组全面负责风机、风管的安装、管理、检查和维修，严格按照通风管理规程及操作细则组织实施。

6.2安全保证措施

6.2.1辅助坑道洞口风机支架尽可能设置单侧支架，避免龙门支架，防止自卸车通行时后箱未放下时拉倒支架事故发生。

6.2.2 射流风机每根吊顶锚杆必须确保锚杆孔注浆饱满、砂浆或锚固剂强度达到要求、锚杆抗拔力满足受力负荷计算要求，防止射流风机坠落事故发生。

6.2.3在排污风通道侧横通道口必须封堵，防止人员误入。

6阶段性实施效果

2号斜井于2011年5月初到达井底，正洞、平导分别向进、出口两个方向施工，作业面增至四个。目前通风方式为竖井通风阶段，在洞内洒水降尘条件下，洞内空气清新，通风质量良好。经现场现场实测掌子面附近风速1-2m/s。地表进风竖井口风速10-11m/s；排烟竖井口风速9.5-10m/s。

7结束语

合理的通风系统、理想的通风效果是实现长大隧道快速施工、施工人员身心健康和安全施工的重要保证，高水平的施工通风管理是保证通风效果的关键。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。