锡乌铁路和日木隧道长斜井施工通风设计技术探讨

摘要：全长5240m的新建锡林浩特至乌兰浩特铁路和日木隧道为全线三座控制工期工程之一。隧道分进口、斜井、出口三个工区组织施工，其1#斜井平面长675m，斜井坡度8%下坡。该斜井工区承担和日木隧道全长5240m的中的1900m的施工任务，独头通风最长距离2575m。该斜井施工中的独头通风技术是工程施工的关键，为之，论文以该工程为例详细介绍严寒地区单线铁路长大隧道施工通风设计与实践中的具体优化措施，为严寒、多风地区隧道施工通风提供参考，指导了该工程的施工。

关键词：隧道工程 长大隧道 通风设计 自然风压

隧道施工中，由于钻眼，炸药爆破，装渣，喷射混泥土，内燃机和运输车辆的排气，洞内氧气太少，开挖时地层中放出混杂各种有害气体与岩尘，使洞内狭窄空间的空气非常混浊污浊，大大的对人体健康威胁影响严重。必须向洞内供给新鲜的空气，排除有害气体，降低粉尘浓度，有效通用的方法就是使用各种通风机和风道来排尘通风。新建锡林浩特至乌兰浩特铁路土建四标和日木隧道全长5240m，为全线三座控制工期工程之一，隧道起讫里程DK489+030～DK494+270，分进口、斜井、出口三个工区组织施工，1号斜井平面长度675m，与线路平面夹角45°，与线路交会里程为DK490+800，斜井口井底高程819.31m，斜井坡度设置为8%的下坡。该斜井工区承担DK490+800～DK492+700段1900m施工任务，斜井与正洞施工均采用无轨运输，独头通风最长距离为2575m。该斜井施工中的独头通风技术是工程施工的关键，为之，论文以该工程为例详细论述了该斜井的施工通风技术，目前该工程以顺利完成了施工任务，取得了较好的成绩。和日木隧道独头通风2575m的施工经验为严寒地区单线铁路长大隧道施工通风设计与实践积累了经验，指导了该工程的施工。

1.工程概况

新建锡林浩特至乌兰浩特铁路土建四标，地处内蒙古东部科尔沁草原，生态环境系统十分脆弱，属中温带亚干旱区，春季干旱多风；夏季炎热；冬季漫长干冷，每年的十月下旬到次年的三月为冬季施工期。按照铁路工程影响气候分区为严寒地区。历年平均气温1.96℃，极端气温分别为37.1℃和-39.1℃。历年平均风速3.7m/s，历年最大风速19.7m/s，主导风向WNW。和日木隧道全长5240m，为全线三座控制工期工程之一，位于西老头山背斜东南翼。

和日木隧道起讫里程DK489+030～DK494+270，分进口、斜井、出口三个工区组织施工，1号斜井平面长度675m，与线路平面夹角45°，与线路交会里程为DK490+800，斜井口井底高程819.31m，斜井坡度设置为8%的下坡。斜井工区承担DK490+800～DK492+700段1900m施工任务，斜井与正洞施工均采用无轨运输。独头通风最长距离为2575m，斜井净空断面尺寸5×6.23m（宽×高），正洞净空断面5.46×7.43（宽×高）。

2.长陡斜井隧道初步通风方案

2.1通风设计标准及通风方式选择

钻爆法施工隧道采用无轨运输，由于钻眼、爆破、装渣、运输车尾气、喷射混凝土以及开挖时地层释放的有害气体等因素，使得洞内空气污浊有害气体和粉尘浓度超标，严重影响人体健康。因此，为改善洞内劳动作业环境，保障作业人员身体健康，必须向洞内及时供给足够新鲜空气，排除有害气体，降低粉尘浓度，使洞内施工作业段空气符合下列卫生标准。

（1）洞内氧气（O2）含量按体积计不低于20%，洞内工人作业地点空气温度不得超过28℃。

（2）有害气体最高容许浓度：一氧化碳（CO）一般情况下不大于30mg/m3，作业时间短暂不超过1h时，容许浓度放宽为50mg/m3；二氧化碳（CO2）按体积计不得超过0.5%；氧化物换算二氧化氮（NO2）质量浓度不超过5mg/m3。

（3）洞内每立方米空气中，粉尘最高容许浓度：含10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg；含10%以下游离二氧化硅的粉尘浓度为6mg。

（4）每人每分钟供给新鲜空气3m3，内燃机作业的，每1KW供风量不小于3m3。

（5）风速要求：全断面开挖时不应小于0.15m/s，斜井内不小于0.25m/s，均不大于6m/s。

（6）洞内工人作业地点噪声，不得超过90dB。

和日木隧道斜井工区有以下特点：开挖断面小，斜井开挖断面积为30m2，正洞开挖断面积为50m2；通风距离长，最长通风距离为2575m；无轨运输隧道施工内燃机械设备多，同时工作人员多，新鲜空气需求量大等。经综合分析，选用压入式通风进行斜井工区洞内通风。

2.2 长陡斜井隧道通风风量计算

风量与风压是进行施工通风设计主要参数，是进行风机选型的基础数据，风量一般是按照一些经验公式进行计算，风压应使其足以克服沿途所有阻力。隧道通风参数设定见表1所示。

表1 和日木隧道斜井段通风设计参数

项目单位数据项目单位数据

开挖断面积Am2S=50爆破后通风排烟时间mint≤40

一次开挖长度mL=3通风管直径mφ1.5、φ1.2

单位体积岩石用药量Kg/m31.1管道百米漏风率%β=1.5

一次爆破用药量GKg165洞内最小风速m/sV=0.15

洞内最多作业人数m人40炮烟抛掷长度l0mLs=15+165/5=48

内燃机总功率n1KW154.5+192=346。5海拔修正系数＼K=1÷（1-820÷44300）4.256=1.1

炸药爆炸时有害气体生成量L2#岩石硝铵炸药取40

隧道通风参数设定见表1所示。通风计算如下：

按洞内同一时间最多工作人员计算风量：Q1=3km=3×1.2×40=144（m3/min）

按同一时间爆破使用最大药量计算风量：

Q2=（5Gb-Al0） ÷t=（5×165×40-50×48） ÷40=765（m3/min）

按稀释内燃机废气计算风量，根据装渣作业中内燃设备分布，工作面暂按1台ZL-50C装载机、1台陕汽奥龙自卸车，平均利用率η取0.75，则有：

Q3=3n1η=3×（154.5+192） ×0.75=780（m3/min）

按最小风速计算风量：Q4=VA×60=0.15×50×60=450（m3/min）

从以上计算值中取最大值，加上1.5%的百米漏风率为工作面的所需供风量，则有：

Q需=Max（Q1、Q2、Q3、Q4） ÷（1-0.015）25=780÷（1-0.015）25=1138（m3/min）

海拔高度修正

Q修=KQ需=1.1×1138=1252（m3/min）

根据以上计算结果，在和日木隧道斜井口布置一台风量1300m3/min的风机，即可满足正洞施工通风要求。

2.3 长陡斜井隧道通风风压计算

通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在风流的全部流程中均存在，局部阻力发生在管道断面变化处，如拐弯、分支及风流受到其他阻碍的地方。为保证将所需风量送到工作面，并在出口保持一定风速，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h机>h阻。

h阻=Σh摩+Σh局

进行摩擦阻力计算：

Σh摩=6.5αLQ2g÷d5

式中：α为风管摩擦阻力系数，取α=3×10-4Kg·s2/m3；L为风管长度，分别取1700m和850m；Q为风量，单位m3/s，Q=1252÷60=20.8m3/s，取Q=21 m3/s；g为重力加速度，取9.81m/s2；d为风管直径，取1.5m和1.2m；

则有：Σh摩1=6.5×3×10-4×1700×212×9.81÷1.55=1888.6（Pa）

Σh摩2=6.5×3×10-4×850×212×9.81÷1.25=2881.7（Pa）

Σh摩=Σh摩1+Σh摩2=4770.3（Pa）

进行局部阻力计算，考虑风管从斜井进入正洞要转一个45°的弯，并经历一段渐变段直径由1.5m变为1.2m，在两个地方产生局部阻力，局部阻力系数ξ分别取0.43和0.2。

h局=ξγv2/2g

式中：ξ为局部阻力系数；γ为空气比重，取γ=1.2Kg/m3；v为风流经过局部断面形状变化后的速度（m/s），根据实测取v=25m/s；则有：

h局1=0.43×1.2×252÷2÷9.81=16.44（Pa）

h局2=0.2×1.2×252÷2÷9.81=3.3（Pa）

Σh局= h局1+ h局2=19.74（Pa）

进行总阻力计算：

h阻=Σh摩+Σh局=4770.3+19.74≈4791（Pa）

根据以上计算结果，选用压力为4800Pa的风机供风，即可满足正洞施工通风要求。

2.4 风机与风管选择

根据工作面所需供风量Q供=1252 m3/min，风机压力h机>4791Pa，结合通风机技术性能数据与个体特性曲线，选择通风机型号为SDDY-1NO11.0A，电机功率2×75KW，可实现三级变速，风量为1183～1550m3/min，全压为4000～5600Pa，能够满足施工需要，并且可以根据实际在“低、中、高” 三级中选用适合档位，节约电能。根据风管越大风阻越小的原理，结合斜井与正洞断面尺寸，选定：前1700m风管直径为φ1.5m，靠近工作面850m风管直径为φ1.2m，中间设置10m渐变段。风管选用浸胶聚氯乙烯螺旋式、双拉链接头式软风管。通风布置图见图1。

3.长陡斜井隧道优化

3.1 选择合理位置安装射流风机克服自然风压

由于洞内外空气的温度、压力、密度、湿度等因素的不同，引起空气在洞内外间的流动，这种由于自然因素的作用而形成的通风称作自然通风，自然通风的动力源于自然风压。和日木隧道斜井段施工过程中，夏季施工与春秋大风季节施工期间，洞内通风非常困难，分析原因为：

（1）夏季洞外气温、气压均高于洞内，自然风压作用下洞外空气自然向洞内流动，从而阻碍了沿隧道向洞外流动的污浊风流，致使污风排出困难。

（2）和日木隧道前进方向方位角为53.34°，和日木斜井位于隧道前进方向左侧，与线路前进方向夹角为135°，斜井方位角为98.34°，当地全年的主导方向为WNW，多风季节洞外的主导方向与洞内排风风流的方向相反。

图1 和日木隧道斜井通风布置图

在夏季与大风季节施工中，为克服自然风压的不利影响，在斜井交叉口顺污风流向拱顶安装30KW的射流风机，射流风机运行时，将隧道内的一部分空气从风机的一端吸入，经叶轮加速后，由风机的另一端高速射出。这部分带有较高动能的高速气流将能量传送给隧道内的其它气体，产生克服隧道阻力的压升，从而推动隧道内的空气顺风机喷射气流方向流动。实现排出污浊空气的目的。

3.2 冬季施工通风保温措施及其他措施

冬季施工中洞外气温降至-24℃（历年最冷月平均气温），洞内作业面温度保持在8℃左右，为保持洞内气温稳定，保障混凝土养护气温不低于5℃，采取以下措施对新鲜风流升温。

（1）采用保温门封闭洞门，上部留设“通风窗帘”，洞口安设火炉，提高洞口段空气温度。

（2）通风机的进风、出风口增设蛛网状加热电阻丝。

（3）洞内衬砌台车前后两端增设木炭炉。

施工中在衬砌台车移动时经常造成风带划破，导致严重漏风，另风带在台车内蛇形弯曲，局部风阻增大。按照风带直径，用镀锌铁皮加工刚性风筒，长度与台车一致，利用φ16钢筋网架焊接固定在衬砌台车预留通风带空间，端头20cm用聚氯乙烯风带粘接包裹。

4.结论

新建锡林浩特至乌兰浩特铁路土建四标和日木隧道全长5240m，为全线三座控制工期工程之一，隧道起讫里程DK489+030～DK494+270，分进口、斜井、出口三个工区组织施工，1号斜井平面长度675m，与线路平面夹角45°，与线路交会里程为DK490+800，斜井口井底高程819.31m，斜井坡度设置为8%的下坡。斜井工区承担DK490+800～DK492+700段1900m施工任务，斜井与正洞施工均采用无轨运输。独头通风最长距离为2575m，斜井净空断面尺寸5×6.23m（宽×高），正洞净空断面5.46×7.43（宽×高）。隧道地处内蒙古东部科尔沁草原，生态环境系统十分脆弱，属中温带亚干旱区，春季干旱多风；夏季炎热；冬季漫长干冷，每年的十月下旬到次年的三月为冬季施工期。按照铁路工程影响气候分区为严寒地区。历年平均气温1.96℃，极端气温分别为37.1℃和-39.1℃。历年平均风速3.7m/s，历年最大风速19.7m/s，主导风向WNW。通过论文对该隧道长陡斜井隧道通风的分析，可以得出如下结论：

（1）隧道施工通风设计与实践应注意因地制宜和因时制宜的利用自然风压通风，可以实现增效节能，达到事半功倍的效果。

（2）在适当的位置设置恰当功率的射流风机，以提供克服隧道阻力的足够推力，借助此辅助措施可以实现预期的通风设计效果。

（3）隧道通风管理是隧道施工通风的一个重要环节，设置风管挂设、检查、修复的专业化班组，使风管漏风率和局部阻力降到最低，做到风管出现问题立即进行抢修，是达到预期的通风设计效果的必要保障。

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