广东省鹤山市某岭特长公路隧道施工通风方案设计_secret

xx岭特长公路隧道施工通风方案设计

——纵向式通风设计

随着公路建设的蓬勃发展，特长隧道不断增多，其施工的通风是隧道施工中的一大技术难题。如不选择适当的通风设备，优化通风方案的设计，以新鲜空气置换隧道洞内污染空气，将会降低洞内的能见度；同时，全断面爆破作业产生的炸药粉尘和有害气体，以及挖掘机配合汽车的无轨运输出渣时掀起较多的粉尘和排放大量的尾气，空气污染相当严重，不但影响了隧道的文明施工，而且影响工程施工的进度，更重要的是浑浊的空气里有大量的污染气体，使作业人员容易造成职业病，直接损害了员工的身体健康，同时也给企业带来沉重的包袱和巨大的经济损失。为此，肩负xx岭特长隧道建设重任的长大五分公司，按照《公路隧道通风照明设计规范》，根据南方地区雨季较多，全年湿度较大，洞内和洞外温度相差不大，洞内空气流动相对困难的环境条件，从工程施工通风和公司现有设备的实际出发，在创建“全国青年文明号”与铸造隧道精品工程中，充分发挥科技攻关小组自身的技术力量，通过几种方案的比较，本着“安全、可靠、经济、合理”的原则进行通风方案的优化设计。

一、工程概况

    1、工程特点

xx岭公路隧道位于广东省鹤山市xx镇附近xx岭山体中，是xx市xx公路控制性工程，全长5068米，属于特长公路隧道。本标段主线隧道（SK14+582~SK17+350）施工长度2768米，是xx岭隧道的上坡部分（+0.6%），隧道洞内交接里程桩号比洞口高出16.6米。净宽10.5米，净高5.0米，单洞双车道对向直线行车，设计行车速度为：60km/h。隧地区地形险峻，围岩复杂，在隧道右侧35米处设置一条平行主洞的避难通道，作为施工时的平导、排水、地质探洞、通风用，远期作为隧道的右线。

2、施工方法

A、开挖方式

主洞和平导均是采用钻孔、装药、全断面法爆破方法开挖，主洞开挖断面积为80m²，平导开挖断面积为28m²。主洞、平导均为单头掘进，掘进距离分别为

主洞2768米，平导2791米。

B、出渣方法

施工采用主进主出、平出的方式出渣。主洞为汽车配合PC300挖掘机的无轨运输出渣，平导为梭矿车配合LW150挖掘机的有轨运输出渣，而且主洞的二次砼衬必须与掘进作业同步进行，两工作面最小间距为600m。

二、隧道主要污染环境的施工机械

结合隧道主洞、平导施工方案，造成污染环境的机械如下表：

主要影响隧道施工通风的机械及设备参数表

1、主洞：内燃机产生有害气体，汽车行走产生粉尘，爆破作业产生的污染气体和粉尘，干喷作业产生的粉尘，人产生气体, 电焊，围岩产生气体,地热,；

2、平行导坑：爆破作业产生的污染气体和粉尘，干喷作业产生的粉尘，人产生气体, 电焊,围岩产生气体,地热；

四、通风系统的计算

1）通风量的计算

2km以上的长大隧道施工通风除尘的难度本来就很大，尤其是采用无轨运输出渣时有大量内燃机械设备进洞，尾气的污染相当严重，大大增加了施工通风的难度。根据《公路隧道通风照明设计规范》，洞内作业所需的通风量包括如下四个方面：

（1）施工作业人员需用风量

Vp=Up*m*K(m³/ min)

式中Up：洞内作业每人所需新鲜空气量，一般按3 m³/ min /人 计算

m：洞内同时工作的最多人数

K ：通风设备系数，一般取（1.1~1.5）

主洞：Vp=Up*m*K=3×200×1.5=900 m³/ min

平导：Vp=Up*m*K=3×50×1.5=225 m³/ min

（2）爆破驱烟除尘需用风量

按纯稀炮烟的理论计算风量：

VL=5QB/T(m³/ min)

式中Q：同时爆破的炸药量（kg）

B：炸药爆破时所构成的折合CO的体积（L），一般取40L/kg

T：通风时间（min）

主洞：VL=5QB/T=5×350×40/30=2334m³/ min

平导：VL=5QB/T=5×150×40/30=1000m³/ min

（3）洞内最小风速需用风量：

Vd=60UminSmax（m³/ min）

式中：Umin：洞内允许最小风速（大断面掘进≮0.15m/s，小断面和异型断面掘进≮0.25m/s）

Smax：隧道洞内最大断面面积（m²）

主洞：Vd=60UminSmax=60×0.15×80=720m³/ min

平导：Vd=60UminSmax=60×0.25×28=420m³/ min

（4）冲淡内然机产生的尾气需用的风量：

按单位功率所需风量指标计算：

Vg=Uo*N（m³/ min）

式中Vg：使用内燃机时的通风量（m³/ min）

Uo：单位功率需风量指标，一般取2.8~8.1m3/KW/min

N：同时在洞内作业的内燃机械的总功率（KW）

主洞掌子面：一台PC220-3挖掘机150KW，一台ZL50B装载机220KW，二台出渣汽车：2*100KW=200KW，则风量：

Vg=Uo*N=（2.8~8.1）×（150+220+200）

=(1596~4617)m³/ min

全洞计算：一台PC220-3挖掘机150KW，一台ZL50B装载机220KW，五台出渣汽车：5*100KW=500KW，一台砼运输车120KW，则风量：

Vg=Uo*N

=（2.8~8.1）×（150+220+500+180）

=(2940~8505)m³/ min

由于内燃机械作业的排污量较大，而且隧道单边掘进将近3000米，参照约2km已建成隧道的经验，为确保洞内空气条件，满足施工作业的要求；本隧道的总风量必须达到7000 m³/ min，其中2000 m³/ min供至主洞掌子面，1000 m³/ min供至平导掌子面，余下4000 m³/ min的风量用于加快洞内污染空气排出洞外。

2）现有通风设备的最大送风距离计算

我公司现有四台（2×37kw）的通风机和1000米φ1200mm的风管。据此通风机的工作风量与工作风压，根据这两个参数进一步确定风机最大送风距离。

（1）通风机的工作风量

Vm=（1+PL/100）*V(m³/ min)

式中Vm：通风机的工作风量（m³/ min）

P：100m风管漏风量，一般≯2%

L：风管的长度（m）

V：洞内通风需用的总风量

（2）通风机的工作风压

hm=h*kg+hp（m³/ min）

式中：沿程风压损失h*kg=μL(Pa)

L：风管的长度（m）

μ：每米风管沿程损失，一般≯2%

hp：局部风压损失：主要是进出口、转弯段等局部风压损失，可按沿程风

压损失的20%~30%计算。

通过计算现有2×37kw轴流风机最大送风距离可达1600米。

五、通风设计方案的技术、经济分析：

隧道施工通风的目的是为了把隧道内的有害气体或污染物质的浓度降至一个允许浓度以下，改善洞内作业环境。对于这样的特长公路隧道，其通风方案的优劣不仅关系到隧道的施工进度，还直接影响作业人员的身体健康，是控制工程施工经济成本的关键所在。由于隧道开挖打眼、爆破、出碴、干喷、湿喷等各工序污染的程度不同，通风量和通风难度随着隧洞的延深而逐步加大，特别是上坡方向的隧道向外排出污染空气时，难度就更加明显，通风量的设计应是动态的。因此，通风方案应按照《公路隧道通风照明设计规范》合理设计，并分阶段性进行实施。否则，通风很难达到预期的效果，庞大功率的风机群也给洞内的变电站设计与安装带来巨大的困难与压力，风机群运转后也大大增加了耗电量，造成较大的经济损失。

在隧道开挖的初期阶段，第一条行车横洞未贯通之前，因主洞和平导无法连通，故只能分别采用单风机单风管压入式通风，方案如图（1）所示：

 在第一条行车横洞开通以后，主洞与平导实现连通。此时，结合施工现场的实际情况，有以下三种通风方案可供选择：

方案一：纵向式通风设计

    如图（2）所示：采用平导进风、主洞排风方式的通风方案，该图反映了隧道施工通风的高峰时期通风机和风管的选择与位置布置的情况。在隧道开挖的初期阶段，采用单风机单风管方式运行，随着隧道开挖的不断延深，根据洞内环境的优劣程度逐步增加安装相应的通风机与风管。每个车行横洞贯通后立即设置风墙，只允许风量从平导向主洞送风，以免主洞的浑浊空气回流至平导。接近掌子面的双风机双风管提供的足够风量主要用于稀释开挖工作面的炮烟与粉尘，并为工人提供新鲜的空气；而行车横洞输出的风量用于稀释出渣运输车辆所产生的内燃废气、洞内向外排出炮烟与粉尘和为后期其他工作面开展提供新鲜的空气。依次在车行横洞出风口末端安装一个向主洞洞口外方向的转弯风管，使主洞排气时形成一致的气流，增加风速，以便将污染空气迅速排出洞外。原理：平导作为一个大的通风管，大量新鲜空气从平导送进，逼使污染空气从主洞排出，同时及时在每个作业面补充大量新鲜空气，缩短排出废气时间。

通风机与风管的型号、成本、功率表

方案二、混合式通风设计

与方案一同理，图（3）也反映了隧道施工通风的高峰时期通风机和风管的选择和位置布置的情况。与方案一不同的是，除了距离掌子面最近的一个行车横洞设有两条φ1200送风管外，其它已开通的行车横洞均设置全封闭的风墙，并且在平导距离洞口沿掌子面方向900米、1600米、2300米的位置分别安装两台30kw（共需6台，甚至8台）的射流风机，以加快平导送风的速度。原理：平导作为一个更大的通风管，大量新鲜空气从平导送进，逼使污染空气从主洞排出。

通风机与风管型号、成本、功率表

     如图（4）所示：主洞和平导各自进行通风、互不干扰。由于主洞断面面积较大，根据已有的经验，管道通风的压力损失与风管直径的五次方反比，实现长距离、大风量通风的最有效途径是采用大直径风管，降低通风能耗。故在洞口端安置一台2×110kw的通风机，采用直径为φ1500的通风管，将新鲜空气直接送至洞内2000米位置，然后采用2×37kw的通风机和φ1200通风管接力供至掌子面，主洞的左边送风，右边排风。同理，平导也在洞口端设置一台2×55kw的通风机，风管直径为φ1300mm，在平导距离洞口1700米位置安装一台2×37kw的通风机，风管直径为φ1200将风接力供至掌子面；通风原理和主洞相同，左边进风，右边排风。

通风机与风管型号、成本、功率表

1、方案经济对比分析表

方案经济对比分析表

从三种通风方案设计结合方案对比分析表可以看出，风机群的运转功率基本相同，通风方案的实施都是根据隧道开挖进尺的深度分阶段进行的。

方案三与方案一、二比较：

方案三：在通风初期通风机的功率（220kw+110kw=330kw）投入就比较大，无形中加大了耗电量成本，压入式通风是将隧洞本身作为排出污浊空气的通道，而洞内多功能开挖作业台架、防水板台车、二衬模板台车等全断面作业的机械直接影响通风的效果，这些设备根据工程进度相对通风管路杂乱无序的移动，使通风管路在通过这些台架设备时工作风压损耗较大，因此隧洞中部位置的空气净化所需的时间较长，净化程度较差，这给混凝土衬砌施工带来一定的影响；而且降低洞内能见度，使汽车出渣运输速度较慢，汽车运输的危险程度较高，严重影响整个工程的进度。从通风设备的投入来看，该方案的设备费用也比较高，故此该方案不选择。

方案一与方案二比较：

方案一：平导作为一个大的通风管，大量新鲜空气从平导送进，逼使污染空气从主洞排出，同时及时在每个作业面补充大量新鲜空气，缩短排出废气时间，为特长隧道同时开展多个工作面及时提供了良好作业环境。

方案二：在建成的隧道通风中，射流通风机越来越受到欢迎。原因是射流风机无需配置通风管，功率小，可以加快洞内空气的流动，并且汽车在洞内的流量太大，没有风管时对汽车的行驶影响较小。然而，在正在施工建设的隧道中，射流风机必须与轴流风机配合才能排风，仅仅使用射流风机无法净化洞内浑浊的空

气。排出废气时间比方案一长，同时后续工序无新鲜空气补充。

结合公司现有四台（2×37kw）的通风机、1000米φ1200mm的风管和公远利益角度来看，轴流风机（2×37kw）的适用性较广，能够满足1600米以下双边开挖的隧道通风所用的风量和风压，并且可以分成两截单独使用，其分截后的功率和射流风机（30kw）基本差不多。从通风设备费用的投入来看，方案一节省将近10万的成本，并且依次在车行横洞出风口末端安装一个向洞口方向的转弯风管，使主洞排气时形成一致的气流，以便将污染空气迅速排出洞外， 

选择方案一少购买这些通风设备（2×37kw风机：4台×8.5万元/台=34万元，φ1200mm风管：1000米×65.00元/米=6.5万元），为公司间接节省了40.5万元。

综合考虑选择方案一纵向式通风系统：

由于主洞和平导的开挖进度基本相同，在隧道开挖的初期阶段，分别采用单风机单风管方式运行，随着隧道开挖的不断延深，根据洞内环境的优劣程度逐步增加安装相应的通风机与风管。故此，该方案在主洞主要几个进尺深度的位置其通风设备的投入各不相同。

当主洞进尺深度约1500米时，通风设备的位置图如下：

    其中：通风机：2×37KW：3台；37KW：1节

通风管：φ1200mm：2200米，转弯风管：3条。

当主洞进尺深度约2000米时，通风设备的位置图如下：

         其中：通风机：2×37KW：4台；37KW：2节

通风管：φ1200mm：2750米，转弯风管：4条

当主洞进尺深度约2500米时，通风设备的位置图如下：

          其中：通风机：2×37KW：4台；37KW：3节；

通风管：φ1200mm：3300米，转弯风管：5条；

当主洞开挖超过2500米以后，采用方案一的整体通风方案布置图，鉴于现场没有先进的空气检测仪器，所以没法对上述各阶段的空气成分含量进行具体的分析，但是，施工作业人员、管理人员、监理以及业主人员均对洞内空气感觉良好，呼吸顺畅。

七、通风方案实施效果管理

在通风方案实施过程中，一个好的通风设计方案在现场实施起来还要靠强有力的管理措施。要想得到满意的通风效果、缩短循环作业时间，仅仅依靠合理的通风方式是不够的，当新鲜空气还没有达到洞内工作面时，大部分空气就在中途漏掉了。洞内的多功能开挖作业台架、防水板台架、二衬模板台车等全断面作业机械根据工程的进度相对通风管路杂乱无序的移动时，使通风管路形成障碍进而影响通风的效果。检底、补炮等施工作业经常炸烂风管，这些因素造成了相当大的通风阻力和漏风，致使洞内通风没有达到预期的效果。对于施工过程中出现的风管破裂损坏，主要是靠加强现场的通风管理。

1、综合防尘措施：它包括湿式凿岩、水封爆破降尘、爆破后喷雾降尘、出渣前冲洗岩壁、装渣洒水等措施，都可达到防尘降尘的目的。

2、净化内燃设备尾气：加强内燃设备保养，保持内燃设备工况良好，以减少废气排放量；内燃设备安装有效的消烟化油器以净化尾气，减少空气污染。

3、加强通风管理：制定严格的通风管理制度，安排专人进行通风管理，根据需要随时进行空气卫生和通风指标检测，不断进行通风系统的优化，保证通风系统完好有效运行。对于破损的风管应及时发现及时修补，避免造成漏风损失。

4、充分通风：要保证有足够的通风时将废气彻底排完，避免造成废气循环积累，保证洞内各工作面空气达到标准。

5、保持洞内道路平整：若洞内道路不平，会加大内燃车辆行驶阻力，使车辆频繁加大油门，耗油多，造成污染气体排放量增大。

八、通风方案使用效果及改进建议

1）使用效果 经过xx岭隧道的实践与应用，该通风设计方案满足了洞内作业的通风要求，截止2005年2月25日，隧道安全顺利掘进2620米，该方案有如下的优点：

1创造洞内良好的通风环境，使隧道施工单月开挖进度达到180米以上。

2

洞内作业环境满足施工人员的作业要求，呼吸顺畅，洞内温度为25℃∽28℃，湿度为80%∽90%。

3洞内能见度适宜，出渣运输车辆和交叉作业工序从未受到洞内空气效果的影响，也未发生过安全事故。

4经济实用，创造了（2×37kw）通风机满足隧道开挖单边进洞约2700米通风要求的先例。

2）改进建议 

1xx岭特长隧道位于广东的西南部，全年湿度较大，隧道洞内和洞外温度相差不大，洞内空气流动相对困难，而且是上坡方向的隧道向洞外排出污染空气的难度就更加明显，这些给通风设计方案带来较大的难度，必须配置相应充足的通风设备。

2方案一行车横洞的风墙设计必须预留通风管出口，该方案采用洞壁锚杆、钢管和防水板密封，但仍有漏风现象；而且洞内爆破的冲击波较大，风墙固定应考虑防震影响。

3在爆破作业的炮孔里放置适量的水炮泥，爆破后的洒水除尘和静电除尘等技术措施均可大大地降低洞内粉尘的浓度，通过增加这些辅助的除尘措施，合理、优化设计通风方案，创造良好的通风环境。

九、结论

良好的通风环境是隧道成功修建的基本保证，特长公路隧道通风设计应根据不同工程的实际情况进行通风技术设计，综合考虑通风设备的成本和通风设备的功率，避免功率庞大的风机群给洞内的供电设计与耗电费用带来巨大的压力。在长大五分公司科技攻关小组的努力下，自行设计的纵向式通风设计方案成功地解决了xx岭特长隧道施工通风这一技术难题，大大改善了洞内作业环境，保证了工程施工的进度，为公司节省了施工成本约50万元，而且培养了一大批特长公路隧道施工的技术人才，为我们“广东长大”在以后特长隧道建设中提供了宝贵的经验。 

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