伏牛山特长隧道斜井施工通风方案浅析

摘要：近年来随着我国隧道工程施工技术的快速发展，万米长隧道不断涌现，单向掘进距离长，洞内良好的通风是需重点解决的问题。结合工作面及通风要求，对伏牛山特长隧道1#、3#斜井与正洞通风进行通风设计，计算各工作面需要的风量及风压。1号斜井最大独头通风长度3582.4m，根据施工组织情况采用压入式通风，取得不错的通风效果。

关键词：伏牛山隧道；斜井；压入式通风；

1.工程概况

伏牛山特长公路隧道左线起讫桩号ZK82+408-ZK91+569，全长9161m，右线起讫桩号K82+363-K91+6，全长9183m。在K84+918.3处设置1#通风斜井，在K88+425.5处设置2#送风斜井，在K88+462.7处设置3#排风斜井，工作区间示意图如图1。

其中1号斜井施工任务区间：左线ZK84+800 ～ZK86+942共2142m；右线K84+859～K86+950共2091m。1号斜井长1293.4m，最大通风长度3582.4m，单个工作面掘进长度大，特别是斜井进入主洞后，线路复杂，通风排烟难度大，这就降低了进尺循环的工作效率。

图1 伏牛山隧道工作区间示意图

2.通风方案的选择

伏牛山隧道为特长隧道，通风设计应遵循以下几个原则：

（1）提高工作面供风标准。在风量计算中选取各参数时增加风量取值。

（2）风量增加将导致电能消耗增加，需采用较大直径的通风管道以节约电能，正洞和斜井通风管道直径为φ1.6m。

（3）采用双级调速轴流式通风机以实现较好的节能降耗效果。 3.设计参数及通风计算 3.1设计参数

一次爆破用药量：m=（S×3×1.1）kg（循环进尺按3m考虑，用药量1.1kg/m3，S为开挖面尺寸面积）；

洞内最多作业人数：按每工作面最大50人； 爆破后通风排烟时间：ｔ＝30min；

通风管：采用φ1.6m软质风管，开挖面附近采用20m硬质风管。 管道百米漏风率：β＝1.1％；

风管沿程摩阻系数α=λρ/8=0.0015kg/m3，式中（达西系数λ=0.01，空气密度ρ =1.2）； 3.2 风量计算

风量从四个方面计算，按洞内最多工作人员数计算Q1，按洞内允许最低风速计算Q2，按爆破排烟计算Q3，按同时工作的最多内燃设备计算Q4。取Q＝Max（Q1、Q2、Q3，Q4），并考虑漏风系数影响。以1#斜井、3#斜井为例。 3.2.1 1#斜井左线风量计算

1#斜井长1293.4m，往正洞方向施工2281m，施工通风总长度3572.4m。1#斜井工区最大开挖断面面积为A=83.94㎡，则出风口距开挖面距离不大于36.m。根据以上要求，主风机布置在距洞口30m的位置，出风口距开挖面40m，风管最大长度3582.4m。 3.2.1.1 洞内风量计算

（1）根据洞内同时工作的最多人数计算 Q1=qmk（m3/min）

q：每人每min呼吸所需空气量q=3m3/min m：同时工作人数，正洞取m=50人 k：风量备用系数，取k=1.25

由此得Q1=3×50×1.25=187.5（m3/min） （2）按允许最低平均风速计算 Q2=60A·v

v：施工通风风速，取0.25m/s， A：正洞开挖面积，取83.94m2， Q2=60×83.94×0.25=1259.1（m3/min） （3）按爆破工作量确定风量 ①按一次爆破排出有害气体计算风量 炸药用量m=83.94×3×1.1=277kg t：通风时间，按30min考虑；

b：1kg炸药爆破时的一氧化碳体积，采用40L； Q3-1=5mb/t=5×277×40/30=1846.67（m3/min） ②按压入式通风作业面有害气体降至允许浓度计算 L：炮烟稀释到允许浓度至工作面的距离，取100m；

Q3-2=7.8/t×3√m·（A·L）2

=7.8/30×3√277×（83.94×100）2=700.02（m3/min） ③根据爆破工作量计算施工需风量

Q3= Qmax（Q3-1，Q3-2）= Qmax（1846.67，700.02）=1846.67（m3/min）。 （4）按同时工作的内燃设备计算 Q4=nP（m3/min）

P：每Kw每min需提供空气量P=3m3/min

n：洞内同时工作的内燃设备：1台CAT挖掘机，功率103Kw；1台50B装载机，功率155Kw；两辆20t自卸汽车，功率248kw。

由此得Q4=（103+155+2×248）×3×0.75=1696.5m3/min （5）洞内需风量

Q= Qmax（Q1，Q2，Q3，Q4）

= Qmax（187.5，1259.1，1846.67.3，1696.5） =1846.67（m3/min）。 3.2.1.2 漏风系数修正

Q需=P·Q=1.65×1846.67=3047（m3/min） 3.2.1.3 风压计算

通风机的风压Hf=H摩+HD+H其他 式中 Hf—风机风压，Pa； H摩—风管沿程摩阻力，Pa； HD—隧道内阻力，Pa，可取50计算； H其他—其他阻力，Pa，可取60计算。

式中：L—风管长度，m； Q需—掌子面需风量，m3/min。 d—风管直径，m，取1.6计算；

α—风管摩擦阻力系数，根据经验取0.0015。

H摩=6.5×0.0015×3582.4×30472／3600×1.65=8590.55（Pa）；

Hf=Hf=H摩+HD+H其他=8590.55+50+60=8700.55（Pa）。 3.2.2 1#斜井右线风量计算

1#斜井长1293.4m，往正洞方向施工2091m，施工通风总长度3384.4m。

1#斜井右线工区最大开挖断面面积为A=83.94㎡，则出风口距开挖面距离不大于36.m。根据以上要求，主风机布置在距洞口30m的位置，出风口距开挖面40m，风管最大长度3394.4m。

3.2.2.1 洞内风量计算

Q需=P·Q=1.596×1846.67=2947.28（m3/min） 3.2.2.2 风压计算

H摩=6.5×0.0015×3394.4×2947.282／3600×1.65=7615.67（Pa）； Hf=Hf=H摩+HD+H其他=7615.67+50+60=7725.67（Pa）。 3.2.3 3#斜井左线1区间施工

3#斜井长1151m，往正洞方向施工1882m，施工通风总长度3033m。最大开挖断面面积为A=83.94㎡，则出风口距开挖面距离不大于36.m。根据以上要求，主风机布置在距洞口30m的位置，出风口距开挖面40m，风管最大长度3043m。 3.2.3.1 洞内风量计算

Q需1=PL1Q=1.50×1846.67=2770（m3/min） 3.2.3.2风压计算

H摩=6.5×0.0015×3043×27702／3600×1.65=6030.（Pa）； Hf=Hf=H摩+HD+H其他=6030.+50+60=6140.（Pa） 3.2.4 3#斜井左线2区间施工

3#斜井长1151m，往正洞方向施工751m，施工通风总长度1902m。最大开挖断面面积A=83.94㎡。主风机布置在距洞口30m的位置，出风口距开挖面40m，风管长度1912m。 3.2.4.1 洞内风量计算

Q需1=PL1Q=1.27×1846.67=2345.27（m3/min） 3.2.4.2 风压计算

H摩=6.5×0.0015×1912×2345.272／3600×1.65=2715.66（Pa）； Hf=Hf=H摩+HD+H其他=2715.66+50+60=2825.66（Pa） 3.2.5 3#斜井右线施工

3#斜井长1151m，往正洞方向施工1794m，施工通风总长度2945m。最大开挖断面面积A=83.94㎡。主风机布置在距洞口30m的位置，出风口距开挖面40m，风管长度2955m。 3.2.5.1 洞内风量计算

Q需1=PL1Q=1.48×1846.67=2733.07（m3/min） 3.2.5.2 风压计算

H摩=6.5×0.0015×2955×2733.072／3600×1.65=5700.84（Pa）； Hf=Hf=H摩+HD+H其他=5700.84+50+60=5810.84（Pa） 3.3通风系统设备、材料配置

表1 各工作面施工通风所需风量及风压表

4.通风方法

4.1 伏牛山隧道1#斜井

伏牛山隧道1#斜井采用压入式通风，斜井施工时由一台SDF（B）-NO13风机将新风通过风管送向掌子面，污风由斜井排出。斜井与正洞相交后，在斜井口加设一台1SDF（B）-NO13轴流风机为大里程工作面提供施工通风。进入左洞后，在左洞增设一台1SDF（B）-NO13轴流风机，右洞也增设一台1SDF（B）-NO13轴流风机，同时在橫洞转角处加设射流风机，对污风排出进行引导。

斜井与正洞相交处及靠近掌子面端20m处采用硬质风管，其余段采用拉链式PVC软质风管。

图2 1#斜井工区施工通风平面布置示意图 4.2 3#斜井工作面

伏牛山隧道3#斜井采用压入式通风，施工斜井时由一台SDF（B）-NO13通风机将新风通过风管送向掌子面，污风由斜井排出。斜井与正洞相交后，在斜井口加设一台1SDF（B）-NO13轴流风机为大里程工作面提供施工通风。进入左洞后，在左洞增设一台1SDF（B）-

NO13轴流风机，右洞也增设一台1SDF（B）-NO13轴流风机，右洞进入左洞2区间也增设一台1SDF（B）-NO13轴流风机，同时在橫洞转角处加设射流风机，对污风排出进行引导。 斜井与正洞相交处及靠近掌子面端20m处采用硬质风管，其余段采用拉链式PVC软质风管。

图3 3#斜井工区施工通风平面布置示意图 5.通风管理

（1）对通风系统定期检查，通风作业人员做好日常巡查。

（2）每10天在风管进、出口测量风速、风压以计算漏风率，并对风筒漏风位置及时修补。

（3）实行通风交制度，并设专职风管维修工，每班对风管进行检查，发现破损等情况及时处理。

（4）定期对因洞内渗水和温度变化造成的风管内积水进行排除，以减少风管承重和阻力。

6.通风效果 6.1 测试内容、方法

（1）粉尘和有害气体浓度的监测

监测工作面30m范围内爆破以后30min和45min粉尘、CO、NOx浓度。 （2）通风系统的性能测定

测定风机的输出压力和输出风量，同时根据测点直径、面积计算断面风速、风量、百米漏风率、沿程压力损失、管道摩阻系数等。 （3）隧道内气流状态测定

监测隧道内的多点风速以计算平均风速。 6.2 测试仪器与器材

温湿度计、气体测定仪、微风仪、气压表、粉尘测定仪、U型压力计。 6.3 测定结果与分析

（1）粉尘及有毒气体测试结果 多次测试结果进行平均，其值见表3。 表3 伏牛山隧道1、3#斜井通风质量测定平均值

伏牛山隧道1、3#斜井爆破30min后即可开始进洞作业，粉尘及有害气体浓度符合国家卫生标准。

（2）风量、风压测定结果

各风机风量和风压监测均达到设计要求。 （3）隧道内气流状态测定

距洞口不同距离布置监测点，测定洞内最小风速0.23m/s-0.49m/s之间，符合隧道施工通风要求。 7．结束语

伏牛山特长隧道1、3#斜井压入式通风方案有效地解决了正洞和1、3#斜井多作业面同时施工的通风问题。风管的安装和使用管理过程中始终保持平、稳、直、紧且无弯曲，确保通风系统的工作状态良好。洞内空气质量和通风效果实测结果均表明伏牛山特长隧道1、3#斜井爆破后30min粉尘浓度符合规定标准，有害气体浓度均低于规定标准。 参考文献：

[1]关宝树.《隧道工程施工要点集》.西南交通大学出版社，2003.

[2]铁道部工程管理中心.铁路隧道施工通风技术与标准化管理指导手册.[M].北京.中国铁道出版社，2009.

[3]《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）.

[4]赖涤泉.隧道施工通风与防尘.[M].北京.中国铁道出版社，1994.

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期产生的沉降数据进行分析，根据监测点的布置，得到相关的监测数据，获得了盾构机换刀作业中的地表沉降曲线，地表沉降曲线表明，地表沉降量随着开挖面与监测点距离的不断临近而逐步增加，当盾构掘进至已布设的监测点的下部时，沉降的速率最大，在盾构换刀期间内，监测数据的沉降曲线逐步平稳，变化幅度不大。 （二）加固施工效果评价

（1）在太原铁路枢纽西南环线工程XNHS-1标段工程中盾构换刀区加固方法的研究中，提出了采用钻孔灌注桩（素桩）+降水井作业施工的施工方案，并在实际中进行了试验。施工表明：该工法应用于实践中，节约了能源，提高了工效，取得了显著的经济效益。

（2）本施工方法比较合理地设计了整套大直径盾构隧道换刀区加固工法，并配备了一整套作业的机械设备，为钻孔灌注桩（素桩）+降水井快速施工创造了必要条件。工程实施时，缩短工期2个月，从而节省了人工费、材料费、施工机具使用费、企业管理费及规费等，具有明显的经济效益。 五、结语

该施工技术以盾构安全开仓为目的，较好的解决了传统的加固方法在大直径盾构富水、砂卵石地层加固质量差、加固质量难以保证等问题。实际施工中，钻孔灌注桩（素桩）+降

水井作业施工，各施工工序，机械设备、人员组织紧密衔接，形成了同步、快速作业。换刀区加固同步作业施工过程中，安全、质量可控；开仓时掌子面稳定，地下水位低。 该项施工方法在太原铁路枢纽西南环线工程的成功开发与应用，保证了本工程施工的安全和质量、提高施工进度、优质、快速推进，并为今后的盾构隧道的换刀区加固作业施工在施工技术方案、组织管理和设备配备上提供了良好借鉴，具有较好的推广应用价值。 主要参考文献：

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[2] 《土建注浆施工与效果检测》，程晓，张凤祥编著，同济大学出版社，1998 [3] 《铁路隧道设计》，冯卫星，吴康保编著，西南交通大学出版社，1998 [4] 《地铁隧道穿越饱和动水砂层止水加固技术研究》，吕波编著，铁道建筑，2012（5）：53-56.

[5] 《浅埋砂土中盾构法隧道开挖面极限支护压力及稳定研究》，黄正荣，朱伟，梁精华，等编著，岩土工程学报，2006，28（11）：2005 －2009．