高速公路隧道工程现场通风方案设计研究

　　摘要：本文主要通过对青兰高速公路陕西境壶口至雷家角LJ21标段北河村隧道进口段通风风量的计算及通风措施的研究, 选择合理的通风设备和通风方案, 为隧道洞内施工创造了良好的施工环境。

　　关键词：隧道施工; 通风设计; 通风措施; 通风效率;

　　隧道施工环境相对封闭, 施工中产生大量和灰尘和烟雾, 有害物质难以排除影响着施工人员的身心健康。因此在隧道施工中必须加强通风方案设计, 确保隧道内外空气流通, 保障隧道工程的施工质量和施工人员的生命安全。

　　1、隧道施工通风现状

　　隧道施工对作业环境的要求与对安全、质量的要求同等重要, 构成了三位一体。施工单位往往对洞内通风工作重视不足, 通风方案设计深度不够, 导致大多数隧道施工洞内通风状态不良, 施工环境较差。

　　2、隧道施工环境标准

　　由中华人民共和国交通运输部发布的《公路隧道施工技术规范》 (JTFF60-2009) 规定, 隧道内施工作业环境的空气应必须符合下列卫生及安全标准:

　　(1) 空气中的氧气含量在作业过程中始终保持在19.5%以上, 严禁用纯氧进行通风换气。

　　(2) 空气中一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、氮氧化物 (NO2) 等有害气体浓度必须符合表1的规定。

表1 工作场所空气中有毒物质最高允许浓度

　　(3) 空气中的粉尘浓度应符合表2的规定。

　　(4) 隧道施工头掘进长度超过150m时, 必须采用机械通风。隧道施工通风应提供洞内各项作业所需要的最小风量。每人供应新鲜空气不应少于3m3/min, 采用内燃机械 (汽车、装载机、挖掘机等) 作业时, 供风量不宜小于4.5m3/ (min·k W) 。全断面开挖时风速不应小于0.15m/s, 导洞内不应小于0.25m/s, 但均不应大于6m/s。

表2 工作场所空气中粉尘容许浓度

　　3、通风设计

　　采用新奥法开挖技术时爆破产生大量炮烟, 出碴采用无轨出碴, 汽车、装载机、挖掘机等机械设备都将产生大量的有害气体, 且隧道掘进较长, 顺坡掘进排烟尘将变得难上加难。因此合理的通风措施将至关重要。

　　3.1、风量计算

　　(1) 按施工人员计算:需要风量Q1=N×q

　　式中:N———洞内工作人员最多人数, 取m=120人;

　　q———洞内每人所需最低新鲜空气量, 3m3/min;

　　代入各项参数计算得:Q1=120×3=360m3/min。

　　(2) 按隧道内净空计算:Q2=60×S×Vmin

　　式中:S———断面面积, 按现在的F-III级围岩衬砌后断面S=81m2, 开挖断面S=93m2, 取中间值S=87m2。

　　V———允许最小风速≥0.15m/s;

　　(3) 按洞中同一时间内爆破作业的最多用药量计算:Q3=7.18 (AL2S2) 1/3/t

　　式中:t———通风时间, 长度超过1000m时, 取t=30min;

　　A———一次爆破作业的最大用量, 取A=200kg;

　　S———隧道断面面积, 88m2;

　　L———通风长度, 最大通风长度取1200m;

　　代入各项参数计算得:Q3=7.18 (AL2S2) 1/3/t=7.18× (200×12002×932) 1/3/30=3244m3/min;

　　(4) 按内燃机需要风量计算:Q4=Q0∑P

　　式中:∑P———同时在洞内作业的各种内燃机的功率总和 (k W) ;按规范及综合考虑各种因素后, 功率总和按额定总功率的70%计算;汽车5台额定总功率150k W×5, 装载机2台额定总功率135k W×2, 挖机1台额定总功率220k W。

　　总功率∑P= (150×5+135×2+220) ×0.7

　　Q0———内燃机单位功率所需风量指标, 按《隧道设计手册》, 取Q0=4.0m3/ (min·k W) 。

　　代入各项参数计算得:Q4=Q0∑P=4.0× (150×5+135×2+220) ×0.7=3472m3/min。

　　(5) 风阻计算:H阻=∑H动+∑H局+H沿

　　取∑H动=50Pa, 局部压力损失一般按沿程压力损失的10%估算:H沿=agp LQ2/S3;

　　式中:a———风道摩擦阻力系数, 取a=3×10-4kg·s2/m2;

　　g———重力加速度, 取9.81m2/s;

　　p———管道内周长, 取1.5m风筒布, p=Dπ=1.5×π≈4.71m;

　　L———风道长度, 取L=1400m;

　　Q———风机风量, 取Q=25m3/s;

　　S———管道截面积, 取S=π (D/2) 2=π× (1.5/2) 2≈1.77m2;

　　代入各项参数计算得:H沿=agp LQ2/S3=3×10-4×9.81×4.71×1200×252/1.773=1874.8Pa, H阻=∑H动+∑H局+H沿=50+1874.8×10%+1874.8=2112.3Pa。

　　(6) 漏风计算:Q供=P×Qmax

　　百米漏风率P100=0.015, 管道长L按1200m考虑, 则漏风系数:P=1/ (1-0.012L/100×P100) =0.998

　　则有Q供=Qmax/P=3948/0.998=3956m3/min。

　　(7) 通风设备选择

　　采用轴流式通风机, 选择时按Q机≥1.1Q供 (1.1是风量储备系数) , 轴流风机SDF (C) -No12.5功率2385m3/min, 风压5355Pa。根据以上计算可知:往上游洞方向采用 (2×SDF (C) -No12.5) 110k W×2轴流变速风机, 压人式通风Q机=2385×2=4770m3/min>1.1Q供=1.1×3956=4352m3/min, 基本满足施工要求。

　　3.2、辅助通风措施

　　通风一直是困扰长大隧道施工的重点和难点之一, 本工程承担隧道施工长度1200m, 在通风设计上, 虽然采用了大功率的轴流变速风机压入式通风, 但为进一步确保通风效果, 还应该在影响方面加强措施, 采取以下辅助通风措施, 来满足长大隧道无轨运输通风的要求, 具体措施如下:

　　(1) 尾气净化

　　本工程采用无轨出碴, 影响通风效果最大因素之一就是内燃机械尾气, 随着隧道的加深, 汽车、装载机等的尾气采取净化措施, 净化装置采用齐齐哈尔YS汽车厂生产的尾气净化器, 并定期更换净化药品, 确保尾气净化效果。

　　(2) 综合防尘措施

　　水幕降尘爆破时, 在距掌子面30m外边墙两侧各放一台水幕降尘器;爆破前10min打开阀门, 放炮30min后关闭。水幕降尘示意图如图1。

图1

　　(3) 袋炮泥技术

　　隧道爆破时才采用水袋炮泥, 可以很有效的降低粉尘。水袋炮泥就是用专门制作的水袋跟炸药形状类似, 和炸药混合装药, 最后在炮眼口用炮泥封实。实践证明, 此法降尘效率非常高。

　　(4) 湿式凿岩

　　净化水源并在水中加湿润剂, 湿润剂的作用是降低水的表面张力, 当粉尘与水滴膜相撞时, 便易被冲洗湿润, 水中加放0.1%的氯化钠打眼时, 可使空气中的含尘量降到4.16~4.39mg/m3。

　　利用锐钻头凿岩时, 凿岩机的冲击力随风压的提高而加大, 因而被破碎的岩石粒径也加大, 粉尘量也减少, 凿岩的风压保持在0.6MPa以上时, 既能提高钻速又能降低含尘量。

　　凿岩机供水量要保持在3~4L/min, 供水压力一般以0.2~0.3MPa为宜。

　　在凿岩机上配制除油器。

　　(5) 净化风源

　　风机距洞口要保证25m以上的距离。当采用混合式通风时, 吸出式风筒在洞口处设90°弯角, 把废气排向上方, 避免混进压入式通风机中。

　　(6) 湿喷混凝土防尘

　　采用湿喷技术, 控制喷头处工作压力, 减少混凝土回填及粉尘量。

　　4、提高通风效率的措施

　　(1) 风筒布选择:尽量采用风筒节长较长的, 以减少接头。

　　(2) 挂设时, 要做到平、直、紧、稳, 在高处不影响机械运输的地方。

　　(3) 采用合理变径节:当风筒较长时, 采用变径, 可以减少通风阻力。

　　(4) 经常检查:由于洞内外温差, 风筒内空气遇冷后会出现积水, 积水会增大风筒的阻力, 应定期检查和排放积水;发现漏风及时处理。

　　5、结束语

　　在公路隧道施工中, 由于受施工空间的影响, 施工场所的灰尘和有害气体可能会危害施工人员的人身安全, 所以应加强隧道施工通风技术的研究和方案设计, 完善和优化通风方案促进洞内空气流通, 进而提高了施工效率, 加强了施工质量。

　　参考文献
　　[1]《公路隧道施工技术规范》 (JTFF60-2009) .
　　[2]《公路隧道通风设计细则》 (JTG/TD70-2014) .
　　[3]公路隧道通风防灾技术.长安大学, 2008, 01.