隧道无轨运输施工通风

在隧道施工中，凿岩、爆破、出碴、喷射混凝土等作业过程经常会产生大量的粉尘和有害气体，严重危害作业人员的身体健康，也不利于施工作业的正常进行。因此，施工通风是隧道施工中不可缺少的环节，也是制约隧道快速施工的一个重要因素。
六十年代以来，我国铁路隧道施工通风，尤其是较长隧道（2km以上）一般都采取在隧道一端或两端用平行导坑作巷道式通风的方法。但从发展趋势上看（从经济角度出发），山岭隧道应减少辅助坑道设置，特别是中长隧道，通常不设辅助坑道（国外一般6～8km隧道都不设置辅助坑道）。这样一来，管道式通风技术就成为解决施工通风的发展方向。在我国以往较短隧道施工中，由于采用管道式通风时所用风机的风压和风量均不大，故仅适用于小断面和局部通风。八十年代以后，我国从日本引进了大功率对旋式轴流风机，才使管道通风技术有了较大提高。在有轨运输施工时，一般独头管道通风距离为2～3km，而在秦岭Ⅱ线隧道平导施工中，采用日产PF-110SW55型轴流风机，配合Φ1.3m隧道局通风设备厂产的PVC增强维纶布拉链式柔性风管，独头压入式通风距离达到了4800m；但对无轨运输施工通风，报道较少，从现有资料看，其独头管道通风距离一般为1000m～1500m。在衡广线大瑶山双线隧道全断面开挖、无轨运输施工中，采用日产风机，配合Φ1.2m刚性和少量柔性风管，独头通风距离可达2000m以上；在南昆线二排坡隧道全断面、无轨运输施工中，采用津产88-1型风机和Φ1250mm风管，独头压入式通风距离为1200m左右。
我公司在内昆铁路施工的隧道共有5座，其中阴山一号隧道全长2022米，在未贯通前为独头巷道掘进1100米；手扒岩隧道全长3055米，在未贯通前为独头巷道掘进1700米，油房头隧道和垭口隧道分别为964米和857米，均为单线隧道。由于线路所经地段地形陡峻、场地狭窄，同时从进度、造价、组织管理、机械维修、施工干扰及适应性方面比较，我们决定采用无轨运输施工方法，这样如何有效地解决隧道施工通风问题就成为我们面临的重要课题之一。为此，我们以阴山一号隧道为主进行了通风技术的研究工作。
    二、通风设计
（一）通风方案的确定
1.    通风方案的制订依据
在隧道施工中，采取何种通风方式应根据隧道的施工方法、坑道特点和污染源的特性以及设备条件等因素加以确定。因此我们在制订通风方案时主要考虑了下列因素：
①    采用的是钻爆法、全断面或大断面开挖方式；
②    采用无轨运输出碴进料；
③    没有可以利用的辅助坑道；
④    柴油汽车排放的废气发生在整个运输巷道上，且愈往下风处废 气浓度愈大；
⑤    采用可提供足够风量、风压的风机；
⑥    采用大直径、漏风少、阻力小的风管。
2.通风方案的比较
隧道施工通风主要采用机械通风，其通风方式按风道类型一般分为巷道式和管道式两种，其中后者按送风方式不同又可分为压入式、吸出式和混合式三种。它们各有其优缺点（见表1）。
表1  几种管道式通风方案的比较
序号    通风方式    布置形式    优点    缺点
1
压入式        能很快地排除工作面的污浊空气,拆装简单    污浊空气流经全洞
2
吸出式        工作面净化较快，
洞内空气较好    风机移动频繁，噪声大，管道漏风可造成循环污染
3
混合式        洞内空气好、净化快      噪声大，
受空间限制
3.方案确定
经分析比较后，我们认为压入式通风较为适合无轨运输施工，它可使足够的新鲜空气能很快被送至工作面，实现快速掘进。考虑到柴油机废气污染，风机选型要求大风量、高风压，风管要求选用大直径柔性风管，风机要安设在洞外开阔处，向洞内送风，以避免循环污染。
（二）通风系统的设计计算
隧道施工通风旨在为洞内施工人员创造一个适宜的作业环境，以保证作业人员的身体健康和作业的效率。因此在计算时我们考虑了以下因素：
①    保证洞内作业人员有足够的新鲜空气；
②    作业面有害气体浓度降到允许范围内；
③    保证工作面最低风速不低于0.15m/s。
1．风量计算
(1)    按洞内同时工作的最多人数计算
     
    3--每人每分钟呼吸所需新鲜空气量，m3/min；
     --风量备用系数，取1.15。
     --洞内同时工作的最多人数，40人。
(2)    按同时爆破的最多炸药量计算

--同时爆破的炸药消耗量，100.2kg；
--一公斤炸药爆破时所构成的有害气体体积，40L；
--通风时间，按30min计。
(3)    按爆破后稀释CO至许可最高浓度计算

、 符号意义同前。
--风量备用系数，取1.10。
(4)    按压入式通风30分钟内将齐头工作面爆破产生的有害气体浓度稀释到允许浓度计算

--巷道断面积，42.37m2；
--通风区段长度，取100m，即掌子面向洞口方向100m范围内；
、 符号同前。
(5)    按稀释内燃机排放废气中有害气体浓度至许可浓度计算
         
         --柴油机废气排量，40.85m3/min；
         --稀释系数，12.6；
         --安全系数，1.5。
(6)    按满足工作面最小风速计算

V--工作面最小风速， 0.15m/s；
S--同前。
    取上述风量的最大值作为设计风量，故工作面所需风量应大于772.1 m3/min。
    考虑漏风因素：
据风管厂提供的技术指标，采用PVC增强塑纤布作风管材料，百米漏风率正常时可控制在2%以内。本方案通风距离考虑1100m，据此计算漏风系数
     
     --通风距离，1100m；
     --百米漏风率，取2%。
则风机供风量应不小于：
2、系统风压计算
从理论上讲，通风系统克服通风阻力后在风管末端风流具有一定的动压，克服阻力则取决于系统静压，动压与静压之和即为系统需供风压。
（1）    动压计算
         
         --空气密度，1.2kg/m3；
         --末端管口风速，5.6m/s（按工作面最小风速折算）
（2）    静压计算
    ①管道摩擦阻力：
      
               --管道摩阻系数，0.032；
               --管道内平均风速， ；
               符号意义同前；
              d--风管直径。
   ②局部阻力：
           
   系统静压：
           
（3）    系统风压
           
通风管径越大，则系统阻力越小，根据全断面掘进时断面尺寸，施工机械和衬砌台车的尺寸，设计时按φ1.2m风管计算。
（三）设备选型
设备选型关系到整个方案的成败，是通风系统运行好坏的基本保证。在立足现有、国产设备的基础上，我们采用了天津产88-1型轴流式风机，其功率为55KW×2，风量达1000m3/min，全压5000Pa。它具有空气流动性能好、效率高、节省能量、噪音低、结构紧凑、安装方便等特点。风管则选用了天津通风设备厂生产的PVC增强塑纤布拉链式φ1.2m柔性风管。该风管具有较强的抗拉强度和较小的伸长率，接头方式新颖，使用方便，重量轻，易安装，破损较少，径向变形也小。另接头光滑、严密，能有效地减少漏风和系统阻力。
由上述计算结果可知，选用88-1型风机和φ1.2m柔性风管应该可以满足洞内通风的要求。
三、通风方案的实施与检测
我们在阴山1#隧道进口段对设计方案安排、落实，并成立了专门的通风检测组和作业班组，进行通风检测和日常维护工作。
1、    系统安装与维护
显然，通风系统的安设质量对通风效果有着直接的影响。因此，为避免由洞内排出的污浊空气再次进入洞内引起循环污染，我们将风机安设在洞口外适当位置。在安设风管时，则尽量做到平直畅通、吊挂稳固、接头牢靠，并注意保持吊挂锚杆的纵向一致和风管承重索的高度相同。风管的接长等工作则选在打眼期间。对于风管末端距工作面的距离，《隧道施工规范》从通风效果的角度出发，提出压入式通风不宜大于15m。但在实际应用时考虑到放炮的影响，其距离可适当延长。
另外，为了使系统始终处于良好状态，就必须加强对系统的日常维护。为此，我们成立了专门的通风作业班组，由专人负责通风系统的日常检查和维修，发现破损及时修补或更换。
2、    系统检测
为及时了解通风系统的运行状况，正确评价系统的应用效果，我们成立了通风测试小组，应用U型压力计、比托管等测压仪器，对系统相关位置的动压、静压进行了测定，计算了全压、风速和风量，并对下列各评价参数作了计算与比较：
①    百米漏风率 （%）
   
   —风机供风量，m3/min；
   —风筒末端风量=工作面风量，m3/min；
    —风筒长度，m。
②    工作面风量 （ ）
   
   —工作面风速，m/s；
   --巷道断面积，42.37m2；
测定结果见表2。
表2  管道通风测定结果
    位置
  项目    336m    596m    836m    1076m
通风机    风量（m3/min）    1000
    全压（Pa）    5000
掌子面环境    风速（m/s）    0.37    0.35    0.34    0.31
    风量（m3/min）    945    892    853    799
    CO浓度（mg/m3）    25    32    29    31
    NO2浓度（mg/m3）    3.3    4.4    4.2    5.1
    粉尘浓度（mg/m3）    1.6    1.8    1.7    1.8
百米漏风率（%）    1.6    1.8    1.8    1.9
测定结果表明各项指标达到预计指标：CO浓度小于30mg/m3, NO2小于5mg/m3，工作面风速大于0.15m/s。其中CO浓度有偏大的测量值，但经降阻、降污措施后调整在规定范围内。
四、防漏降阻技术措施
对于管道式通风，防漏降阻应是解决长距离通风的技术关键。要做到这一点，除了通风机械的合理匹配外，主要是靠风管的制造、安装和维护来加以保证。
1、防漏问题
风管的材质和接头方式是造成风管漏风的内在因素。因此，选择耐久性强、涂敷层密实的材料制作的风管和密封性能好的接头可适当减少漏风和降低风阻。经过调研，我们选取了隧道局生产的由PVC塑纤布和拉链式接头制作的风管，可较好地解决接头漏风。
除上述风管自身固有的内在因素外，还有因接头松动、风管破损等外在因素所造成的针眼漏风、接头漏风和破损漏风。因此，在管理上我们严格要求，定岗定人定责，定期检查，发现破损及时修补，使风管始终处于良好的工作状态，以有效地减少漏风。
2、降阻问题
通风系统管道阻力除了受风管制作材料表面的光洁度和接头平滑程度的影响外，风管直径的大小以及管道弯曲等导致的局部风阻增大也是重要因素。若采用直径较大的通风管道，如从1m增大到1.2m，同一风量的阻力损失可降低到前者的60%左右。因此在选择风管时，我们除了考虑风管的制作材料和接头方式外，还采用了直径较大（φ1.2m）的风管。
另外我们在风管的安装和维护上也下了功夫，这也是施工生产单位进行减漏降阻的主要着眼点。为此，我们成立了一支专门的通风技术班组，由他们负责风管的接长、检查、补漏和顺直等诸项管理工作，确保风管始终处于吊挂稳固、平顺畅通、接头严密和管径一致的良好状态，有效地减少了漏风和降低了通风阻力。
五、经济效益比较
如表3、表4显示，有轨运输施工时隧道每个洞口所需设备及投资额较无轨运输施工时要大得多（有轨运输施工时总投资额为316万元，
无轨运输施工时总投资为107万元）。

表3     有轨运输施工隧道每个洞口所需设备及投资额
                        
序号    工程机械名称    单位    数量    估价          （万元）    投资额         （万元）    备    注
1    立爪扒碴机(轨行式)    台    1    32    32   
2    梭式矿车（8m3）    台    4    25    100    　
3    电瓶牵引车（12t）    台    2    30    60    　
4    电瓶    组    6    2    12    　
5    充电机    台    2    2    4    　
6    变压站    处    1    5    5    　
7    运输轨道（p24轨）    km    1    30    30    平均按1km计，含钢轨、道岔、枕木和扣件等
8    场地临建                         套    1    25    25    含充电房、修理房、挡护工程、土石方工程、换装场1处等　
9    装碴机                                 台    1    30    30    有轨变无轨出碴使用　
10    自卸汽车    台    3    6    18    　
11    合    计    　    　    　    316    　
                        
    说明：本表只考虑有轨运输同无轨运输投入设备之间的不同之处，
          其它如空压机、喷射砼机械等相同设施在此表中均未列出。

表4  无轨运输施工隧道每个洞口所需设备及投资额
                        
序号    工程机械名称    单位    数量    估价          （万元）    投资额         （万元）    备    注
1    侧翻式装碴机    台    1    65    65   
2    88-1型轴流式风机    台    1    12    12    比有轨运输
增加一台
3    自卸汽车（5t）    台    5    6    30    　
4    合    计    　    　    　    107    　
                        
    说明：本表只考虑无轨运输与有轨运输投入设备的不同之处，其它
      如衬砌、喷射砼及三管两线等相同设施在此表中均未列出。
   
    当然，有轨运输施工仅排除炮烟，且短时间内可达到通风效果，从而加快了施工进度；而无轨运输施工时，除排除炮烟外，还需排除柴油机排出的废气，因此欲达到相同的通风效果需用较长的时间进行通风，从而对加快施工进度产生制约因素。若仅从投资额来讲，在工期控制方面不是有特殊要求的情况下无轨运输施工显然是经济的，更有其优越性的在于无拆铺轨道作业，可随掘进长度灵活增大通风量，不占用较大的施工场地。
六、结论
1、隧道施工采取何种通风方式应根据施工方法、坑道特点等实际情况而定。对于采用钻爆法、全或大断面、无轨运输出碴的中长隧道，汽车废气的污染发生在整个运输巷道上，因此宜采用压入式管道通风。
2、在选取通风系统时，可根据风量、风压计算，尽量采用高效大风量的风机和大直径、性能好的风管，以改善通风效果。
3、实现隧道的长距离通风，除合理匹配通风设备外，风管的选型、安装和维护的质量对通风效果有直接影响。因此，选择风管时要注意材质、接头方式和单节风管的长度以及管径大小；安装上要保持平、直、顺和接头牢靠，定期检查，发现风管破损时要及时修补或更换。
4、要搞好隧道施工通风，还应加强通风管理和综合防治工作，（1）严格遵守湿式凿岩和喷射砼工艺；（2）使用低污染燃油，如使用燃油添加剂可有效降低污染，从而有效地净化施工环境；（3）定期测试通风系统风量、风速、风压，及时反馈，以改进和完善通风系统等等。
参考文献：
1、    王梦恕，宋廷坤，王潜主编•《工程机械施工手册》•中国铁道出版社•1992
2、    铁道部第二工程局主编•《隧道》•中国铁道出版社•1998
3、    唐经世，郭诚主编•《桥隧线工程机械》•中国铁道出版社•2002
4、    范天吉主编•《煤矿通风综合技术手册 》•吉林电子出版社•2003
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