隧道施工通風方式的選擇李永生(中鐵隧道集團有限公司科研所 洛陽 471009)摘 要：本文對隧道施工通風的方式進行了歸納總結，就如何針對不同的施工條件選擇相應的通風方式進行了介紹，并提出了一些發展建議。關鍵詞：隧道 施工通風 通風方式 選擇1 前言無論是在隧道施工開挖時，還是在并巷工程的巷道掘進中，為了稀釋和排出巖體涌出的有害氣體、爆破產生的炮煙和粉塵，保持良好的空氣條件，必須對開挖工作面進行通風，即向工作面送人新鮮風流，稀釋和排出污濁空氣。但是，如何才能充分利用現有條件，使通風效果達到最佳、成本降到最低呢?這就需要首先對通風方式進行合理的選擇。2 通風方式的分類與選擇通風方式按照通風的動力劃分，可分為自然通風和機械通風。2.1 自然通風在氣壓、溫度和自然風力等各種自然因素的作用下，使空氣獲得能量，并沿并巷流動的現象，稱為自然通風。而借助于自然因素產生的使空氣流動的能量，稱為自然風壓。在圖1所示的地下井巷中，進風口和出風口的標高差為Z1-2，此高差內空氣密度平均值為1-2；3至4段為最低標高的水平巷道；2至3段和4至5段的標高差分別為Z2-3和Z4-5，空氣密度平均值分別為2-3和p4-5。根據能量變化方程可知1至5點的阻力為：hr=d+12-52+(Z1-2+Z2-3-Z4-5)g2式中：hr通風阻力；d單位質量空氣靜壓；空氣密度；1進風口風速；5出風口風速；g重力加速度。上式中，因v1=0；Z1-2+Z2-3-Z4-5=0則有hr=d-52 （1）2因出風口處5點的單位質量速壓(52/2)為出口的能量損失，可計為通風總阻力的一部分，而可服通風總阻力所需要的能量即為自然風壓，則自然風壓為：hn=d （2）則單位體積空氣所產生的自然風壓為：hn=ad （3）式中：a空氣平均密度；當把井巷內空氣視為不可壓縮流體時，其靜壓與深度成正比，即d=dz，則(3)式可改寫為：式中：0大氣平均密度；由于溫度隨四季變化的地表空氣進入井下必與各種熱源進行熱交換，致使井下的空氣密度不斷發生變化，造成進回風兩列空氣柱的重力不平衡。因而產生能量差克服通風阻力，推動氣流沿井巷流動。產生的能量差就是自然風壓，其大小主要取決于進回風兩側空氣的溫度差和井巷深度，空氣溫度對其影響較小。溫差越犬、井巷越深，自然風壓越大。自然通風方式因受自然條件和施工方法的影響和限制很大，所以在隧道施工中很少應用，主要應用于礦山開采的井巷工程和部分短隧道的運營通風中。選擇此方式通風必須掌握氣候條件和自然風壓的變化規律，防止風流反向。此方式一旦得以應用對于節能是非常有利的。另外，有些極短的隧道開挖完全依靠空氣擴散來換氣通風，此方式換氣時間長，一般不宜采用。2.2 機械通風機械通風包括多種方式，一般根據隧道的長短、是否存在輔助坑道和自然地質條件來選擇不同的通風方式。2.2.1 管道式通風管道式通風考慮到漏風和風阻的變化影響，一般只適用于獨頭通風較短的隧道，可供選擇的方式有三種。即壓人式、抽出式和混合式。a 壓人式通風其布置如圖2所示，風機和啟動裝置安裝在距離隧道口30m以外的新鮮空氣處，風機把新鮮風流經風管壓送到開挖工作面，污風沿隧道排出。風管出風口距開挖工作面的距離根據理論分析和實踐證明可以用下式確定：lp=(45)S ，m (4)式中：lp風管出風口距開挖工作面距離；S隧道凈斷面積。此通風方式采用的是柔性風管，成本比較低，但其缺點是污風經整條隧道后排出洞外。一般無軌運輸施工的隧道多采用此通風方式。b抽出式通風其布置如圖3所示，風機和啟動裝置安設在距隧道口30m以外的下風向，新鮮風流沿隧道流入污風經風管由風機抽出。風管吸風口距開挖工作面的距離可用下式確定：le=1.5S ，m (5)式中：le風管吸風口距開挖工作面距離；S隧道凈斷面積。此通風方式將工作面的污風直接經風管抽出洞外，保證了整條隧道的空氣清潔，對保護人體健康有利，較適用于有軌運輸施工的隧道。但其缺點是采用剛性風管，并且在瓦斯隧道中需要配備防爆風機，成本比較高。另外，與抽出式相仿的使用柔性風管的通風方式還有壓出式，如圖4所示，但此方法在開挖時風機隨工作面的推進需不斷前移，并且放炮時飛石易擊壞通風設備，一般不宜采用。c混合式通風它是由壓人式和抽出式聯合工作，兼有二者的優點，具體的布置方式又分為長壓短抽方式和長抽短壓方式，而后者又分為前壓后抽式和前抽后壓式。 長壓短抽方式如圖5所示，以壓人式通風為主，靠近工作面一段用抽出式通風，抽出式通風要配備除塵裝置。一般用在開挖工作面粉塵特別多的工點，主要使用柔性風管，成本較低，但除塵器要經常隨風管移動，并且增大了通風阻力，除塵效果差時，未除掉的微塵和污風會使全巷道受到污染。在隧道施工中很少應用此通風方式。 前壓后抽方式如圖6所示，以抽出式通風為主，靠近工作面設一段壓人式通風。此通風方式可使整條隧道不受煙塵污染，但主要使用剛性風管，成本較高。此通風方式也較適用于有軌運輸施工的隧道。 前抽后壓方式如圖7所示，以抽出式通風為主，抽出風管口靠近工作面，巷道中設一段壓人式風管，其出風口在抽出風口后面。其優缺點與前壓后抽式相同，只是此通風方式一般在并巷工程中應用。在混合式通風中，壓人式風機的風量要比抽出式小，有時可用引射器代替；壓人式風管出風口距工作面的距離按(4)式計算；為避免污風循環，壓人式風機進風口距抽出式風管吸風口(或壓出式風機吸風口)的重合距離不得小于10m，并且盡量使排出的污風處于下風向。各種通風方式的風管口距工作面距離都較近，放炮時經常炸破風管，裝拆和維護風管很麻煩，目前還沒有很好的解決辦法。以上所介紹的通風方式可根據投入的資金和設備不同、通風所要達到的要求和地質條件(是否存在易燃、易爆、有毒、有害氣體等)的不同來進行合理選擇。2.2.2 巷道式通風巷道式通風主要是針對在長大隧道施工中開設有各種輔助坑道的情況，如平行導坑(簡稱平導)、斜井、豎井和鉆孔等。如果沒有輔助坑道，施工通風只能選擇前面所介紹的幾種管道式通風；如果設有輔助坑道，則施工通風就要針對不同的輔助坑道并根據施工方法和設備條件等選擇不同的通風方式。充分利用輔助坑道進行施工通風，將會大大縮短獨頭通風的距離，降低施工成本。a利用斜井、豎井或鉆孔進行施工通風如圖8和圖9所示，為軍都山隧道斜并施工通風示意圖。在圖8中采取混合斜井進風，抽出式通風，設有兩道風管分別通向兩個開挖工作面，風機和啟動裝置可設在井口之外。也可串聯在井底或隧道內的風管中間。混合斜井也可采用壓人式通風，但均以斜井內排除的污風不回流至隧道內為宜；圖9為主、副斜井通風布置，通風機均布置在主斜井并底，并且新鮮風流經主斜井壓人隧道工作面，主斜井井底還設有輔助風門，平時關閉，過往運輸時打開，工作面產生的污濁空氣由副斜井排出。為使隧道內空氣狀況更好些，此處也可應用到抽出式或混合式通風，將抽風機安設在副斜井內即可。豎井或鉆孔的通風布置與斜井基本相似，這里不再贅述。需要特別指出的是，當隧道與地面的高差較大或豎井(或斜井或鉆孔)井口與隧道口的標高差較大時，可以利用自然風壓通風，不用安設抽出式風機，如圖10所示。但由于自然風壓隨季節和地面氣候變化較大，此方式要慎重采用，多數情況下必須安設抽出式風機，且風量應大于壓人式風機的風量。b利用平行導坑進行施工通風正洞與平導開挖初期還沒有橫通道聯通時，其通風與管道式通風相同，均為獨頭通風。當開挖到一定長度，正洞與平導通過橫通道聯通時才能形成一個完整的通風系統，如圖11和圖12所示，為渝懷鐵路圓梁山隧道施工過程中的通風示意圖。在圖11中新風由平導流人，平導內產生的污濁空氣經3通由正洞排出。這里的通風系統采用了射流通風技術，在平導中2通與3通之間布置了兩臺射流風機，利用其射流、卷收和誘導作用使巷道中的氣流升壓，將工作面產生的污濁空氣壓人3通，再經正洞排出。0通是為方便運輸而開設的，為防止污風循環采用了小功率射流風機進行封堵。此通風方式中風機是隨著前面橫通道的貫通逐漸前移的，后面的橫通道可根據需要選擇射流風機、風墻、風帳或風門封堵，應盡量減小漏風、避免發生污風循環，為了有利通風和方便施工，一般風機都安設在平導內，即平導進風、正洞回風。此通風方式通過利用平導大大縮短了風管的長度，降低風阻和漏風率、保證充足的風量；其缺點是正洞長期處于污風之中。要改善這種狀況，可增加除塵裝置或將前面介紹的混合式通風（即抽、壓結合）應用于此，但成本會提高很多。圖12是在圖11的基礎上，當施工有所進展而形成的，其形式大同小異，不再贅述。另外，利用平導進行施工通風還有一種方式，是將平導洞口設一風門，在平導外側通過另設風道來安設大功率主扇，平導和橫通道內再通過安設局扇來向各工作面送風。如圖13為大瑤山隧道進口施工過程中的通風示意圖。此通風方式與前面介紹的圓梁山隧道施工通風有相似之處，只是其缺點除了正洞長期處于污風之中外，應用大功率主扇耗電量非常大，風門漏風和橫通道封閉不嚴使部分風流短路，浪費的能量過多。考慮到節能、降低成本和操作的方便性，此通風方式現已很少采用。3 結束語隨著隧道施工技術和井巷工程技術的不斷發展，其施工通風技術也在不斷提高，并向著綜合通風技