隧道通风、散烟系统设计及动态管理
摘要：文章从大风垭口特长隧道的施工组织出发，论述了其在施工过程中通风、散烟系统的设计及运行期间的动态管理。前言
已云南元磨高速公路特长隧道为例，讨论隧道施工中通风、散烟系统布设、效果。该特长隧道采用上下行分离的双洞单向双车道设计，上、下行线分别为3373米和3344米；单洞总长6727m.上下行线隧道两端中线间距分别为52米和44米。隧道净宽9.75米，有效净高5m.为满足该隧道建筑界限和通风照明、交通监控、通讯消防等设施需要，隧道设计净跨为10.9m，净高为7.2m的半圆拱曲墙断面。为满足灾害救援要求，上下行线间设置5个紧急停车带与相应5条行车横洞。隧道纵向呈中高两低的人字形布局，上、下行线最大埋深分别为309米和331米。该工程已经经云南省交通厅验收，工程质量优良，2003年12月28日通车。
1.施工方法和隧道通风要求
为确保隧道的施工进度和安全，两个施工单位从隧道两端同时对向掘进，掘进方法基本按上、下分布进行。特殊地质地段采用六步流水作业法或短台阶七步流水作业法。在下部施工时，为保证上部施工不受影响，采取左右交替施工的手段。掘进采用人工手风钻钻孔，适量装药爆破。上部出碴采用CAT966F轮式装载机和东风自卸车；下部出碴采用挖机和东风自卸车进行。初期支护采取湿喷机湿喷钢纤维混凝土；二衬边顶拱混凝土采用整体钢模浇筑。受上述施工方法、施工设备、爆破等综合因素的影响，随着施工的进行、洞身加深，隧道内的污染气不能及时排出，这样如果浓度逐渐积累，不仅对人体造成危害，而且还将影响安全、进度等。
按国家卫生标准规定，隧道施工期间，洞内空气质量：氧气单位体不得少于20%；气温不得高于30℃，有害气体浓度：CO一般情况不大于30mg/m3；CO2、甲烷（CH4）单位体不得大于0.5%；氮氧化物（NO2）在5～8 mg/m3，洞内人均每分钟必须供给不得少于3m3、内燃机每千瓦不得少于3m3的新鲜空气，洞内不得小于0.15m/s的风速等。
2.通风系统的技术方案
2.1系统布置方案一：压入风营供风施工横洞贯通以前，在自然通风不能满足施工要求时，此种方案的不利之处在于废气必须经全洞排出，而排气效果主要取决于风机的性能和洞内外气象环境因素的差异，经过运营试验总结：如果在选定风机的条件下，洞内气温高于洞外时，越有利于废气排出，所以在具体施工过程中我们建议应根据不同地区不同季节适时组织施工。
方案二：巷道式混合通风随着洞身的延伸，压入式供风的效果将越来越弱，如果按以往方案采取串连风机进行接力供风的措施，不仅要求重新投入一倍的风机，而且运营成本也必定成倍增长，供风效果也由于废气充满整条隧道而必然导致串连风机重新把一部份废气送进工作面而降低。
该方案由于采取在下行线横洞口架设了抽往上行线的风机措施，根据空气动力学原理，那么在上行线横洞口附近必然形成一个高压区，实践证明其阻碍了上行线洞内废气的排出效果，于是在具体实践中采取在上行线行右增加5.5kw的小型抽风机进行调节，终运行结果证明，该方案是可行的，效果很好。
抽风机安装位置的选择是洞内排风效果的关键，按流体力学原理，如果采取封堵上行线洞口并在此按装抽风机的方法，那么上、下行线内的气体也就自动形成一个形似连通器的空间流动体，更有利于空气的流动及污染空气的排出，但出于施工考虑，在方案上我们采取安装在紧急停车带入口的偏中上方的具体措施。此种方案的不利因素仍然在于一部份不能及时抽出的废气仍经隧洞排出。
根据空气动力学理论，气流所受到的阻力有风管或风道的摩擦阻力、改变风向的局部阻力以及可能发生的正面障碍物的阻力，根据大风垭口隧道风管式通风系统的布置，压入气流仅受到风管内摩擦阻力、局部阻力的影响；只在隧道自然排风的过程中受到二衬施工钢模的影响，但由于洞内空气流动的速度较低，通过正面阻力计算可知，采取在钢模处按装排气扇的方案完全得到解决。
H总阻=∑h摩+∑h局h摩=αLUQ2/S3式中：α为摩擦阻力系数，所用风管的摩擦阻力系数取0.0013；
L为风管长度，根据隧道可能安装的最长风管长度计算L取500米；
U为风管周长；
Q为风管流量；
S为风管的通风面积；
h局=0.612ζQ2/S2式中： ζ局部风阻系数，在此取最大可能的风阻系数0.175；其它符号同前。
从上式可知：h摩的大小与风管流量的平方成正比、与风管面积的立方成反比，h局的大小与风管流量的平方成正比、与风管面积的平方成反比，因此我们分别选取直径1米与1.2米的风管进行分析比较。
Q按最大供风量55080m3/h的供风计算，在直径1米的风管内的流量为19.5m/s；在直径1.2米的风管内的流量为13.5m/s；
S：直径1米风管的通风面积为0.785m2；直径1.2米风管的通风面积为1.131m2；
经计算：h摩（1米）=0.0013×500×3.14×19.52/0.7853=1260（Pa）
h摩（1.2米）=0.0013×500×3.14×1.2×13.52/1.1313=349（Pa）
h局（1米）=0.612×0.175×19.52/0.7852=66（Pa）
h局（1.2米）=0.612×0.175×13.52/1.1312=15（Pa）
所以根据洞内风管布置可能产生的风阻计算得；
H总阻（1米）=1260+66×2=1392（Pa）
H总阻（1.2米）=349+15×2=379（Pa）
2.3通风设备的选择
（1）风机的选择根据上述计算风量Q选取最大值55080m3/h，考虑风管的漏风影响若供风距离500米、风管直径1米则风管的漏风系数取1.1，Q供≥1.1×55080=60588m3/h，如果风管直径取1米则H压≥1.1×1392=1531（Pa）； 如果风管直径取1.2米则H压≥1.1×379=417（Pa）。经分析比较，选用TZ-100型隧道子午加速轴流风机，该风机性能为：风量63000m3/h、全压2400pa、电机功率55kw、机械噪声85dB（LA），优于相似性能的88-1型隧道对旋式轴流风机。
（2）风管的选择从上述计算过程可以看出：供风效果不仅只与风机有关，风管的漏风、风阻系数及其直径、材质等均是影响供风效果的关键因素。按照经济、高效的原则，经运行对比试验，选取直径1.2米的纤维橡胶风管较直径1米的风管的较经济合理而且供风效果良好。
3.系统运行管理
3.1机械选型上述计算及实践可知：影响洞内空气质量及通风效果的关键因素是施工机械内燃机产生的废气，其主要成份是CO、煤烟、铅、磷化物、硫化物等有害物质组成，严重危害施工人员的健康。根据对汽车尾气的研究，汽油车与柴油车的CO发生量，大型柴油车仅为汽油车的110 ∽ -1100 ，但它排出的其它有害气体却为汽油车的3倍以上，而且伴有浓烟。无论是CO还是烟尘、油烟都是对人体极其有害的物质，由于烟尘、油烟可以采取：使用质量较高的高标号燃油；汽车安装空气滤毒环保装置；改善洞内路面交通环境，维护路面平整；加强车辆维护与保养，严禁超载；严格车辆管理，坚决杜绝废旧车辆进入工地等有效措施。
综上所述，建议采用性能良好的柴油、液化气、电力等为能源动力的经济环保型车辆进行出碴。
3.2空气质量检测空气质量的适时监测，绘制空气质量与洞内施工情况和风机运行时间关系曲线，为通风设备的选择、系统的布置、施工组织及系统运行提供指导，减少系统运行的盲目性，降低系统运行成本。
3.3风机的安装、维护与保养。
物理学告状我们：同类物质由于受热胀冷缩的影响，温度低的物质密度大、浮力小；相反温度高的物质密度小、浮力大，对于空气也是如此热空气总是在冷空气的上部。洞废气基本上全是内燃机排放的热空气和炸药释放炮烟，所以在风机的安装位置上，根据风机作用：抽风机是以抽出废气为主，尽量按装在隧道的中上部；压风机以送入低温的新鲜空气为主，尽量安装在隧道的偏下部。但是必须保证风机风口不受阻塞且范围开阔。指定专业人员负责风机的维护与保养，从某种意义上讲不只是提高风机的运行效果，维持风机性能，延长风机的使用寿命，而且也间接降低了系统的运行成本。
3.4风管的安装、防护与检查。
风管的安装质量和防护措施直接影响洞内通风质量与通风成本，指定专人负责风管的安装、维护，在受施工影响较频繁的区段，风管的掉挂首先采取安装主引钢丝作为风管掉装的主索，风管采用安装活动挂钩掉于主引钢丝上，这样不仅方便该段风管的安装，而且可有效防止因受外力作用被损坏。在施工放炮时，采取首先关闭风机后放炮的防护措施；风管穿过二衬钢模台车的方法采取预先在钢模台车的合适位置安装固定金属风管的措施，从而有效防止了因钢模台车走对风管的影响。
3.5合理组织生产合理组织生产，尽可能避免上、下行线同时出碴增废气排出负担。
4.结束语
通过大风垭口特长隧道通风系统的运行结果，通风系统的设计不仅与施工措施有关，施工设备是影响空气质量的关键，空气质量的监测可减少系统设计、运行管理的盲目性；系统的后期维护也是提高系统的运行效果、降低系统运行成本的有效措施。
参考文献
1、黄成光，《公路隧道施工》，人民交通出版社，2001.8
2、王毅才，《隧道工程》，人民交通出版社，2000.8
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