隧道施工通风方式的选择

隧道施工通风方式的选择李永生(中铁隧道集团有限公司科研所洛阳471009)摘要：本文对隧道施工通风的方式进行了归纳总结，就如何针对不同的施工条件选择相应的通风方式进行了介绍，并提出了一些发展建议。关键词：隧道施工通风通风方式选择1前言无论是在隧道施工开挖时，还是在并巷工程的巷道掘进中，为了稀释和排出岩体涌出的有害气体、爆破产生的炮烟和粉尘，保持良好的空气条件，必须对开挖工作面进行通风，即向工作面送人新鲜风流，稀释和排出污浊空气。但是，如何才能充分利用现有条件，使通风效果达到最佳、成本降到最低呢?这就需要首先对通风方式进行合理的选择。2通风方式的分类与选择通风方式按照通风的动力划分，可分为自然通风和机械通风。2.1自然通风在气压、温度和自然风力等各种自然因素的作用下，使空气获得能量，并沿并巷流动的现象，称为自然通风。而借助于自然因素产生的使空气流动的能量，称为自然风压。在图1所示的地下井巷中，进风口和出风口的标高差为Z1-2，此高差内空气密度平均值为ρ1-2；3至4段为最低标高的水平巷道；2至3段和4至5段的标高差分别为Z2-3和Z4-5，空气密度平均值分别为ρ2-3和p4-5。根据能量变化方程可知1至5点的阻力为：hr=dρ+υ12-υ52+(Z1-2+Z2-3-Z4-5)·gρ2式中：hr——通风阻力；dρ——单位质量空气静压；ρ——空气密度；υ1——进风口风速；υ5——出风口风速；g——重力加速度。上式中，因v1=0；Z1-2+Z2-3-Z4-5=0则有hr=dρ-υ52（1）ρ2因出风口处5点的单位质量速压(υ52/2)为出口的能量损失，可计为通风总阻力的一部分，而可服通风总阻力所需要的能量即为自然风压，则自然风压为：hn=dρ（2）ρ则单位体积空气所产生的自然风压为：hn=ρadρ（3）ρ式中：ρa——空气平均密度；当把井巷内空气视为不可压缩流体时，其静压与深度成正比，即dρ=ρ·dz，则(3)式可改写为：Z1-2Z2-3Z4-512345新鲜风污风（以下相同）图1自然通风示意图式中：ρ0——大气平均密度；由于温度随四季变化的地表空气进入井下必与各种热源进行热交换，致使井下的空气密度不断发生变化，造成进回风两列空气柱的重力不平衡。因而产生能量差克服通风阻力，推动气流沿井巷流动。产生的能量差就是自然风压，其大小主要取决于进回风两侧空气的温度差和井巷深度，空气温度对其影响较小。温差越犬、井巷越深，自然风压越大。自然通风方式因受自然条件和施工方法的影响和限制很大，所以在隧道施工中很少应用，主要应用于矿山开采的井巷工程和部分短隧道的运营通风中。选择此方式通风必须掌握气候条件和自然风压的变化规律，防止风流反向。此方式一旦得以应用对于节能是非常有利的。另外，有些极短的隧道开挖完全依靠空气扩散来换气通风，此方式换气时间长，一般不宜采用。2.2机械通风机械通风包括多种方式，一般根据隧道的长短、是否存在辅助坑道和自然地质条件来选择不同的通风方式。2.2.1管道式通风管道式通风考虑到漏风和风阻的变化影响，一般只适用于独头通风较短的隧道，可供选择的方式有三种。即压人式、抽出式和混合式。a压人式通风其布置如图2所示，风机和启动装置安装在距离隧道口30m以外的新鲜空气处，风机把新鲜风流经风管压送到开挖工作面，污风沿隧道排出。风管出风口距开挖工作面的距离根据理论分析和实践证明可以用下式确定：lp=(4～5)√S，m(4)式中：lp——风管出风口距开挖工作面距离；S——隧道净断面积。此通风方式采用的是柔性风管，成本比较低，但其缺点是污风经整条隧道后排出洞外。一般无轨运输施工的隧道多采用此通风方式。b．抽出式通风其布置如图3所示，风机和启动装置安设在距隧道口30m以外的下风向，新鲜风流沿隧道流入污风经风管由风机抽出。风管吸风口距开挖工作面的距离可用下式确定：le=1.5√S，m(5)式中：le——风管吸风口距开挖工作面距离；S——隧道净断面积。此通风方式将工作面的污风直接经风管抽出洞外，保证了整条隧道的空气清洁，对保护人体健康有利，较适用于有轨运输施工的隧道。但其缺点是采用刚性风管，并且在瓦斯隧道中需要配备防爆风机，成本比较高。另外，与抽出式相仿的使用柔性风管的通风方式还有压出式，如图4所示，但此方法在开挖时风机随工作面的推进需不断前移，并且放炮时飞石易击坏通风设备，一般不宜采用。c．混合式通风它是由压人式和抽出式联合工作，兼有二者的优点，具体的布置方式又分为长压短抽方式和长抽短压方式，而后者又分为前压后抽式和前抽后压式。①长压短抽方式如图5所示，以压人式通风为主，靠近工作面一段用抽出式通风，抽出式通风要配备除尘装置。一般用在开挖工作面粉尘特别多的工点，主要使用柔性风管，成本较低，但除尘器要经常随风管移动，并且增大了通风阻力，除尘效果差时，未除掉的微尘和污风会使全巷道受到污染。在隧道施工中很少应用此通风方式。风机柔性风管图2压入式通风示意图风机刚性风管图3抽出式通风示意图②前压后抽方式如图6所示，以抽出式通风为主，靠近工作面设一段压人式通风。此通风方式可使整条隧道不受烟尘污染，但主要使用刚性风管，成本较高。此通风方式也较适用于有轨运输施工的隧道。③前抽后压方式如图7所示，以抽出式通风为主，抽出风管口靠近工作面，巷道中设一段压人式风管，其出风口在抽出风口后面。其优缺点与前压后抽式相同，只是此通风方式一般在并巷工程中应用。在混合式通风中，压人式风机的风量要比抽出式小，有时可用引射器代替；压人式风管出风口距工作面的距离按(4)式计算；为避免污风循环，压人式风机进风口距抽出式风管吸风口(或压出式风机吸风口)的重合距离不得小于10m，并且尽量使排出的污风处于下风向。各种通风方式的风管口距工作面距离都较近，放炮时经常炸破风管，装拆和维护风管很麻烦，目前还没有很好的解决办法。以上所介绍的通风方式可根据投入的资金和设备不同、通风所要达到的要求和地质条件(是否存在易燃、易爆、有毒、有害气体等)的不同来进行合理选择。2.2.2巷道式通风巷道式通风主要是针对在长大隧道施工中开设有各种辅助坑道的情况，如平行导坑(简称平导)、斜井、竖井和钻孔等。如果没有辅助坑道，施工通风只能选择前面所介绍的几种管道式通风；如果设有辅助坑道，则施工通风就要针对不同的辅助坑道并根据施工方法和设备条件等选择不同的通风方式。充分利用辅助坑道进行施工通风，将会大大缩短独头通风的距离，降低施工成本。a．利用斜井、竖井或钻孔进行施工通风如图8和图9所示，为军都山隧道斜并施工通风示意图。在图8中采取混合斜井进风，抽出式通风，设有两道风管分别通向两个开挖工作面，风机和启动装置可设在井口之外。也可串联在井底或隧道内的风管中间。混合斜井也可采用压人式通风，但均以斜井内排除的污风不回流至隧道内为宜；图9为主、副斜井通风布置，通风机均布置在主斜井并底，并且新鲜风流经主斜井压人隧道工作面，主斜井井底还设有辅助风门，平时关闭，过往运输时打开，工作面产生的污浊空气由副斜井排出。为使隧道内空气状况更好些，此处也可应用到抽出式或混合式风机柔性风管图4压出式通风示意图风机柔性风管图5长压短抽式通风示意图图6前压后抽式通风示意图刚性风管风机柔性风管刚性风管风机图7前抽后压式通风示意图风机柔性风管刚性风管风机通风，将抽风机安设在副斜井内即可。竖井或钻孔的通风布置与斜井基本相似，这里不再赘述。需要特别指出的是，当隧道与地面的高差较大或竖井(或斜井或钻孔)井口与隧道口的标高差较大时，可以利用自然风压通风，不用安设抽出式风机，如图10所示。但由于自然风压随季节和地面气候变化较大，此方式要慎重采用，多数情况下必须安设抽出式风机，且风量应大于压人式风机的风量。b．利用平行导坑进行施工通风正洞与平导开挖初期还没有横通道联通时，其通风与管道式通风相同，均为独头通风。当开挖到一定长度，正洞与平导通过横通道联通时才能形成一个完整的通风系统，如图11和图12所示，为渝怀铁路圆梁山隧道施工过程中的通风示意图。在图11中新风由平导流人，平导内产生的污浊空气经3通由正洞排出。这里的通风系统采用了射流通风技术，在平导中2通与3通之间布置了两台射流风机，利用其射流、卷收和诱导作用使巷道中的气流升压，将工作面产生的污浊空气压人3通，再经正洞排出。0通是为方便运输而开设的，为防止污风循环采用了小功率射流风机进行封堵。此通风方式中风机是随着前面横通道的贯通逐渐前移的，后面的横通道可根据需要选择射流风机、风墙、风帐或风门封堵，应尽量减小漏风、避免发生污风循环，为了有利通风和方便施工，一般风机都安设在平导内，即平导进风、正洞回风。此通风方式通过利用平导大大缩短了风管的长度，降低风阻和漏风率、保证充足的风量；其缺点是正洞长期处于污风之中。要改善这种状况，可增加除尘装置或将前面介绍的混合式通风（即抽、压结合）应用于此，但成本会提高很多。图12是在图11的基础上，当施工有所进展而形成的，其形式大同小异，不再赘述。另外，利用平导进行施工通风还有一种方式，是将平导洞口设一风门，在平导外侧通过另设风道来安设大功率主扇，平导和横通道内再通过安设局扇来向各工作面送风。如图13为大瑶山隧道进口施工过程中的通风示意图。此通风方式与前面介绍的圆梁山隧道施工通风有相似之处，只是其缺点除了正洞长期处于污风之中外，应用大功率主扇耗电量非常大，风门漏风和横通道封闭不严使部分风流短路，浪费的能量过多。考虑到节能、降低成本和操作的方便性，此通风方式现已很少采用。3结束语随着隧道施工技术和井巷工程技术的不断发展，其施工通风技术也在不断提高，并向着综合通风技术的方向发展。近年来倡导兴建绿色工程，这对隧道地下工程又提出了更高的要求，环保和人体健康已经成为社会普遍关注的热点，所以强调施工通风技术的不断发展、完善是非常重要和必要的。通风技术的不断发展还呼吁相关技术的提高和完善，呼吁设备专业去进一步研究开发更好的通风设备和配套设施，使通风技术在理论上通俗易懂、在实际操作中简捷方便，并且能够合理使用和配备资源与设备，使隧道与地下工程出现更多的绿色环保工程。