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摘要隧道施工爆破产生的烟尘和无轨运输方式排出的大量油烟，使得设斜井工作面的长大隧道通风排烟困难。本文以贵广铁路斗篷山隧道斜井施工通风为例，进行通风设计，选用目前比较先进的通风设备和合适的通风管，并在施工过程中加强环境监测和通风管理，达到了较好的通风效果，找到了解决此难题的主要途径，可为以后类似的工程提供参考经验。
关键词：隧道施工，通风，施工技术
1引言
目前国内隧道施工，从施工效率和成本考虑，基本采用无轨运输方式。爆破产生的烟尘和挖装运设备产生的油烟等有害气体，对隧道内空气污染很大，为使洞内作业环境达到国家规定的劳动卫生标准，以确保作业人员的身心健康，加快施工进度，保证工期、施工质量和安全,必须加强隧道施工通风，排出污浊空气，使新鲜空气到达工作面。
2工程概况
新建贵广铁路斗篷山隧道长7369m，为Ⅰ级风险隧道，工期较紧，其进口段岩溶十分发育，且下穿在建厦蓉高速公路，其出口下穿运营中的贵新高速公路，施工风险较大，为减小施工风险对工期的压力，在隧道中部增设斜井，并兼作运营期间救援及疏散通道。斜井洞口位于正洞右侧，井身段与正洞平行50m，在DK106+460用半径150m的圆曲线与正洞相交，交角90°，长度为600m，综合坡度调整为8%（原设计斜井位置坡度为11.5%，坡度较陡，调整后的坡度有利于提高出渣效率），断面改成7m（宽）×6.5（高）m的双车道(原设计为单车道断面5×6m)。因此本隧采取三口（进、出口、斜井口）四个工作面组织施工，采用无轨运输方式。单口独头开挖施工长度最小距离1600m（斜井向出口方向开挖）,最大距离2750m（出口工区,见下图1），独头通风距离均超过1500m，且斜井断面较正洞断面小，排烟不畅，需进行通风设计。
3斗篷山隧道斜井通风设计
3.1根据通风效果选用通风方式
为隧道工作区域提供良好的施工环境，采用全断面开挖（根据围岩情况，采用全断面开挖的工况比例较大）时，工作段风速应大于0.15m/s。将洞内运输车辆的废气和爆破烟尘排出洞外，同时提供隧道内施工人员所必须的新鲜空气，宜优选单机单管压入式通风法。
3.2每个工作面所需的风量计算
3.2.1按同一时间内爆破的最大炸药量计算(全断面面积130m2,每循环开挖用药量为240kg)：
工作面风量：
3.2.2按最小风速计算：
工作面风量：
3.2.3按洞内最多人数（120人）计算：
工作面风量：
3.2.4按稀释和排除内燃机废气计算：
采用无轨运输，洞内内燃设备配量较多，废气排放量较大，供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下。洞内使用内燃机械的通风量由于内燃机的制造型号、结构、燃料、负荷、技术状况等因素的不同而有很大差别，一般按内燃机械额定功率规定的单位需风量计算。计算方法为内燃柴油机的功率总和乘以一个功率通风计算系数k值（2.8～3.0），考虑到不是每台内燃设备，也不是每台内燃设备始终都处于满负荷同时工作状态，如果都不加区别地乘以一个相同的k值，就可能使通风量超过实际，造成不必要的浪费，因而在计算时采用以下公式计算：
Q=
式中：——不同内燃设备工作时，内燃机利用系数；
——内燃设备功率通风计算系数，3.0m3/KW；
——各台内燃设备的额定功率KW。
考虑2台ZL50C（功率155KW, 利用系数0.5）,4台12m3自卸汽车出渣（功率206KW, 利用系数0.45）；
计算得：Q=3.0×（155×2×0.5+206×4×0.45）=1580（m3/min）
通过计算比较，每个工作面最大理论所需风量选用最大值1580 m3/min。
3.3实际所需风量
在管道通风中，漏风系数P值和风管型号选择、風管接头安装、通风管理等有十分严密的关系。P值的确定，因计算公式中不确定因素较多，很难反映实际情况。
根据以往类似的施工经验，选用合适的风管,并加强现场隧道通风管理，百米漏风率可以控制在1%~1.5%以内，因此取值1.0%。风管直径暂定为1.5m.
实际所需风量:Q需=1580+（1580×2060/100）×1.0%=1905（m3/min）。（2060m为斜井洞口到斜井正洞段掌子面最长距离, 也是工作面所需的最大通风量的距离）
3.4压入式通风系统风压H计算
整个通风系统要克服通风阻力并使风管末端风流有一定的动压，克服通风阻力完全取决于系统静压。故计算系统阻力即计算动压和静压之和作为系统提供的风压。
3.4.1动压计算
根据物理学原理，动压 =
式中：——动压（Pa）；
——空气密度（kg/m3）；
——末端管口风速（m/s），V===14.9m/s。
==Pa
3.4.2风管磨擦阻力h
风管磨擦阻力与风管摩阻系数、风管直径、管内平均流速等因素有关，比较准确的是分段计算风管的压力损失和漏风量。现粗略按照公式：h=计算如下：
式中：λ——管道摩阻系数，螺旋通风软管摩擦阻力较小，取0.015；
L——通风距离，按照最初方案斗篷山隧道斜井向进口方向掘进长度为1460m，斜井长度600m，斜井工区的最大通风距离为2060m。
d—— 风管直径，选取1.5m；
υ——管内平均流速，计算公式：υ= m/s= 所以h==
3.4.3局部阻力hf
根据经验，局部阻力hf为摩擦阻力的0.1倍，所以局部阻力hf=0.1h=0.1×3214=321 Pa。
3.4.4静压Hs
静压为摩擦阻力与局部阻力之和，所以Hs=h+hf=3214+321=3535(Pa)
3.4.5系统风压H
系统风压为动压与静压之和，所以H=Hd+Hs=129+3535=3664(Pa)
3.5通风机与通风管的选择
3.5.1通风机的选择
斗篷山隧道斜井通风选用双速高效隧道节能风机，就是通过改变电机极数和转速达到变风量送风的目的。在同一转速下，也可以只启动(出风端)一组叶片减少风量，风量大小的改变方法至少有四种：一组低档，两组低档，一组低档+一组高档，两组高档。可以通过风机上的按钮组合来实现。
双速高效技术多用于功率较大的风机中，目前产品有以下三种型号，见表1：
为满足风机最大风压大于系统风压 H=3664Pa，通风量大于Q供=1905 m3/min的通风要求，选用型号为SD-NO12.5的双速高效轴流通风机。
该机是一种隧道变极多速风机。采用镁铝合金叶片，具有动态性能好、噪音低、性能可靠等优点。可以按照隧道开挖初（进尺500m以内）、中（进尺500～1000m）、后(1000m以上)三个时期的需要，分别用不同的电机转速获得与掘进长度相适应的风量、风压的大小，以双级、单级和不同叶片角度的方式运转调节，从而实现一机多用、高效节能的目的，见图2。
3.5.2通风软管的选择与使用
以往隧道施工用通风软管,均采用直缝拼接,把一定幅宽的涂塑布拼接成圆周,此工艺曾广泛用于公路、铁路隧道施工通风，由于布料受力膨胀,风管中部鼓大，一节一节如“香肠”形状，阻力增加，风管直径超过1.3m时，更加明显。如果不改变工艺, 通风软管直径大于1.5m时，势必造成焊缝易裂。而螺纹焊接有偿良好的受力条件，这在钢制风管中早已使用，螺旋通风软管的研制成功，提高了同类软管的质量和使用寿命，平均百米漏风率可控制在1%以下,见图3。
对风管的压力可按下式计算：
式中：ξ—局部阻力系数；λi—风管内沿程磨擦阻力系数；Li—风管的长度；
di—风管直径；Vi—风管内风速；ρ—空气容重；1.16kg/m3
选用直径1.5m和1.8m，进行风管压力对比计算，见表2：
通过以上计算可以看出，当双速高效轴流通风机输出压力为50KPa，如果选用直径1.5m的通风管，其压力比1.8m通风管大了一倍以上,风机电流大,有可能烧电机，或者把风量憋得很小。而且根据现场经验，当通风机采用最大功率2×135KW运行时，极易拉裂风管，所以选用直径1.8m通风管才能满足要求。
螺旋风管安装时按以下要求进行：螺旋风管每节的采用高强度拉链连接，每节螺旋风管接头带有内、外翻边，每节螺旋风管的长度以拉链之间距离计算。螺旋风管吊环采用带孔的金属螺栓，间隔70-100cm，坚固而不会脱落，先在隧道壁（顶）用膨胀螺栓固定双股8＃铁线，拉紧安平后，将螺旋风管吊环用8＃铁线栓牢。
4斗篷山隧道斜井最终通风方案的确定
通过上述计算隧道内所需风量、风压是以隧道最大开挖长度决定，根据“安全、经济、技术可行”的原则，保证隧道内正常施工需风量，隧道不同开挖长度决定不同的风机功率：
4.1根据施工指南及经验，斜井井身段开挖支护和正洞开挖每个掌子面长度小于200m时，在斜井井口配置一台轴流风机（优先选用SD-NO12.5的双速高效轴流通风机），采用三通管分别向个方向供风，根据掌子面的风量需求，通过风机的档位组合来进行风量控制。
4.2正洞开挖每个掌子面长度大于200m，在斜井井口配置两台2×135KW的轴流风机。同时为了保证斜井中空气质量及能见度，在斜井与正洞交界处设置了一台55Kw的射流风机，接1m风管至斜井口外20m，并利用了斜井的“烟囱效应”，引导烟尘、废气等从斜井中排出。
4.3根据风管风阻及隧道断面等实际情况，2×135KW的轴流风机均选用直径为1.8m风管，向两个掘进方向分别通风。掘进长度之和为2460m，考虑斜井风管的磨损及备用更换，所需直径1.8螺旋通风管长度为：（2460+600×2）+50=3710m，根据以往的类似施工经验实际证明能够有效满足长大隧道供风需要。
4.4斗篷山隧道斜井施工通风风流方向，如图4所示。
通过长时间的实践和现场空气质量监测，掌子面的风速均可以达到0.15m/s以上, 每次在通风1h后，CO浓度控制在50mg/L以内，NOx浓度控制在8mg/L以内，基本满足了施工要求。为了进一步增加通风效果，可在掌子面附近增加局扇。
5结论
5.1通过通风设计，选择新型的通风机械和通风管，达到增强通风效果、提高隧道内空气质量的目标，也为提升工作效率、加快施工进度创造了条件。
5.2斜井向进、出口掘进时，因通风距离不一样，且采用了两套通风系统，还有进行优化的空间。在实际应用中采用风机的不同档位进行风量调节来实现，以达到节能的目的。
5.3加强洞内空气监测，从保护隧道内施工人员身心健康出發，以人为本，保证足够的通风时间，才能保持隧道内空气清新，为工程施工创造良好的工作环境。
参考文献：
[1]周文海；乌鞘岭特长隧道3号斜井多工作面施工通风设计[J]；铁道建筑技术;2004年Z1期；
[2]梁文灏，乌鞘岭特长铁路隧道施工通风方案研究，现代隧道技术；2004年4期；
[3]李骥良；锦屏水电站辅助洞施工通风设计[J]；现代隧道技术；2004年05期；
[4]《高速铁路隧道工程施工技术指南》，铁建设［2010］241号，中国铁道出版社，2011年；
[5]韩应明；长大铁路隧道施工通风技术研究；科技信息；2009年21期；
[6]魏兆雷；宜万铁路八字岭长大隧道施工通风技术应用研究；铁路标准设计，2010年第8期。
作者简介：尚友磊，32岁，毕业于北方交通大学，本科，工程师，主要从事铁路、公路等隧道的施工现场技术管理工作
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：隧道施工，通风，施工技术
1引言
目前国内隧道施工，从施工效率和成本考虑，基本采用无轨运输方式。爆破产生的烟尘和挖装运设备产生的油烟等有害气体，对隧道内空气污染很大，为使洞内作业环境达到国家规定的劳动卫生标准，以确保作业人员的身心健康，加快施工进度，保证工期、施工质量和安全,必须加强隧道施工通风，排出污浊空气，使新鲜空气到达工作面。
2工程概况
新建贵广铁路斗篷山隧道长7369m，为Ⅰ级风险隧道，工期较紧，其进口段岩溶十分发育，且下穿在建厦蓉高速公路，其出口下穿运营中的贵新高速公路，施工风险较大，为减小施工风险对工期的压力，在隧道中部增设斜井，并兼作运营期间救援及疏散通道。斜井洞口位于正洞右侧，井身段与正洞平行50m，在DK106+460用半径150m的圆曲线与正洞相交，交角90°，长度为600m，综合坡度调整为8%（原设计斜井位置坡度为11.5%，坡度较陡，调整后的坡度有利于提高出渣效率），断面改成7m（宽）×6.5（高）m的双车道(原设计为单车道断面5×6m)。因此本隧采取三口（进、出口、斜井口）四个工作面组织施工，采用无轨运输方式。单口独头开挖施工长度最小距离1600m（斜井向出口方向开挖）,最大距离2750m（出口工区,见下图1），独头通风距离均超过1500m，且斜井断面较正洞断面小，排烟不畅，需进行通风设计。
3斗篷山隧道斜井通风设计
3.1根据通风效果选用通风方式
为隧道工作区域提供良好的施工环境，采用全断面开挖（根据围岩情况，采用全断面开挖的工况比例较大）时，工作段风速应大于0.15m/s。将洞内运输车辆的废气和爆破烟尘排出洞外，同时提供隧道内施工人员所必须的新鲜空气，宜优选单机单管压入式通风法。
3.2每个工作面所需的风量计算
3.2.1按同一时间内爆破的最大炸药量计算(全断面面积130m2,每循环开挖用药量为240kg)：
工作面风量：
3.2.2按最小风速计算：
工作面风量：
3.2.3按洞内最多人数（120人）计算：
工作面风量：
3.2.4按稀释和排除内燃机废气计算：
采用无轨运输，洞内内燃设备配量较多，废气排放量较大，供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出，使有害气体降至允许浓度以下。洞内使用内燃机械的通风量由于内燃机的制造型号、结构、燃料、负荷、技术状况等因素的不同而有很大差别，一般按内燃机械额定功率规定的单位需风量计算。计算方法为内燃柴油机的功率总和乘以一个功率通风计算系数k值（2.8～3.0），考虑到不是每台内燃设备，也不是每台内燃设备始终都处于满负荷同时工作状态，如果都不加区别地乘以一个相同的k值，就可能使通风量超过实际，造成不必要的浪费，因而在计算时采用以下公式计算：
Q=
式中：——不同内燃设备工作时，内燃机利用系数；
——内燃设备功率通风计算系数，3.0m3/KW；
——各台内燃设备的额定功率KW。
考虑2台ZL50C（功率155KW, 利用系数0.5）,4台12m3自卸汽车出渣（功率206KW, 利用系数0.45）；
计算得：Q=3.0×（155×2×0.5+206×4×0.45）=1580（m3/min）
通过计算比较，每个工作面最大理论所需风量选用最大值1580 m3/min。
3.3实际所需风量
在管道通风中，漏风系数P值和风管型号选择、風管接头安装、通风管理等有十分严密的关系。P值的确定，因计算公式中不确定因素较多，很难反映实际情况。
根据以往类似的施工经验，选用合适的风管,并加强现场隧道通风管理，百米漏风率可以控制在1%~1.5%以内，因此取值1.0%。风管直径暂定为1.5m.
实际所需风量:Q需=1580+（1580×2060/100）×1.0%=1905（m3/min）。（2060m为斜井洞口到斜井正洞段掌子面最长距离, 也是工作面所需的最大通风量的距离）
3.4压入式通风系统风压H计算
整个通风系统要克服通风阻力并使风管末端风流有一定的动压，克服通风阻力完全取决于系统静压。故计算系统阻力即计算动压和静压之和作为系统提供的风压。
3.4.1动压计算
根据物理学原理，动压 =
式中：——动压（Pa）；
——空气密度（kg/m3）；
——末端管口风速（m/s），V===14.9m/s。
==Pa
3.4.2风管磨擦阻力h
风管磨擦阻力与风管摩阻系数、风管直径、管内平均流速等因素有关，比较准确的是分段计算风管的压力损失和漏风量。现粗略按照公式：h=计算如下：
式中：λ——管道摩阻系数，螺旋通风软管摩擦阻力较小，取0.015；
L——通风距离，按照最初方案斗篷山隧道斜井向进口方向掘进长度为1460m，斜井长度600m，斜井工区的最大通风距离为2060m。
d—— 风管直径，选取1.5m；
υ——管内平均流速，计算公式：υ= m/s= 所以h==
3.4.3局部阻力hf
根据经验，局部阻力hf为摩擦阻力的0.1倍，所以局部阻力hf=0.1h=0.1×3214=321 Pa。
3.4.4静压Hs
静压为摩擦阻力与局部阻力之和，所以Hs=h+hf=3214+321=3535(Pa)
3.4.5系统风压H
系统风压为动压与静压之和，所以H=Hd+Hs=129+3535=3664(Pa)
3.5通风机与通风管的选择
3.5.1通风机的选择
斗篷山隧道斜井通风选用双速高效隧道节能风机，就是通过改变电机极数和转速达到变风量送风的目的。在同一转速下，也可以只启动(出风端)一组叶片减少风量，风量大小的改变方法至少有四种：一组低档，两组低档，一组低档+一组高档，两组高档。可以通过风机上的按钮组合来实现。
双速高效技术多用于功率较大的风机中，目前产品有以下三种型号，见表1：
为满足风机最大风压大于系统风压 H=3664Pa，通风量大于Q供=1905 m3/min的通风要求，选用型号为SD-NO12.5的双速高效轴流通风机。
该机是一种隧道变极多速风机。采用镁铝合金叶片，具有动态性能好、噪音低、性能可靠等优点。可以按照隧道开挖初（进尺500m以内）、中（进尺500～1000m）、后(1000m以上)三个时期的需要，分别用不同的电机转速获得与掘进长度相适应的风量、风压的大小，以双级、单级和不同叶片角度的方式运转调节，从而实现一机多用、高效节能的目的，见图2。
3.5.2通风软管的选择与使用
以往隧道施工用通风软管,均采用直缝拼接,把一定幅宽的涂塑布拼接成圆周,此工艺曾广泛用于公路、铁路隧道施工通风，由于布料受力膨胀,风管中部鼓大，一节一节如“香肠”形状，阻力增加，风管直径超过1.3m时，更加明显。如果不改变工艺, 通风软管直径大于1.5m时，势必造成焊缝易裂。而螺纹焊接有偿良好的受力条件，这在钢制风管中早已使用，螺旋通风软管的研制成功，提高了同类软管的质量和使用寿命，平均百米漏风率可控制在1%以下,见图3。
对风管的压力可按下式计算：
式中：ξ—局部阻力系数；λi—风管内沿程磨擦阻力系数；Li—风管的长度；
di—风管直径；Vi—风管内风速；ρ—空气容重；1.16kg/m3
选用直径1.5m和1.8m，进行风管压力对比计算，见表2：
通过以上计算可以看出，当双速高效轴流通风机输出压力为50KPa，如果选用直径1.5m的通风管，其压力比1.8m通风管大了一倍以上,风机电流大,有可能烧电机，或者把风量憋得很小。而且根据现场经验，当通风机采用最大功率2×135KW运行时，极易拉裂风管，所以选用直径1.8m通风管才能满足要求。
螺旋风管安装时按以下要求进行：螺旋风管每节的采用高强度拉链连接，每节螺旋风管接头带有内、外翻边，每节螺旋风管的长度以拉链之间距离计算。螺旋风管吊环采用带孔的金属螺栓，间隔70-100cm，坚固而不会脱落，先在隧道壁（顶）用膨胀螺栓固定双股8＃铁线，拉紧安平后，将螺旋风管吊环用8＃铁线栓牢。
4斗篷山隧道斜井最终通风方案的确定
通过上述计算隧道内所需风量、风压是以隧道最大开挖长度决定，根据“安全、经济、技术可行”的原则，保证隧道内正常施工需风量，隧道不同开挖长度决定不同的风机功率：
4.1根据施工指南及经验，斜井井身段开挖支护和正洞开挖每个掌子面长度小于200m时，在斜井井口配置一台轴流风机（优先选用SD-NO12.5的双速高效轴流通风机），采用三通管分别向个方向供风，根据掌子面的风量需求，通过风机的档位组合来进行风量控制。
4.2正洞开挖每个掌子面长度大于200m，在斜井井口配置两台2×135KW的轴流风机。同时为了保证斜井中空气质量及能见度，在斜井与正洞交界处设置了一台55Kw的射流风机，接1m风管至斜井口外20m，并利用了斜井的“烟囱效应”，引导烟尘、废气等从斜井中排出。
4.3根据风管风阻及隧道断面等实际情况，2×135KW的轴流风机均选用直径为1.8m风管，向两个掘进方向分别通风。掘进长度之和为2460m，考虑斜井风管的磨损及备用更换，所需直径1.8螺旋通风管长度为：（2460+600×2）+50=3710m，根据以往的类似施工经验实际证明能够有效满足长大隧道供风需要。
4.4斗篷山隧道斜井施工通风风流方向，如图4所示。
通过长时间的实践和现场空气质量监测，掌子面的风速均可以达到0.15m/s以上, 每次在通风1h后，CO浓度控制在50mg/L以内，NOx浓度控制在8mg/L以内，基本满足了施工要求。为了进一步增加通风效果，可在掌子面附近增加局扇。
5结论
5.1通过通风设计，选择新型的通风机械和通风管，达到增强通风效果、提高隧道内空气质量的目标，也为提升工作效率、加快施工进度创造了条件。
5.2斜井向进、出口掘进时，因通风距离不一样，且采用了两套通风系统，还有进行优化的空间。在实际应用中采用风机的不同档位进行风量调节来实现，以达到节能的目的。
5.3加强洞内空气监测，从保护隧道内施工人员身心健康出發，以人为本，保证足够的通风时间，才能保持隧道内空气清新，为工程施工创造良好的工作环境。
参考文献：
[1]周文海；乌鞘岭特长隧道3号斜井多工作面施工通风设计[J]；铁道建筑技术;2004年Z1期；
[2]梁文灏，乌鞘岭特长铁路隧道施工通风方案研究，现代隧道技术；2004年4期；
[3]李骥良；锦屏水电站辅助洞施工通风设计[J]；现代隧道技术；2004年05期；
[4]《高速铁路隧道工程施工技术指南》，铁建设［2010］241号，中国铁道出版社，2011年；
[5]韩应明；长大铁路隧道施工通风技术研究；科技信息；2009年21期；
[6]魏兆雷；宜万铁路八字岭长大隧道施工通风技术应用研究；铁路标准设计，2010年第8期。
作者简介：尚友磊，32岁，毕业于北方交通大学，本科，工程师，主要从事铁路、公路等隧道的施工现场技术管理工作
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。