京张高铁正盘台隧道施工通风方案研究

王 闯,刘石磊,邵建霖,王 磊,于晨昀

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广州 511458)

引言

良好的作业环境是隧道施工的根本保证，也是隧道施工中以人为本理念的重要体现；要创造良好的作业环境，离不开隧道施工通风技术，隧道施工通风系统是否合理、通风效果是否理想是保障施工安全和施工人员身心健康的重要保证[1]。近年来，长大隧道数量急剧增加，施工通风在特长隧道的施工组织设计中变得更为关键[2]。通过对正盘台隧道的施工通风设计方案进行研究，为类似工程的施工通风方案设计提供借鉴。

1 工程概况

正盘台隧道进口全长12 974 m，最大埋深约635 m，进口左线内轨轨面高程1 047.522 m，出口左线内轨轨面高程为1 436.742 m。本隧道为单洞双线隧道，线间距为4.6 m。共设置4座辅助坑道，1号斜井长634 m，2号斜井长896 m，3号斜井长1 420 m，4号斜井长585 m。

正盘台隧道位于东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区。该地区海拔高度为813～2 174 m，最大高差为1 361 m，其地貌特征是“山连山，连绵不断，沟套沟，难以计数”。沿线昼夜温差较大，年平均气温为0～20 ℃。

由于前期征地困难，地质较勘察期间的判断恶化显著，地下水极为丰富，发生了数次大规模突涌等原因，工期严重滞后。为确保线路2019年年底开通，采用增加支洞、泄水洞、施工平导等措施来提高施工效率，降低突涌水淹没隧道的风险。为此，新增平行导坑5 180 m、泄水横洞1 100 m、各处支洞1 764 m，实现了“长隧短打”，形成了洞连洞、洞叠洞、洞穿洞的网络坑道格局，使掘进面由14个增加至38个，并实施全工序机械配套施工，形成了独具特色的9条完整标准化作业线，加快了施工进度。施工组织平面布置见图1。

图1 正盘台隧道施工组织平面布置

2 通风方式的确定

2.1 本工程坑道的设置情况

(1)1号斜井小里程方向设泄水横洞1 100 m；

(2)在正线左侧1号～3号斜井之间设贯通平导，长度5 180 m；

(3)3号斜井在XJ3DK0+690处设“Y”形支洞，小里程方向设3-1支洞(长度1 180 m)、3-3支洞(长度66 m)分别交正洞DK37+600、DK37+760。在XJ3DK0+663处大里程方向设3-2支洞，长度502 m，交正洞于DK38+500。

正盘台隧道辅助坑道设置情况详见表1。

(4)各斜井与隧道均采用斜交单联式联接，采用无轨运输双车道衬砌断面形式，斜井内车辆空间具体尺寸为6 m×4 m(宽×高)。斜井净宽7.5 m，斜井净高6.2 m。

(5)平导和泄水洞采用无轨运输双车道断面形式，平导和泄水洞净宽6.5 m，净高6.5 m。

(6)在横通道DK34+978及DK38+057附近分别设置1个通风竖井，解决斜井2及斜井3的新风来源问题。

2.2 通风方式的确定

隧道施工通风的基本方式主要有压入式通风、抽出式通风、混合式通风及巷道式通风[3-5]。

压入式通风:能较快的排除工作面的污浊空气，新鲜空气直接被送到工作面，采用柔性风管，且管路的延长比较容易，成本较低，拆装简单，但其缺点是污浊空气在排除过程中流经全洞。

表1 正盘台隧道辅助坑道设置情况

抽出式通风:能较快地将污浊空气直接经风管抽出洞外，保证整条隧道的空气清洁。但其缺点是采用刚性风管，不易延长，成本较高。

混合式通风:根据具体的布置方式又分为长压短抽和长抽短压的方式，长压短抽一般要配备除尘装置，但除尘器要经常随风管移动，隧道施工中很少采用；采用长抽短压时，污浊空气经隧道上部抽出洞外，新鲜空气经隧道下部进入隧道。此通风方式可使整条隧道不受烟尘污染。但其缺点是采用刚性风管，不易延长，成本较高，风机在隧道内易形成洞内噪声污染。

巷道式通风: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、斜井、竖井和钻孔等，新风由送风管路直接送至掌子面，污浊空气流向通风竖井，经竖井排出洞外。利用平行导坑等与正洞的联通道组成风流循环系统，充分利用辅助坑道进行施工通风，大大缩短独头通风的距离，降低施工成本。

正盘台隧道共分为6个工区，洞内无轨运输。

由于部分工区需要开设的工作面较多，竖井、辅助坑道等也较多，根据开挖进度和通风线路的长度，需将施工通风分为几个阶段，采取的通风形式也有区别，按工区划分，采用的通风方式如下[6-10]：

(1)进口工区，采用压入式通风；

(2)1号斜井工区，采用压入式通风；

(3)2号斜井工区，竖井贯通前，采用压入式通风；竖井贯通后，采用斜井立体巷道式通风[11-15]；

(4)3号斜井工区，Y形支洞分3个支洞共计6个正洞面和1个平导面施工，竖井贯通前，采用压入式通风；竖井贯通后，采用斜井立体巷道式通风；

(5)4号斜井工区，采用压入式通风；

(6)出口工区，采用压入式通风。

3 需风量的确定

隧道施工通风设计应进行风量计算，本隧道采用钻爆法施工，无轨运输，风量应分别按排除炮烟、洞内最大工作人数、稀释和排除内燃机械废气所需要的通风量计算，取其中的最大值作为隧道施工作业面的需风量，最后按最低风速进行验算。

本隧道进口左线内轨轨面高程1 047.522 m，出口左线内轨轨面高程为1 436.742 m，还应考虑海拔高度对通风阻力、风量、风压的影响。

根据相关公式计算得出：正洞均按内燃机械作业需风量为控制风量，开挖面需风量为1 939 m3/min；平导、泄水洞和斜井开挖面均按内燃机械作业需风量为控制风量，开挖面需风量为1 131 m3/min。

4 复杂工区通风方案研究

根据所需通风量、风管的漏风和摩擦系数，以及最大送风距离，计算出需要的风机出口风量和风压，选择备选风机，确定最终的风机工作点，满足各工作面需风量要求[16-18]。

4.1 1号斜井工区

1号斜井工区，施工通风共分为6个阶段，现重点对第三阶段的方案进行对比分析。第二阶段通风系统布置如图2所示，由于增加平导、泄水洞等，斜井内每台风机均负责3个工作面的施工通风，工作环境恶化，泄水洞贯通后，需要调整通风系统的布置，现提出以下3种第三阶段方案。

图2 1号斜井工区第二阶段通风系统布置

(1)方案1

泄水洞贯通后，采用射流巷道式通风，新风从泄水洞进入，由风机送至掌子面，污浊空气从斜井排出，由于内部通道较多，在斜井底部设置射流风机引流，加速污浊空气回流。受泄水洞上方空间所限，只能布置2根φ1.6 m、1根1.2 m的风管送风；安装2台2×AVH180(2×200 kW，叶片角度+60°)型风机，每台风机需要负责2个工作面的施工通风，另有一台SDF(p)-No16型风机送风。在风机出口处需要设置隔风板，通风系统布置示意如图3所示。

图3 1号斜井工区第三阶段通风系统布置(方案1)

优点：风机设置较少，通风管路较短，投资较少；泄水洞内无运渣车辆出入，空气较好。

缺点：1台风机负责2个工作面，各工作面风量不稳定，工作区环境一般；泄水洞一直有水，风机运行不安全，且不利于风机检修和电缆维护，且风机出口需设置隔风板，不利于排水。

(2)方案2

泄水洞贯通后，斜井口设置1台2×AVH180 (2×200 kW，叶片角度+60°)型风机、φ1.6 m的风管送风，1台SDF(p)-No16型风机、φ1.2 m的风管送风。在泄水洞口设置1台2×AVH180 (2×200 kW，叶片角度+60°)型风机、直径1.6 m的风管送风，2台SDF(p)-No16型风机、直径1.2 m 的风管送风，在斜井底部设置射流风机引流，加速污浊空气回流。通风系统布置示意如图4所示。

图4 1号斜井工区第三阶段通风系统布置(方案2)

优点：每个工作面均有1台单独的风机送风，各工作面风量稳定，风量稍多，工作区环境较好；风机使用寿命长，检修维护方便；泄水洞内无运渣车辆出入，空气较好。

缺点：风机设置较多，通风管路较长，投资稍多。

(3)方案3

相对于方案2，修改射流风机的设置位置，在泄水洞底部设置射流风机引流，加速污浊空气回流。通风系统布置示意如图5所示。

优点：每个工作面均有1台单独的风机送风，各工作面风量稳定，风量稍多，工作区环境较好；泄水洞无车辆进出，射流风机设置较容易；污浊空气由泄水洞排出，斜井内空气较好，泄水洞截面积相对斜井较大，利于排风。

缺点：泄水洞一直有水，风机运行不安全，且不利于风机检修和电缆维护；风机设置较多，通风管路较长，投资稍多。

图5 1号斜井工区第三阶段通风系统布置(方案3)

对比以上3种方案的优缺点，方案3中掌子面工作区及斜井内空气质量最好，但泄水洞内风机运行不安全，投资稍高；方案1投资最省，但工作区空气质量一般，且随着工作面的推进，风管加长后工作区环境将进一步恶化；方案2掌子面工作区内空气质量较好，风机运行安全，投资稍高。综合考虑，工作环境空气质量严重影响工作人员的身心健康，施工安全重于泰山，推荐采用方案2。

4.2 2号斜井工区

2号斜井工区，施工通风共分为6个阶段，现重点对第4阶段的方案进行对比分析。

第3阶段通风系统布置见图6，由于增加平导、横通道等，斜井内每台风机均负责2个工作面的施工通风，且需要继续增加横通道及工作面，工作环境将不断恶化，通风竖井贯通后，需要调整通风系统的布置，现提出以下两种第4阶段方案。

图6 2号斜井工区第三阶段通风系统布置

(1)方案1

通风竖井贯通后，采用射流巷道式通风，新风从2号斜井进入，由风机送至掌子面，污浊空气从竖井排出，由于内部通道较多，在2号横通道设置射流风机引流，加速污浊空气回流。受斜井上方空间所限，只能布置2根φ1.6 m的风管送风，在2号斜井外安装2台2×AVH180 (2×200 kW，叶片角度+60°)型风机，每台风机需要负责多个工作面的施工通风，通风系统布置示意见图7。

图7 2号斜井工区第四阶段通风系统布置(方案一)

优点：风机设置较少，投资稍低；斜井内空气较好。

缺点：1台风机负责多个工作面，各工作面风量不稳定，工作区环境较差；根据隧道施工组织平面布置可知，本工区负责的工作面较多、隧道长度较长，随着通风管路的加长，工作区环境会不断恶化。

(2)方案2

通风竖井贯通后，采用斜井立体巷道式通风。ZD2-1和ZD2-2正洞工作面维持上阶段原有的通风系统，改用2×AVH-160(2×200kW，叶片角度+60°)型风机；竖井内设置2台SDF(p)-No11.5型风机，匹配φ1.2、1.6 m风管为3个平导工作面送风，排风通过斜井排出，射流风机位置不变，通风系统布置示意见图8。

图8 2号斜井工区第四阶段通风系统布置(方案2)

优点：每个工作面尽量有1台单独的风机送风，后期随着PD2-2、PD2-3平导工作面的延长，分别用1台单独的风机送风，各工作面风量稳定，风量稍多，工作区环境较好。

缺点：风机设置较多，投资稍多。

对比以上两种方案的优缺点，方案1投资较省，但工作区空气质量较差，且随着工作面的推进，风管加长后工作区环境将进一步恶化；方案2掌子面工作区内空气质量较好，后期空气质量稳定，投资稍高。综合考虑，工作环境空气质量严重影响工作人员的身心健康，推荐采用方案2。

4.3 3号斜井工区

3号斜井工区，施工通风共分为5个阶段，新增平导、支洞、竖井后，施工通风方案也需调整，经研究对比后，最终采用系统布置示意见图9。

图9 3号斜井工区第五阶段通风系统布置

5 结论及建议

近年来，随着新建铁路长大隧道数量急剧增加，所在地水文地质条件愈发复杂，在有限的施工工期内，需要设置辅助坑道，增加施工工作面，不断调整施工组织方案。结合正盘台隧道施工通风方案研究及现场施工组织配合，结论及建议如下。

(1)各单位需根据现场的实际情况，协调施工通风系统，制定出合理的施工组织设计和通风方案。

(2)在施工组织调整时，需及时调整施工通风方案。

(3)斜井布置通风管路系统有限，在工作面较多时，需要合理利用现有辅助坑道或设置通风竖井等。

(4)通风方案设计时，重点在于为工作面提供良好的工作环境。

(5)在隧道及辅助坑道内有大量水存在时，还应重点考虑现场安全。