第一篇：長大公路隧道通風(fēng)問題

我國長大公路隧道通風(fēng)中的幾個問題

夏永旭

（長安大學(xué)公路學(xué)院，710064）

摘要：論述了我國長大公路隧道通風(fēng)中目前存在的幾個技術(shù)問題，提出了解決這些問題的主要思路。關(guān)鍵詞：長大公路隧道，通風(fēng)，問題。

1.前言

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展和道路等級的逐漸提高，近年來，我國的公路隧道越修越多，越修越長。特別是我國西部山區(qū)的公路建設(shè)，將有許多長大或特長公路隧道要修建，正在施工的秦嶺終南山公路隧道，設(shè)計長度更是長達18.004km。在整個隧道的建設(shè)中，通風(fēng)方案的優(yōu)劣及通風(fēng)運營效果的好壞，將直接關(guān)系到隧道的工程造價、運營環(huán)境、救災(zāi)功能及運營效益。20多年來，國內(nèi)在公路隧道通風(fēng)方面積累了許多成功的經(jīng)驗，但也存在許多問題。隨著人們對公路隧道通風(fēng)理念的轉(zhuǎn)變[1]，特別是許多長大或特長公路隧道的建設(shè)和規(guī)劃，通風(fēng)已經(jīng)成為影響和制約長大公路隧道建設(shè)的關(guān)鍵。本文在總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，探討了我國目前長大公路隧道通風(fēng)中所存在的一些問題，提出了解決這些問題的基本思路。

2．長大公路隧道通風(fēng)中的幾個問題 2.1 汽車排污量的計算

公路隧道的通風(fēng)原理，是通過向隧道內(nèi)注入新鮮空氣，稀釋洞內(nèi)由汽車排出的廢氣(CO、NO2、HC)和煙霧，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙霧透過率，能保證司乘人員的身體健康和行車安全。然而，隧道內(nèi)的廢氣總量和煙霧濃度，與汽車的排污強度以及隧洞內(nèi)的車流密度成正比。

關(guān)于汽車的排污強度，我國已經(jīng)制定了一系列強制性的政策法規(guī)。但是，我們現(xiàn)在的排污限制標準，僅相當于歐洲的1號標準。新頒布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》[2]，所給出的各類汽車基本排放量也是1995年的測試結(jié)果。規(guī)范中雖然也給出了co年度折減系數(shù)為1％-2％，但是，汽車排污折減系數(shù)的取值不僅取決于汽車的發(fā)動機性能，而且與汽車燃油的質(zhì)量以及道路的坡度都有關(guān)。圖1是針對某隧道取co允許濃度為200ppm時不同折減系數(shù)的新風(fēng)量?？梢钥吹?，折減系數(shù)影響較大,因此在具體計算中究竟取多少很值得研究。而關(guān)于柴油車的煙霧排放，現(xiàn)行規(guī)范中根本沒有提及折減，但隨著汽車性能的逐漸改進，煙霧排放量也當然應(yīng)該折減。另外，當柴油車車速為80km/h或者70km/h，隧道縱坡大于1％或者大于2％時的煙霧車況系數(shù)fa(VI),也應(yīng)該予以研究，因為這兩種情況顯然是存在的。

圖1 不同折減系數(shù)時的新風(fēng)量3000 Q(m/s)3圖2 新風(fēng)需求量***12折減系數(shù)34Q(m/s)20255000050100***0350ppm2015

另一方面，隧道內(nèi)的車流密度和道路的交通量成正比，車流密度高，洞內(nèi)煙霧排放量大, 1

3而交通量一般又呈逐年增長趨勢，所以，如何處理汽車排污量逐年下降和交通量逐年增長二者之間的關(guān)系，是計算隧道排污量的關(guān)鍵，也是一個難題。但是，目前在許多工程的工可階段，出現(xiàn)了為提高公路的等級，人為擴大交通增長速率的現(xiàn)象，這勢必也加大了隧道的污染量，應(yīng)該引起注意。

2.2 長大公路隧道的衛(wèi)生標準及需風(fēng)量

有了隧道污染量，則隧道的衛(wèi)生標準和煙霧允許透過率直接決定隧道需風(fēng)量的大小。衛(wèi)生標準主要是指是co的允許濃度，計算時不僅要考慮汽車行駛速度，而且要考慮司乘人員在隧道中停留的時間。規(guī)范對于小于3.0km的隧道，給出co允許濃度為250ppm，堵塞時

-1為300ppm，煙霧允許透過率為0.0070m。又根據(jù)已有的研究，提出c=co×t=600ppm﹒min。但是，對于大于3.0km的特長公路隧道，co允許濃度究竟如何取，規(guī)范中沒有說明。所以，對于長大公路隧道的衛(wèi)生標準，必須深入細致研究。毫無疑問，衛(wèi)生標準高，隧道內(nèi)的環(huán)境好，但是通風(fēng)設(shè)備的投資肯定很大，而且將來的運營費用也會很高。因此，在確定衛(wèi)生標準時，應(yīng)當同時兼顧國家的環(huán)境衛(wèi)生法規(guī)和業(yè)主的承受能力。圖2給出了某特長公路隧道取不同衛(wèi)生標準時的新風(fēng)量需求曲線，從圖中可以看到，co允許濃度取200ppm和150ppm 相差 35.11％，這是一個相當大的數(shù)字。

隧道通風(fēng)需風(fēng)量的計算，除了要滿足正常交通外，還必須考慮阻塞情況和災(zāi)害情況。規(guī)范根據(jù)PIARC的建議，取阻塞工況車速10.0km/h,長度為1.0km，完全可以。但是，阻塞區(qū)外的車速肯定是距離阻塞中心越遠車速越高。然而，沿隧道長度車流如何分布，車速到底取多少；相鄰車道的車流、車速又如何，都需要認真研究。另外，由于長大公路隧道設(shè)有監(jiān)控中心，所以在計算需風(fēng)量時，20.0km/h工況是否還要考慮，值得商榷。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢可以預(yù)計，隨著汽車排污量的逐年降低，煙霧允許透過率將成為控制隧道風(fēng)量的決定因素，這在坡度較大隧道中業(yè)已得到驗證。

公路隧道的災(zāi)害主要是指火災(zāi)。盡管正常運營時的隧道風(fēng)速，肯定滿足防止火災(zāi)時煙霧回流的最低風(fēng)速要求，但是，在計算隧道需風(fēng)量時，必須認真詳細地研究隧道發(fā)生火災(zāi)時滅火排煙的需風(fēng)量以及逃生道和避難洞的風(fēng)量需求。

2.3 通風(fēng)方式的選擇及通風(fēng)方案的初選

公路隧道的機械通風(fēng)方式，一般分為全橫向、半橫向和縱向。上述三種通風(fēng)方案各有利弊。如全橫向和半橫向通風(fēng)，隧道內(nèi)的衛(wèi)生狀況和防火排煙效果好（全橫向最好）。但是，初期的土建費用、設(shè)備費用以及后期的通風(fēng)運營費用很大；縱向通風(fēng)土建工程量小，設(shè)備運營費用相對較低，且方式靈活多樣，但洞內(nèi)的環(huán)境狀況和防火排煙效果稍差。根據(jù)2000年底的統(tǒng)計，全世界已建3.0km以上的公路隧道400多座，20世紀80年代以前建成的多為全橫向式和半橫向式通風(fēng)，以瑞士、奧地利和意大利為代表。而20世紀80年代以后，關(guān)于公路隧道通風(fēng)方式基本分為兩大派。歐洲仍然以半橫向、全橫向居多，而亞洲以日本為代表，全為分段縱向。日本甚至認為，加靜電除塵器的分段縱向通方式,適合任何交通形式和任何長度的公路隧道。近幾年，歐洲各國的通風(fēng)理念也有所改變，雙洞單向交通，分段縱向通風(fēng)方式，逐漸成為主流。奧地利巴拉斯基隧道和陶恩隧道的二期工程就是典型的例子[4]。

國內(nèi)的通風(fēng)方式，也經(jīng)歷了由最初的全橫向、半橫向向分段縱向逐漸過渡的過程。如上海的打浦路隧道（2.761km）、延安東路隧道右洞（2.261km）采用的是全橫向。深圳的梧桐山隧道左線（2.238km）為半橫向。1989年建成的七道梁隧道（1.56km），在國內(nèi)首次采用全射流縱向通風(fēng)。而1995年建成的中梁山隧道（左洞3.165km，右洞3.103km）和縉云山隧道（左洞2.528km、右洞2.478km），變原來的橫向通風(fēng)方式為下坡隧道全射流縱向通風(fēng)，上坡隧道豎井分段縱向通風(fēng)，在國內(nèi)首次將縱向通風(fēng)技術(shù)運用于3.0km以上的公路隧道。隨后，鐵坪山隧道（2.801km）、延安東路隧道左洞（2.30km）、譚峪溝隧道（3.47km）、木魚槽隧道（3.61km）、梧桐山隧道右洞（2.27km）、大溪嶺隧道（4.1km）、二郎山隧道（4.61km），[3][2]

[2] 2 均采用了縱向或分段縱向通風(fēng)方式。

盡管分段縱向通風(fēng)方式，已經(jīng)成為大家普遍的共識，但也遇到了許多問題和挑戰(zhàn)。如分段的長度最大不能超過多少，國外4.0km的長度能否在國內(nèi)適用；對于地形險峻，埋深太大的特長隧道，如何解決中間段的通風(fēng)；火災(zāi)和救援逃生時風(fēng)機如何控制；靜電除塵器的技術(shù)和經(jīng)濟效果到底如何；怎樣減少通風(fēng)阻力；大角度長斜井和盲豎井的技術(shù)經(jīng)濟比較；地下風(fēng)機房和地面風(fēng)機房的優(yōu)缺點，等等。對于上述這些問題，雖然國外已有各種處理方法，但效果不一。隨著研究的深入和認識的不斷提高，有些問題已經(jīng)有了新的解決辦法。如采用隧道頂端的大直徑軸流風(fēng)機可以大大降低通風(fēng)阻力；火災(zāi)發(fā)生時的人員逃生可以事先通過[6]現(xiàn)場和數(shù)值模擬研究，制定出救災(zāi)預(yù)案。無法設(shè)置豎井的中間段可以設(shè)法采用混合通風(fēng)方式[7，8，9]。當然，國外的經(jīng)驗只能借鑒，決不能照搬。真正解決問題，還是要靠我們自己做扎實細致的研究工作。

在具體進行通風(fēng)方案的選擇時，可以分三個層次展開。首先是確定通風(fēng)方式，是采用橫向、半橫向，還是縱向、混合式；其次是在所確定的一種或者兩種通風(fēng)方式中，再進行多方案的比選，選取較好的2～3種；最后對所初選的通風(fēng)方案進行比較分析，給出推薦方案和比較方案，提供專家評審。然而，不管在哪一個階段，都必須從功能、技術(shù)、經(jīng)濟三方面考慮，逐步深入，認真研究，科學(xué)論證。

2.4 防火救災(zāi)時的通風(fēng)

公路隧道通風(fēng)方案的設(shè)計，除了要滿足交通運營通風(fēng)外，還必須詳細研究火災(zāi)發(fā)生時的通風(fēng)需求，即把正常運營通風(fēng)和火災(zāi)時的通風(fēng)看作是整個通風(fēng)系統(tǒng)的兩種重要的工況。由于隧道火災(zāi)的隨機性，通常很難提前預(yù)防。加之隧道環(huán)境封閉，滅火救災(zāi)困難，一旦發(fā)生火災(zāi)，損失巨大。1999年3、4月間，意大利勃朗峰隧道和奧地利陶恩隧道的先后發(fā)生大火，造成40多人死亡。2001年10月24日，瑞士圣哥達隧道又有兩輛大卡車碰撞引起大火，14人喪生?？梢钥隙ǖ卣f，防火救災(zāi)是目前公路隧道通風(fēng)的難點，而且是今后很長時間內(nèi)需要研究的課題。因而，在研究通風(fēng)方案時，對于隧道防火區(qū)段的劃分、橫通道的設(shè)置、橫通道的開啟與關(guān)閉、煙流排出的路徑與速度、逃生通道的空氣補給、避難洞的新風(fēng)需求、隔溫安全段的長度和降溫措施、排風(fēng)口的間隔和面積、火災(zāi)時的風(fēng)機控制、部分風(fēng)機損壞時的風(fēng)機調(diào)配等，都要逐一詳細研究。而在研究這些問題時，又必須和隧道的正常通風(fēng)以及安全等級、防災(zāi)救災(zāi)預(yù)案的制定綜合考慮，并在通風(fēng)方案的選擇階段和優(yōu)化階段，分層次進行。研究的方

[6]法可以通過物理實驗的方法和數(shù)值模擬的方法同時進行。2.5 通風(fēng)方案的優(yōu)化

優(yōu)化研究是對通風(fēng)方案深化和完善的重要過程。因為，除了在通風(fēng)方式的選擇和通風(fēng)方案的初選階段，許多問題根本無法解決外，一些隱藏的深層次的問題，只能是隨著研究的深入和設(shè)計的展開逐步顯現(xiàn)。國外對長大公路隧道的通風(fēng)研究歷來十分重視，如意大利的勃郎峰隧道，從最初的設(shè)計草圖到最后建成通車，歷時三十一年,通風(fēng)方案先后多次修改。今年又結(jié)合防災(zāi)救災(zāi)，對整個通風(fēng)系統(tǒng)進行大的改造。

通風(fēng)方案的優(yōu)化研究，可通過數(shù)值模擬和物理實驗兩種方法實現(xiàn)。數(shù)值模擬可首先根據(jù)一元流理論，研究不同防火區(qū)段劃分、不同斜（豎）井斷面、不同車流工況、不同風(fēng)機配置時，隧道內(nèi)的風(fēng)流方向、風(fēng)速變化、風(fēng)壓分布，給出該通風(fēng)方式的定性及定量描述。然后，再應(yīng)用CFD技術(shù)，進一步詳細研究上述相關(guān)問題以及細部結(jié)構(gòu)對通風(fēng)效果的影響，諸如斜（豎）井斷面、射流風(fēng)機效應(yīng)、分流和匯流局部損失系數(shù)、連通道和過渡端的阻力、軸流風(fēng)機進出口段最佳長度和角度、火災(zāi)時的煙霧分布規(guī)律、連通道在滅火排煙中的作用、兩洞口及送排風(fēng)塔相互影響、隧道污染物的擴散等。

物理實驗研究是借助物理模型，模擬所擬定的通風(fēng)方案在不同細部結(jié)構(gòu)、不同通風(fēng)工況、不同風(fēng)機配置時的通風(fēng)效果，觀測各個細部的流場分布，實測模型內(nèi)不同斷面的風(fēng)流、風(fēng)壓、[

6、11]

[10]

[5] 3 風(fēng)速；實測壁面阻力系數(shù)和不同細部損失系數(shù)、研究各個細部的最佳幾何形狀；觀測火災(zāi)發(fā)生時的煙流分布，風(fēng)機的排煙效果，確定軸流風(fēng)機和射流風(fēng)機的最佳配置；研究不同風(fēng)機參數(shù)（軸流風(fēng)機的葉片角度、進出口形狀、風(fēng)量控制方式；射流風(fēng)機類型）對風(fēng)場的影響等[6,12]。

數(shù)值模擬和物理模擬目前也最存在一些問題，如建立更符合實際的計算模型、瞬態(tài)非線性以及紊流的計算方法、非相似物理實驗?zāi)Ｐ汀⒆愠邔嶒灥?。但是無論怎樣，物理實驗是優(yōu)化研究的基礎(chǔ)，它不僅是對通風(fēng)方案的驗證，而且更為重要的是通過實測為數(shù)值模擬提供計算參數(shù)，修正和完善數(shù)值研究模型。因此，對于長大及特長公路隧道的通風(fēng)優(yōu)化，物理實驗是最重要的必須手段，也是最直接和最基礎(chǔ)性的工作，決不能流于形式和淪落為對通風(fēng)方式單純的驗正。2.6 通風(fēng)效果的檢測

通風(fēng)效果的檢測，是對竣工運營后的隧道通風(fēng)狀況進行實地檢測，內(nèi)容包括隧道內(nèi)的 CO濃度、NO2濃度、HC濃度、煙霧透過率、風(fēng)壓、風(fēng)速、噪音；隧道區(qū)域環(huán)境污染濃度、污染范圍；風(fēng)機性能、風(fēng)機功率、風(fēng)機組合功能、風(fēng)機控制效果甚至于檢測器件的靈敏度等。通風(fēng)效果檢測的最大困難在于設(shè)計交通工況的組織以及滅火排煙時效果的檢驗。但是，成功的通風(fēng)效果檢測，不僅僅是對通風(fēng)方案有一個實際的考察和評估，而且會為通風(fēng)控制方案的完善提供有用的幫助。所以，對于長大和特長公路隧道必須認真做好通風(fēng)效果的檢測工作。

3．結(jié)語

隧道通風(fēng)是長大公路隧道建設(shè)中必須認真研究和解決的重要問題，而防災(zāi)救災(zāi)的研究更是長遠的課題。無論是基礎(chǔ)理論還是研究的技術(shù)和手段，特別是實際經(jīng)驗，我們和國外都有很大的差距。所以，虛心學(xué)習(xí)國外的先進經(jīng)驗，加強公路隧道通風(fēng)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究，結(jié)合工程實際，開拓思路，努力工作，將是我國今后長大公路隧道通風(fēng)研究的長期任務(wù)。

參考文獻

1.夏永旭、戴國平.現(xiàn)代公路隧道的發(fā)展，2001’中國公路隧道學(xué)術(shù)交流論文集，2001.9 2.中華人民共和國行業(yè)標準：《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》，北京：人民交通出版社，2000.6 3.夏永旭、王永東、趙峰.雁門關(guān)公路隧道通風(fēng)技術(shù)研究報告，2001.6 4.夏永旭.歐洲四國隧道通風(fēng)考察報告，2000.5 5.John Day，Ian Sweetland.REDUCING PORTAL EMISSIONS FROM TUNNELS ECONOMICALLY, Ventilatoren Sirocco Howden，2001 6.楊冠雄.公路隧道營運時防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計分析，臺灣中山大學(xué)研究報告，2001.7 7.夏永旭.秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)方案討論，長安大學(xué)學(xué)報，2001.10,待發(fā)表 8.夏永旭、趙峰.縱向－半橫向混合通風(fēng)方式研究，長安大學(xué)學(xué)報，2001.10,待發(fā)表 9.夏永旭、趙峰.縱向－全橫向混合通風(fēng)方式研究，長安大學(xué)學(xué)報，2001.10,待發(fā)表 10.王永東、夏永旭：長大公路隧道縱向通風(fēng)數(shù)值模擬研究，中國公路學(xué)報，2002.1 11.王永東、夏永旭：公路隧道縱向通風(fēng)局部數(shù)值模擬研究，西安公路交通大學(xué)學(xué)報，Vol.21(2001).4 12.A D Martegani、G Pavesi.An experimental study on longitudinal ventilation system,CICC,1993

夏永旭，長安大學(xué)公路學(xué)院教授，電話：029－8498307（H）

地 址：西安市南二環(huán)中段長安大學(xué)330信箱，710064，E-mail:yongxuxia@263.net 4

第二篇：長大隧道最佳通風(fēng)方案

長大隧道最佳通風(fēng)方案

中鐵隧道集團一處

周正華

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和西部大開發(fā)力度的進一步加大，各項相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與此同時得到了迅猛發(fā)展；而在各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，作為公路建設(shè)和鐵路建設(shè)很重要的一部分的隧道施工作業(yè)中，長大隧道的通風(fēng)問題作為施工作業(yè)中很重要的一部分，通風(fēng)效果的好壞直接會影響到整個隧道施工的空氣質(zhì)量，進而影響到各個作業(yè)面施工人員的人體健康，而通風(fēng)方案的選擇是影響通風(fēng)效果好環(huán)的直接決定因素，在對具體通風(fēng)方案的選擇上，技術(shù)上存在的問題是長期以來需要攻克的的重點和難點，在長期的現(xiàn)場工作中經(jīng)過對實際運用中的各種方案的比較和技術(shù)上的論證，我認為采用以下方案可以使通風(fēng)效果達到最好，現(xiàn)將我的論證依據(jù)歸納如下：

一、存在的問題

從目前來看，現(xiàn)在大多數(shù)山嶺隧道施工主要是采用新奧法進行施工，其主要特點是根據(jù)隧道圍巖的變化，及時調(diào)整隧道施工工藝的一種動態(tài)施工管理方法，它主要是通過加強隧道開挖支護，使圍巖穩(wěn)定幾乎不再變化后，才進行砼襯砌施工（除在Ⅰ、Ⅱ類圍巖施工中，襯砌砼是要作為受力載體而進行砼施工外），根據(jù)這種施工工藝方法，在長大隧道施工中若沒有一個好的隧道通風(fēng)方案，必將存在著極大的施工質(zhì)量隱患和安全隱患，處理不好的話很容易造成安全質(zhì)量事故，同時還會加大動力機械設(shè)備的耗油量，造成內(nèi)燃機機械燃燒不充分，產(chǎn)生大量有毒的一氧化碳氣體，加大機械設(shè)備的磨損，降低機械設(shè)備的使用壽命。

這是因為若沒有解決好長大隧道通風(fēng)問題，必然導(dǎo)致在隧道施工中隧道中的空氣渾濁，尤其是隧道開挖掌子面空氣渾濁，光線不夠明亮，造成隧道開挖施工中開挖工人和工程技術(shù)人員無法準確掌握隧道掌子面圍巖的變化情況；一方面使我們的工程技術(shù)人員無法根據(jù)隧道圍巖變化而及時調(diào)整隧道開挖支護工藝，而導(dǎo)致隧道塌方質(zhì)量事故；另外一方面使我們的開挖工人在開挖施工中無法看清隧道頂部圍巖的松動情況，而導(dǎo)致隧道頂部巖石下落傷人的安全事故。

同時由于隧道中的空氣渾濁，使我們的隧道監(jiān)測人員無法對已開挖支護成型的隧道進行準確的量測，進而使我們無法掌握隧道已開挖成型部分的圍巖變化情況----甚至隧道可能已出現(xiàn)細微的裂縫，我們卻沒有掌握隧道業(yè)已變化的實際情況，造成沒有對出現(xiàn)裂縫段的隧道進行加強支護，導(dǎo)致隧道坍塌和人員傷亡的安全質(zhì)量事故。

另外如果隧道中的通風(fēng)不夠良好，空氣渾濁；將會導(dǎo)致我們在隧道施工當中不得不進行長時間的通風(fēng)，從而浪費大量的電力能源，使工程施工成本進一步加大；以單個隧道施工為例：起動一臺110KW通風(fēng)機，每小時耗電量為110KW，以一臺通風(fēng)機每天比最佳通風(fēng)方案至少多工作8時計算，一臺通風(fēng)機每天電力要多消耗880KW，按每度電0.5元計算,則每天要增加440元,每月消耗則至少增加13200.00元,則一年消耗要多增加16萬元左右,尤其在當今全國性電力普遍缺乏的情況下，電力供應(yīng)緊張與工程施工之間的需求矛盾進一步加大，又制約了工程施工進度,同時由于隧道通風(fēng)效果不夠理想,造成工程施工的人員工作效率降低,機械設(shè)備的磨損加大,機械設(shè)備的利用率降低,進一步加大工程施工成本。

二、長大隧道通風(fēng)問題的解決辦法

根據(jù)流體力學(xué)原理以及熱力學(xué)原理和我們的實踐經(jīng)驗相結(jié)合來談?wù)勎覍﹂L大隧道的通風(fēng)方案觀點以供大家參考： 根據(jù)隧道施工的實際情況，我們可將隧道通風(fēng)的過程看成是一個絕熱的過程，空氣在隧道中的流動是一種穩(wěn)定流動----也就是說流道（隧道）中任何位臵上流體速度及其它狀態(tài)參數(shù)都不隨時間而變化，且流入與流出系統(tǒng)的質(zhì)量是相等的；其方程式可表示為：

ΣEī=U1+p1V1+m1c12/2+m1gz1+Q，ΣEē=U2+p2V2+m2C22/2+m2gz2+Wsh

其中p1V1、p2V2----流體流入、流出系統(tǒng)的流動功，M1c12/

2、m2C22/2-----流體流入、流出系統(tǒng)的動能，M1gz1、m2gz2-------流體流入、流出系統(tǒng)的位能，Wsh------傳出系統(tǒng)的軸功；

在隧道通風(fēng)中我們可近似的將流體看成一個絕熱的過程，所以m1gz1、m2gz2看成相等；根據(jù)熱力學(xué)第一定律----系統(tǒng)中能量即不能增加也不能減少，只能以各種形式的能量進行轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換，故得出以下結(jié)論：U1+p1V1+m1c12/2+m1gz1+Q= U2+p2V2+m2C22/2+m2gz2+Wsh 22也就是p1V1+m1c1/2= p2V2+m2C2/2，V=CS, 其中 C為流體的速度,S為流體通過的隧C道撐子面c圖1橫截面積；根據(jù)動量守恒定律,我們可以近似的將隧道撐子面看成為一個等壓、等溫絕熱的過程----即P1=P2，22故PC1S1+m1c1/2= p C2S2+m2C2/2 ；且C1、C2方向相反，如圖1所示：

根據(jù)以上所訴，下面就長大隧道的通風(fēng)問題談?wù)勎业目捶ǎ?/p>

1、單線長大隧道通風(fēng)方案

根據(jù)單線長大隧道的施工特點，為了不影響其他工序的施工達到最佳通風(fēng)效果，我們將采用兩臺或兩臺以上的對旋式軸流風(fēng)機進行通風(fēng)；具體布局如下：1）在隧道洞口安裝一臺對旋式軸流風(fēng)機直接對隧道撐子面進行壓入新鮮空氣，同時在模板襯砌臺車前（靠近撐子面端）安裝一臺對旋式軸流風(fēng)機將隧道撐子面的放炮后的有毒空氣以及噴漿時產(chǎn)生的有毒空氣吸出隧道作業(yè)面；這樣可以避免許多隧道施工在模板襯砌臺車段很難排出有毒氣體的缺陷，達到加快隧道內(nèi)空氣流動，使隧道中的有毒氣體迅速排出隧道的目的。詳情見下圖2

形成渦流模板為襯砌臺車處 圖 2 在以往的單線長大隧道通風(fēng)效果不好的主要原因是隧道模板襯砌臺車處的通風(fēng)問題不好解決，這是因為在模板襯砌臺車段，模板襯砌臺車就類似一塊檔板，大大減小了風(fēng)量通過隧道的有效面積，如上圖所示：根據(jù)動量守恒定律：M1C1=M2C2+M3C3；以及熱力學(xué)原理，隧道內(nèi)的有毒氣體在模板襯砌臺車處（靠隧道撐子面一端）很易形成渦流，進而造成有毒氣體，排不出去，為了解決這一難題，我們在襯砌臺車前約10M處，安裝一臺對旋式軸流通風(fēng)機，將模板襯砌臺車處有毒氣體反吸出隧道，整條隧道的主要通風(fēng)方式如下圖3所示：

新鮮空氣軸流通風(fēng)機隧道開挖面有害氣體軸流通風(fēng)機圖3

2、雙線長大隧道通風(fēng)方案

依據(jù)隧道設(shè)計和施工的實際情況，例如隧道何處設(shè)有緊急停車帶，何處設(shè)有緊急通車道等，結(jié)合現(xiàn)有的實踐經(jīng)驗，我們對隧道通風(fēng)方案做了如下布局：

兩臺射流 通風(fēng)機123隧道1兩臺軸流通風(fēng)機橫 沖 道11橫 沖 道223隧道2隧道開挖撐子面雙線長大隧道通風(fēng)方案如上圖4所示，在隧道1洞口處安裝兩臺射流通風(fēng)機將洞外新鮮空氣壓入隧道中，若隧道開挖時，將兩臺對旋式軸流通風(fēng)機安裝在靠近開挖掌子面最近的一個橫沖通之間的所有橫沖通

1、橫沖通

2、……橫沖通n均進行封閉處理，不讓空氣相互流動，這樣整條隧道通風(fēng)就近似為下圖5所示：

引風(fēng)機兩臺射流 通風(fēng)機隧道1兩臺軸流通風(fēng)機圖4隧道開挖撐子 模板隧道2襯砌臺車處面

圖5 若隧道過長，則在兩臺射流通風(fēng)機及兩臺對旋式軸流通風(fēng)機間安裝一臺引風(fēng)機，以增加通風(fēng)效果，具體的空氣流動可分解為隧道撐子面一段，另外可分解為橫沖通一段，隧道撐子面一段在前文已有敘述，此處就不在重復(fù)，而隧道橫沖道一段空氣流動具體方式如下圖6：

隧道1隧道2開挖撐子面

圖6

根據(jù)動量守恒定律：m1v1+m2v2=m3v3，m3v3+m4v4=m5v5

而依據(jù)能量守恒定律：1/2m1v12+1/2m2v22=1/2m3v32，1/2m3v32+1/2m4v42=1/2m5v52 即m1v12+m2v22=m3v32，m3v32+m4v42=m5v52 所以此種通風(fēng)方式的最終結(jié)果為兩條隧道開挖撐子面到離撐子面最近一條橫沖道段的空氣都得到凈化，其中一條隧道如上所述的隧道1，其空氣一直保持新鮮干凈，而另外一條隧道如上所述的隧道2，其空氣一直較差，在長大隧道施工中，引風(fēng)機的位臵應(yīng)當常移動（往撐子面前移動），為了加大空氣的流動，提高空氣的質(zhì)量，我們可以在隧道2襯砌臺車，靠撐子面一端前約為10m處（類似單線長大隧道施工一樣）安裝一臺對旋式軸流通風(fēng)機，加大空氣流動，將有毒氣體迅速排出隧道2。

通過對以上方案各方面分析認證以及現(xiàn)場投入使用的效果來看，采用以上方案可以大大提高隧道中空氣的清潔度和隧道的通風(fēng)效果，達到將長大隧道中有毒氣體和混濁空氣迅速排出洞外的目的，是目前長大隧道施工作業(yè)中的一種最佳通風(fēng)方案。

參考文獻：

1、機械工業(yè)出版社出版的《氣壓傳動及控制》

2、機械工業(yè)出版社出版的《機械工程師手冊》

聯(lián)系地址：浙江省慈溪市掌起鎮(zhèn)長溪村中鐵隧道集團一處二公司

郵編：315313

第三篇：長大隧道獨頭通風(fēng)技術(shù)管理

摘 要：本文通過清涼山隧道通風(fēng)排煙的設(shè)計及實施，確定了清涼山隧道通風(fēng)排煙設(shè)計、設(shè)備選型、通風(fēng)管理及效果檢測，以此期望在隧道施工中應(yīng)重視通風(fēng)的管理工作，在機械化施工中，良好的通風(fēng)是安全生產(chǎn)的前提，也是工程進度和施工質(zhì)量的重要保證。

關(guān)鍵詞：長大隧道 軸流風(fēng)機 通風(fēng)管 效果檢測

1.概述

清涼山隧道位于秦嶺北麓低中山區(qū)陜西省戶縣境內(nèi)，隧道整體埋深較大，最大埋深970m，隧道經(jīng)過曲峪、潭峪、皂峪、栗峪等溝谷，均有常年流水，全長12553m，隧道為雙線隧道，為全線控制性工程。

2.隧道空氣主要污染源

（1）挖爆破的煙塵。

（2）碴、材料等無軌運輸車輛引起的粉塵。

（3）燃設(shè)備所排放的廢氣。

3.通風(fēng)的設(shè)計及計算

通風(fēng)方案設(shè)計就是通過對通風(fēng)方案和設(shè)備的選擇、實施，使長距離隧道施工洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境能夠滿足規(guī)范及衛(wèi)生標準中所述要求，改善洞內(nèi)的施工條件，從而達到提高工效和確保施工人員身心健康的目的。

3.1通風(fēng)量計算

清涼山隧道為單洞雙線、開挖斷面積較大、混合式送風(fēng)距離較遠、斜井坡度較大、采用無軌運輸、除爆破炮煙外內(nèi)燃機械作業(yè)和出碴機械作業(yè)產(chǎn)生大量煙塵。以上諸多因素要求施工通風(fēng)提供的風(fēng)量較大、克服的通風(fēng)阻力也較大。3.1.1設(shè)計參數(shù)

清涼山隧道進口負責(zé)施工正線長度3289m，通風(fēng)設(shè)計時按ⅲ級圍巖考慮。

掘進斷面積：s=115.37m2（一次開挖到仰拱填充面）；

一次爆破最大用藥量：240kg（ⅲ級圍巖循環(huán)進尺2m，臺階法施工，上下斷面同時開挖）；

洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)：開挖班12人，仰拱班14人，二襯班22人，管理人員、雜工班等10人，共計58人（按洞內(nèi)開挖、仰拱、二襯等三作業(yè)面同時施工考慮）；

爆破期間排煙時間：t=30～40min；

風(fēng)管：采用直徑為1.5m帆布管；

風(fēng)管百米漏風(fēng)率：β=1.3%；

按進口最大壓入通風(fēng)長度計：l=3289（m）；

3.1.2風(fēng)量計算

（1）排除炮煙需風(fēng)量按下式計算，如式1：

式1中：q1-工作面風(fēng)量，單位為：m3/min；t-通風(fēng)時間，取40min；a-同時爆破的炸藥量，上下臺階同時起爆，開挖取240kg；b-炸藥爆炸時的有害氣體生成量，40m3/kg；s-掘進斷面積，取115.37m3；l-臨界長度，當通風(fēng)段長度大于l時，用臨界長度代替，取3289m；k-淋水系數(shù)，考慮淋水使炮煙濃度降低的系數(shù)，取0.6；p-管道漏風(fēng)系數(shù)，p=1/（1-βl/100），β為百米漏風(fēng)率1.3%，l為通風(fēng)長度：進口通風(fēng)長度3289m，則p進口=1.747。

（2）洞內(nèi)最大工作人數(shù)需風(fēng)量按下式計算，如式2：

式2中：q2-工作面風(fēng)量，單位為：m3/min；q-每人需要的新鮮空氣標準（m3/min）；k-風(fēng)量備用系數(shù)，一般?。?.1-1.25），本次取1.2；m-同一時間洞內(nèi)工作最多人數(shù)，本次取58人；

（3）最低風(fēng)速要求需風(fēng)量計算，如式3：

式3中：q3-工作面風(fēng)量，單位為：m3/min；v-洞內(nèi)允許最小風(fēng)速（m3/ min），分部開挖法取0.25；s-掘進斷面積，取115.37m3。

（4）稀釋和排除內(nèi)燃機械廢氣需風(fēng)量計算，如式4：

q取最大值為q1=3643.4，風(fēng)機風(fēng)量q取3700。

3.1.3通風(fēng)風(fēng)壓計算

4.通風(fēng)設(shè)備選擇

5.施工通風(fēng)布置

施工初期：在隧道施工進洞100后，在清涼山隧道出口安裝一臺152ad-se132型軸流風(fēng)機和一道風(fēng)管路跟進掌子面持續(xù)送風(fēng)滿足環(huán)境要求。

施工中期：當出口工區(qū)開挖至 1950m左右，施工通風(fēng)在隧道出口1950m位置設(shè)置風(fēng)房安裝一臺軸流風(fēng)機均為152ad-se132型接力送風(fēng)至掌子面，在二次襯砌臺車和離隧道掌子面90m位置處各安裝一臺sds-6.3-2p-6-33射流風(fēng)機向洞外排風(fēng)，射流風(fēng)機隨著隧道進尺不斷移動，滿足第二階段隧道通風(fēng)排煙要求。

6.通風(fēng)管理

6.1施工通風(fēng)管理人員組織機構(gòu)

為加強項目部的通風(fēng)排煙管理要求，保證各項通風(fēng)管理制度工作的順利開展，貫徹落實通風(fēng)排煙工作的方針和目標，項目部成立以項目安全總監(jiān)為組長的通風(fēng)排煙領(lǐng)導(dǎo)小組。工區(qū)副經(jīng)理及架子隊為副組長，組建專業(yè)通風(fēng)排煙班組，通風(fēng)排煙班組負責(zé)風(fēng)機、風(fēng)管的安裝、管理及維修，嚴格按照通風(fēng)管理措施及操作實施細則落實。

6.2通風(fēng)管理制度

6.2.1通風(fēng)排煙系統(tǒng)檢查制度

（1）工區(qū)組織每3天對通風(fēng)系統(tǒng)進行檢查，架子隊長每天對通風(fēng)系統(tǒng)必須作例行檢查，通風(fēng)工必須做好日常巡查。

（2）通風(fēng)系統(tǒng)運行正常后，每10天進行一次全面檢風(fēng)，對掌子面和其他用風(fēng)地點根據(jù)需要隨時測風(fēng)，做好記錄。

（3）每7天在風(fēng)管進出口測量一次風(fēng)速、風(fēng)壓，并計算漏風(fēng)率，風(fēng)管百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于相關(guān)規(guī)范，對風(fēng)筒的漏風(fēng)情況必須及時修補。

（4）建立通風(fēng)系統(tǒng)運行管理檔案，檔案包括各種檢查記錄、調(diào)試記錄、測量記錄、維護記錄、運行記錄等。

6.2.2通風(fēng)管理交接班制度

必須實行通風(fēng)班組交接班制度，交接雙方簽字認可，對上一班存在的問題、隱患、需注意事項、儀器設(shè)備狀態(tài)等必須交接清楚，交接班記錄由架子隊長每天定時予以審核簽字。

7.通風(fēng)效果的檢測及評價

7.1清涼山隧道出口洞內(nèi)作業(yè)標準的管理

通風(fēng)系統(tǒng)按照設(shè)計審批方案安裝，通風(fēng)過程按照科學(xué)有序的制度管理，按照事事有流程，事事有責(zé)任人管理要求制定了一些列工作流程和考辦法，配置了先進實時監(jiān)測設(shè)備與風(fēng)機聯(lián)動保證洞內(nèi)含氧量、粉塵和溫度達到洞內(nèi)職業(yè)健康標準。

7.2通風(fēng)排煙效果檢測

2016年1月18日，清涼山隧道出口開累長度3200m位置，我部對隧道含氧量、粉塵、溫度進行了階段性數(shù)據(jù)統(tǒng)計，含氧量在通風(fēng)20min后滿足職業(yè)健康標準要求，比規(guī)范要求的30min為單循環(huán)作業(yè)減少10min，粉塵濃度最高值為1.8mg，略低于規(guī)范要求2mg/m3，溫度為25℃，低于規(guī)范要求標準。

8.結(jié)論

清涼山隧道出口已完成2900m施工任務(wù)，在長大隧道通風(fēng)排煙中，前期設(shè)計規(guī)劃是基礎(chǔ)，方案的執(zhí)行落實、調(diào)整是前提，嚴格管理制度和流程是關(guān)鍵，按照上述三要求完成隧道通風(fēng)管理，才能保證隧道內(nèi)通風(fēng)排煙滿足職業(yè)健康標準要求，才能保證隧道機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和人員健康，同時也縮短單循作業(yè)時間進而減少工期。

第四篇：長大隧道通風(fēng)與防塵作業(yè)指導(dǎo)書

長大隧道通風(fēng)與防塵作業(yè)指導(dǎo)書

一、隧道作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生及安全標準：

1、2、空氣中氧氣含量按體積計不得小于20%；

粉塵容許濃度每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2mg；

3、有害氣體最高容許濃度：

①、一氧化碳最高容許濃度為30mg/m3。②、二氧化碳按體積計不得大于0.5%。③、氮氧化物（換算成NO2）為5 mg/m3以下。④、瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?%。

4、隧道內(nèi)氣溫不得高于28℃。

5、隧道內(nèi)噪聲不得大于90dB。

6、隧道施工通風(fēng)的風(fēng)速：全段面施工開挖時不應(yīng)小于0.15m/s, 分部開挖時不應(yīng)小于0.25m/s；采用內(nèi)燃機械作業(yè)時供風(fēng)量不宜小于3m3/(min.kW)；

二、隧道施工通風(fēng)方法：

1、單一的壓入式或吸出式通風(fēng)，適用于中長、短隧道，一般情況下不超過1500m。

2、中長、長隧道可采用混合式通風(fēng)，以吸出式管路作為通風(fēng)的主管道，在開挖面附近設(shè)壓入式或局部通風(fēng)。

當隧道采用無軌運輸時，以壓入式通風(fēng)為主，或用吹、吸兩用式風(fēng)機；隧道設(shè)有輔助坑道時，可利用其作為通風(fēng)巷道。

根據(jù)以往的科研成果：

①、隧道獨頭掘進長度小于800m時可用1臺37kW或55kW的軸流通風(fēng)機，通風(fēng)管直徑宜為0.7~1.0m；

②、隧道長度在1500m左右時，可用1臺2*55kW的軸流通風(fēng)機或用2*37kW的變速多級通風(fēng)機，通風(fēng)管直徑宜為1.0m；

③、隧道長度在2000m以上時，可采用2*110kW的軸流通風(fēng)機，通風(fēng)管直徑宜為1.0~1.5m；

三、施工通風(fēng)：

根據(jù)以上標準和計算結(jié)果，經(jīng)比選我標段前期每個工區(qū)洞口分別配備1臺SDF（C）-11型通風(fēng)機（2×55KW，風(fēng)量1800m3/ min）即可滿足洞內(nèi)壓入式通風(fēng)要求，每個洞口設(shè)兩臺風(fēng)機，一臺工作，一臺備用。通風(fēng)筒選用φ1.5m柔性風(fēng)管，要求使用表面光滑摩阻小，經(jīng)緯密實，涂層均勻氣密性好的PVC增強布制做，聯(lián)接方式為氣密式拉鏈。

另外為加快洞內(nèi)混合氣體的排放速度，在襯砌成型段視需要安裝SSF－No.10型射流風(fēng)機輔助通風(fēng)。

在后期隧道長度在1500m以上時，采用一臺2*110kW的變頻軸流通風(fēng)機，斜井為兩個工作面時，采用兩臺2*110kW的變頻軸流通風(fēng)機，解決隧道洞內(nèi)通風(fēng)。

另外隧道設(shè)計資料顯示可能有瓦斯逸出，在隧道施工中，根據(jù)瓦斯的實際發(fā)生量對通風(fēng)量進行校核，在通風(fēng)量不足時進行施工通風(fēng)設(shè)計修正。

隧道通風(fēng)布置示意圖＞30mSDF(C)-No11型風(fēng)機φ1500風(fēng)筒SSF-No10射流型風(fēng)機

四、通風(fēng)管理

施工通風(fēng)很重要的一環(huán)是抓好管理，項目作業(yè)隊建立專門的通風(fēng)作業(yè)班，定崗定責(zé)，擬訂各個崗位的操作要求和考核標準，將通風(fēng)系統(tǒng)的管理分解到各個崗位，為提高通風(fēng)效果，要切實抓好管理這個主要環(huán)節(jié)，實行標準化作業(yè)。

1、風(fēng)機安裝標準

風(fēng)機安裝位置距洞口的距離不小于30m，以避免回風(fēng)污染。風(fēng)機支架穩(wěn)固結(jié)實，避免運轉(zhuǎn)時震動搖晃。風(fēng)機上方設(shè)防雨遮板。

風(fēng)機出口設(shè)置1.0m長的剛性風(fēng)管，并用高強度柔性風(fēng)管與PVC柔性風(fēng)管過渡。

風(fēng)機和風(fēng)管接口處法蘭間加密封墊,剛性風(fēng)管與柔性風(fēng)管結(jié)合處綁扎三道，以減少局部漏風(fēng)和阻力。

2、通風(fēng)管的安裝

通風(fēng)管的安裝應(yīng)平順，接頭嚴密，每100米通風(fēng)長度漏風(fēng)率不大于2%。

安裝時準確測出中線位置，以5米的間距安裝風(fēng)管懸掛錨桿。風(fēng)管吊掛要求每100米撓度不大于150mm，軸向偏差每100米不大于300mm。

風(fēng)管出口距工作面的距離保持在30m。

3、通風(fēng)機的使用

主風(fēng)機應(yīng)保持連續(xù)運轉(zhuǎn)，其養(yǎng)護維修可安排在節(jié)假日。如必須間歇時，每次不得超過30min。

4、通風(fēng)的日常管理

通風(fēng)機派專人值班，按規(guī)程要求操作風(fēng)機，如實填寫風(fēng)機運轉(zhuǎn)記錄。對風(fēng)機和風(fēng)管每月進行一次專項檢查，根據(jù)檢查結(jié)果，制定整改措施，不斷總結(jié)和改進隧道通風(fēng)。

5、對施工機械的排煙進行咨詢，采取過濾或其它改進措施，以減少機械的排煙污染。

總之，對隧道的通風(fēng)和防塵采取綜合治理的措施，使洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生及安全標準達標。

第五篇：瓦斯隧道運營通風(fēng)技術(shù)研究

瓦斯隧道運營通風(fēng)技術(shù)研究

王明年，鐘新樵，張開鑫，滕兆民

摘 要：

由于瓦斯隧道混凝土襯砌本體中的細小孔隙和“三縫”等缺陷的存在，建成后的瓦斯隧道必然受瓦斯侵襲，這對運營安全危害極大，為此，本文對瓦斯隧道運營通風(fēng)技術(shù)進行了認真研究，提出了經(jīng)濟、安全、有效的通風(fēng)方案，為未來瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 瓦斯隧道;運營通風(fēng);通風(fēng)設(shè)計

分類號： U4

51文獻標識碼： A

Study on Operation Ventilation Technology in Gas Tunnel

WANG Mingnian1，ZHONG Xiqiao1，ZHANG Kaixing2，TENG Zhaomin2

(1Dept.of Underground Eng.and Geotechnical Eng.,Southwest Jiaotong

University,Chengdu 610031,China；

2The Second Survey and Design Institute,Chengdu 610031,China)

Abstract: Because there are small openings and the “three cracks”in the

concrete lining of gas tunnel,the gas should intrude into the gas tunnel

built.This effect will endanger the transport safety.The authors study on

the operation ventilation technology in the gas tunnel and put forward an

economical,safety and effective ventilation plan,and therefore furnish a

theoretical basis for the gas tunnel ventilation design in the future.Keywords: gas tunnel;operation ventilation;ventilation design

0 前言

穿過煤層(或含瓦斯氣體地層)的隧道常常受到瓦斯的侵襲，因此，通常稱這類隧道為瓦斯隧道。瓦斯隧道在開挖時，瓦斯壓力被釋放，但建成后，瓦斯被隧道支護結(jié)構(gòu)所封閉，使原來已卸壓的瓦斯壓力又得以回升，這樣瓦斯在滲透壓力的作用下將向隧道內(nèi)滲透。瓦斯?jié)B入隧道后，對隧道的運營安全危害極大，它不但容易使人窒息，給司乘人員和維修人員帶來危險，而且在電氣和機械明火下容易發(fā)生爆炸，因此，“鐵路瓦斯隧道技術(shù)暫行規(guī)定”要求［1］：“瓦斯隧道運營期間，隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔坏么笥?.3%”。要達到這一控制指標，有兩種措施：一是減少瓦斯的滲入量；二是加強機械通風(fēng)。目前，減少瓦斯的滲入量有兩種方法：一是使用氣密性混凝土襯砌，二是增加襯砌厚度，而增加襯砌厚度就是增加投資，為此，使用氣密性混凝土襯砌將是投資所希望的。但即使使用了氣密性混凝土襯砌，也不能完全隔斷瓦斯的滲透，因此，瓦斯隧道必需設(shè)置機械通風(fēng)。本文結(jié)合家竹箐隧道，對瓦斯隧道的運營通風(fēng)技術(shù)進行了研究。家竹箐高瓦斯隧道情況

家竹箐隧道在南昆線南寧到紅果段，長4 980 m，其中瓦斯段長1 084 m(圖1)，占隧道總長的21.8%，現(xiàn)場實測瓦斯壓力0.2

MPa～1.34 MPa。瓦斯段隧道支護體系采用全封閉(帶仰拱)復(fù)合式襯砌，初期支護有0.04 m厚的噴射混凝土和0.15 m～0.20

m厚的模注混凝土組成；二次襯砌采用0.25 m～0.35 m厚模注混凝土，因此，家竹箐隧道總的模注混凝土襯砌厚度為0.40 m～0.55

m。為了封閉瓦斯，支護結(jié)構(gòu)材料選用摻有硅灰和粉煤灰的雙摻氣密性混凝土，并在二次模注混凝土與初期支護間設(shè)置了HDPE板，以減少瓦斯?jié)B漏。

圖1 家竹箐隧道概況

家竹箐隧道斷面積F=31.15 m2，斷面濕周S=21.51 m，斷面當量直徑d=5.79 m。隧道接縫寬度按每縫寬0.005

m計，每8m設(shè)一道橫向接縫，則瓦斯段內(nèi)接縫總的長度為0.685 m。

為了運營通風(fēng)，家竹箐隧道在距進口2 785 m處設(shè)有一個斜井(圖1)，斜井斷面形式為直墻圓拱型，長度為383.83

m，斷面積F=8.51 m2，斷面濕周S=11.27 m，斷面當量直徑d=3.02 m。

隧道內(nèi)運行列車長度LT=350

m，列車斷面積fT=12.6 m2，列車車速v上T=43.26 km/h(12.02 m/s),v下T=44.55 km/h(12.38 m/s)。家竹箐隧道瓦斯?jié)B入量確定

2.1 瓦斯?jié)B入量的計算方法

地層中的瓦斯主要通過襯砌本體的細微裂隙和“三縫”等缺陷滲入隧道內(nèi)。瓦斯?jié)B入量不僅與煤層(或地層)中瓦斯含量、壓差(即瓦斯壓力和隧道內(nèi)空氣壓力之差)有關(guān)，而且與襯砌材料、接縫材料的滲透性質(zhì)有關(guān)，同時也與隧道內(nèi)空氣的流動速度等因素有關(guān)。因此，對于瓦斯隧道，常用滲透系數(shù)法來確定瓦斯?jié)B入量［2］，即

qCH4=［kA(P21-P22)］105/(2hγP2)

(m3/s)(1)

式中，k為襯砌或接縫的滲透系數(shù)，由試驗測定(m/s)；P1為滲透壓力，封閉后地層內(nèi)的瓦斯壓力值(MPa)；P2為隧道內(nèi)空氣壓力(MPa)，因隧道內(nèi)氣流與外界大氣相通，故取P2=0.1 MPa；h為滲透厚度，取襯砌厚度(m)；γ為瓦斯的容重(kg/m3)；A為透氣面積(m2)，其值為

A=L1S(2)

其中，L1為隧道穿過瓦斯地層的長度(m)；S為隧道斷面周長(m)。

當隧道混凝土襯砌本體和接縫的滲透系數(shù)不相同時，要分別計算出襯砌本體和接縫的瓦斯?jié)B入量qCH4，而后相加作為該隧道瓦斯總的滲入量。

2.2 滲透系數(shù)k的確定

滲透系數(shù)k用壓氣法測定，實際各種材料的滲透系數(shù)可按表1選取。

表1 各種材料的滲透系數(shù)

材

料k體/m*s-1k縫/m*s-1

普通混凝土1.66×10-121.66×10-11

氣密性混凝土1.66×10-131.66×10-12

2.3 家竹箐隧道瓦斯?jié)B入量計算

對于家竹箐隧道，取P2=0.1 MPa,γ=0.716 kg/m3,h=0.40 m,k體和k縫按表1選取。襯砌本體的瓦斯?jié)B透總面積：A1=S×L=21.51×(1 084-0.685)=23 302.105 65(m2)

施工縫的瓦斯?jié)B透總面積：A2=S×b=21.51×0.685=14.734 35(m2)

由此得到當襯砌為氣密性混凝土?xí)r，瓦斯的滲入量 q=q1+q2=0.006 795 755 166(P21-0.01)(m3/s)（3)

當襯砌為普通混凝土?xí)r，瓦斯的滲入量

q=q1+q2=0.067 957 551 66(P21-0.01)(m3/s)(4)

由此可計算出在不同瓦斯?jié)B透壓力(P1)下滲入隧道的瓦斯量q，見表2。

表2 不同滲透壓力(P1)下的瓦斯?jié)B漏量

瓦斯壓力

P1/MPa氣密性混凝土瓦斯?jié)B漏總量

/m3*s-1普通混凝土瓦斯?jié)B漏總量

/m3*s-1

0.20.000 203 870.002 038 7

0.60.002 378 510.023 785 1

1.00.006 727 800.067 278 0

1.340.012 134 500.121 345 0

由表2可以看出，普通混凝土襯砌的瓦斯?jié)B入量是氣密性混凝土襯砌瓦斯?jié)B入量的10倍，所以氣密性混凝土襯砌對封閉瓦斯是非常有效的，為此，在家竹箐隧道的施工中采用了氣密性混凝土襯砌。同時可以看出，經(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內(nèi)仍有瓦斯?jié)B入，當瓦斯壓力為1.34 MPa時，瓦斯?jié)B漏量達0.012

50 m3/s，因此，為安全計，仍需機械通風(fēng)。家竹箐隧道瓦斯污染模型

3.1 瓦斯污染模型的建立

假設(shè)瓦斯?jié)舛妊厮淼朗且痪S分布，根據(jù)質(zhì)量守衡原理可得到瓦斯污染模型為［3］(5)

式中，C(x,t)為x位置在t時刻的瓦斯?jié)舛龋籿是隧道風(fēng)速；Dt綜合擴散系數(shù)，亦稱混合系數(shù)，Dt=D1+D2,D1為分子擴散和紊動擴散系數(shù)，與隧道內(nèi)風(fēng)速分布和濃度分布不均等因素有關(guān)，對于層流，D1僅為分子擴散系數(shù)Dm；D2為移流離散系數(shù)，一般情況下，D2D1Dm，故常忽略D1和Dm，以離散為主時取Dt=D2；q(x,t)是瓦斯源項，即單位時間單位體積里瓦斯的產(chǎn)生量，隨時間而變化。上式為一個變源項的對流-擴散方程，一般用數(shù)值方法求解，將隧道長度L離散成M個長度為Δx的小段，時間步長取Δt，采用逆風(fēng)隱式差分格式，將式（5)離散為

(Cn+1j-Cnj)/Δt+v(Cn+1j-Cn+1j-1)/Δx=Dt(Cn+1j+1-2Cn+1j+Cn+1j-1)/(Δx)2+qn+1j()

式中，上標n表示第n時間段，下標表示隧道的第j小段(j=1,M)，將式(6)整理成 ACn+1j-1+BCn+1j+ECn+1j+1=Sj(7)

式中，A=-(H1+H2);B=1+H1+2H2;E=-H2;Sj=Cnj+qn+1jΔt。

其中，H1=vΔt/Δx;H2=DtΔt/(Δx)2。

式(7)是一個三對角矩陣，可用追趕法求解。由于斜井左右段隧道的風(fēng)速不同(圖1)，因此，計算瓦斯?jié)舛纫謩e對左右段隧道進行，由于左右段隧道的瓦斯?jié)舛仁窍嚓P(guān)的，所以當氣流由左段向右段流動時，左右段的連接點可作為右段計算的瓦斯源點，同樣，當氣流由右段向左段流動時，左右段的連接點可作為左段計算的瓦斯源點，斜井內(nèi)瓦斯?jié)舛韧碛嬎?。對于隧道的進口和出口以及斜井的出口作為邊界點處理，這些點的瓦斯?jié)舛仁冀K為0。

3.2瓦斯源q(x,t)的確定

家竹箐隧道瓦斯壓力P1=1.34 MPa，隧道襯砌為氣密性混凝土，由表2可得瓦斯總滲入量

q=0.012 134 50 m3/s

由此可得瓦斯段任一點單位時間單位體積里瓦斯的產(chǎn)生量q(x,t)為

q(x,t)=q/(31.15×108 4)=3.593 639 868×10-7

m3/(m3.s)

3.3 單元劃分

家竹箐隧道單元劃分如下：斜井左段隧道取558個節(jié)點，右段取440個節(jié)點，斜井取78個節(jié)點，單元長度都為5 m。時間劃分為每1 s輸出一個結(jié)果。家竹箐隧道活塞風(fēng)速計算

家竹箐隧道和斜井組成一個三通系統(tǒng)，因此，斜井左右兩側(cè)隧道的活塞風(fēng)速應(yīng)按三通系統(tǒng)進行計算［4］。

取自然風(fēng)速為1.5 m/s，并按自然風(fēng)與列車運行方向相反、與列車運行方向相同、無自然風(fēng)三種情況分別計算列車活塞風(fēng)，同時考慮列車出洞后活塞風(fēng)的衰減，計算結(jié)果列于表3。

表3 列車活塞風(fēng)速計算結(jié)果

列車運行方向南寧→紅果南寧←紅果

列車運行區(qū)段A→CC→BA←CC←B

自然反風(fēng)AC段風(fēng)速5.273.59-5.23-3.82

vn=-1.5CB段風(fēng)速3.935.37-3.59-5.26

/m*s-1CD段風(fēng)速4.90-6.50-6.025.27

自然順風(fēng)AC段風(fēng)速5.594.07-5.46-4.06

vn=1.5CB段風(fēng)速4.175.63-4.10-5.60

/m*s-1CD段風(fēng)速5.29-5.70-5.015.61

無自然風(fēng)AC段風(fēng)速5.433.83-5.35-3.94

vn=0CB段風(fēng)速4.055.50-3.84-5.53

/m*s-1CD段風(fēng)速5.05-6.10-5.535.44 家竹箐隧道通風(fēng)計算

5.1 通風(fēng)工況

按自然風(fēng)方向與列車運行方向的最不利組合，計算了7種工況，即：第一種工況，有列車運行，自然風(fēng)由南寧→紅果，且vn=1.5 m/s；第二種工況，有列車運行，自然風(fēng)由南寧←紅果，且vn=1.5 m/s；第三種工況，有列車運行，自然風(fēng)始終與列車運行方向相反，且vn=1.5 m/s；第四種工況，有列車運行，無自然風(fēng)，vn=0 m/s；第五種工況，無列車運行，自然風(fēng)由南寧→紅果，且vn=1.5 m/s；第六種工況，無列車運行，自然風(fēng)由南寧←紅果，且vn=1.5 m/s；第七種工況，無列車運行，無自然風(fēng)，vn=0 m/s。

5.2 列車運行組織情況

本區(qū)段行車對數(shù)為：近期6對，遠期8.5對；所以列車運行間隔時間為：南寧→紅果方向列車出洞后300

s，南寧←紅果方向列車進洞，南寧←紅果方向列車出洞后300 s，南寧→紅果方向列車進洞，??，如此往復(fù)。

5.3 有列車運行時隧道內(nèi)瓦斯分布情況

有列車運行情況共計算了4種工況，計算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)始終與列車運行方向相反時最為不利，現(xiàn)以此為例進行分析。

此時列車受逆向自然風(fēng)作用，每對列車運行情況分為7個階段，第一階段，列車由南寧→紅果方向，列車在斜井左側(cè)運行，運行時間為232

s。第二階段，列車由南寧→紅果方向，列車在斜井右側(cè)運行，運行時間為183 s。第三階段，列車出洞，活塞風(fēng)速衰減，時間為300

s。第四階段，列車由南寧←紅果方向，列車在斜井右側(cè)運行，運行時間為177 s。第五階段，列車由南寧←紅果方向，列車在斜井左側(cè)運行，運行時間為225

s。第六階段，列車出洞，活塞風(fēng)速衰減，時間為401 s。第七階段，自然風(fēng)由南寧→紅果方向，時間為499 s。

每對列車按上述7個階段組合進行計算，共計算了57對，發(fā)現(xiàn)列車運行7對后，隧道內(nèi)瓦斯總量基本保持不變，每對列車各個階段的瓦斯?jié)舛确植记€基本保持不變，這說明，列車運行7對以后，隧道內(nèi)瓦斯的滲入總量與隧道洞口和斜井口排出的瓦斯總量相當，圖2給出了各個階段下瓦斯分布曲線。

由第一階段瓦斯分布曲線圖可以看出，因為列車由南寧→紅果方向運行，所以活塞風(fēng)速也是南寧→紅果方向，因此整個瓦斯分布曲線右移，由于斜井的存在，有一部分瓦斯從斜井排出，因而斜井左側(cè)的瓦斯?jié)舛雀哂谟覀?cè)瓦斯?jié)舛取Ｓ傻诙A段瓦斯分布曲線圖顯示，隨著時間的增加，斜井繼續(xù)排出瓦斯，斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u高于斜井左側(cè)的瓦斯?jié)舛?，斜井右?cè)瓦斯開始從隧道出口排出。由第三階段瓦斯分布曲線圖可以看出，隨著活塞風(fēng)速的衰減，斜井右側(cè)瓦斯繼續(xù)從隧道出口排出，且斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛热愿哂谧髠?cè)瓦斯?jié)舛取Ｖ链?，南寧→紅果方向運行的列車對隧道瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懹嬎憬Y(jié)束。

圖2 第三種工況各階段瓦斯分布曲線

由第四階段瓦斯分布曲線圖可以看出，由于活塞風(fēng)由南寧←紅果方向，所以隧道瓦斯?jié)舛确植记€開始左移，有一部分瓦斯從斜井排出，斜井左側(cè)由于瓦斯不斷滲入，瓦斯?jié)舛炔粩嘣黾?。由第五階段瓦斯分布曲線圖可見，斜井左側(cè)瓦斯開始從洞口排出，右側(cè)瓦斯仍有部分從斜井排出。

第六階段瓦斯分布曲線圖顯示，隨著活塞風(fēng)速的衰減，斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛冉抵?，斜井左側(cè)瓦斯大量從洞口排出。由第七階段瓦斯分布曲線圖可以看出，在自然風(fēng)作用下，隧道瓦斯?jié)舛确植记€開始右移。至此，一對列車運行結(jié)束。下一對列車通過隧道，隧道內(nèi)瓦斯變化又重復(fù)圖2過程。

由上述分析過程可以看出，隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸畲笾禌]有超過0.06?，與控制標準0.3%相差很多。前已述及，此工況為有列車運行情況的4種工況中最為不利工況。所以可得，在自然風(fēng)速為1.5

m/s，列車運行速度為v上T＞43.26 km/h,v下T＞44.55 km/h；列車運行組織為：南寧→紅果方向列車出洞后300

s，南寧←紅果方向列車進洞，南寧←紅果方向列車出洞后900 s，南寧→紅果方向列車進洞，家竹箐隧道不需要設(shè)計機械通風(fēng)。

5.4 無列車運行時隧道內(nèi)瓦斯分布情況

無列車運行時共計算了3種工況，計算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，無自然風(fēng)時最為不利。這種工況下，隧道內(nèi)瓦斯聚積最快，2個半小時，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葘⒊^0.3%，即超過控制指標(圖3)。

圖3 2小時30分鐘隧道內(nèi)瓦斯分布曲線圖4 第五種工況隧道內(nèi)瓦斯分布曲線圖5 第六種工況隧道內(nèi)瓦斯分布曲線

由此可以看出，在無自然風(fēng)，無列車運行時，家竹箐隧道需要機械通風(fēng)。

無列車運行時的另外2種工況計算結(jié)果見圖

4、圖5。

由圖

4、圖5可以看出，無列車運行，且自然風(fēng)vn=1.5 m/s，不需要機械通風(fēng)。

5.5 家竹箐隧道通風(fēng)情況

上述7種工況中，只有無自然風(fēng)，無列車運行時，需要機械通風(fēng)，現(xiàn)按此種工況進行通風(fēng)計算，假定無自然風(fēng)，無列車運行已有2小時30分鐘，計算通風(fēng)如下：

按斜井吸出式通風(fēng)，考慮瓦斯不聚積的最小風(fēng)速為1.5 m/s；按這一風(fēng)速配風(fēng)，風(fēng)機風(fēng)量為141

m3/s，此時，通風(fēng)10分鐘，15分鐘，20分鐘，25分鐘后，隧道內(nèi)瓦斯分布見圖6～圖9。

圖6 通風(fēng)10分鐘瓦斯分布曲線圖7 通風(fēng)15分鐘瓦斯分布曲線圖8 通風(fēng)20分鐘瓦斯分布曲線圖9 通風(fēng)25分鐘瓦斯分布曲線

由圖6～圖9可以看出，按斜井吸出式通風(fēng)，且風(fēng)機風(fēng)量為141 m3/s時，通風(fēng)25分鐘，可基本上將隧道內(nèi)全部瓦斯排出。結(jié)論

由以上分析可得出如下結(jié)論：

(1)

對于瓦斯隧道，普通混凝土襯砌的瓦斯?jié)B入量是氣密性混凝土襯砌瓦斯?jié)B入量的10倍，所以氣密性混凝土襯砌對封閉瓦斯是非常有效的，因此，建議在瓦斯隧道的施工中采用氣密性混凝土襯砌。

(2)經(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內(nèi)仍有瓦斯?jié)B入，因此，為安全計，仍需設(shè)計機械通風(fēng)。

(3)

家竹箐隧道，在列車運行速度為v上T＞43.26 km/h,v下T＞44.55 km/h；列車運行組織為：南寧→紅果方向列車出洞后300

s，南寧←紅果方向列車進洞，南寧←紅果方向列車出洞后900 s，南寧→紅果方向列車進洞，不需要機械通風(fēng)。即列車運行密度大時，不需要機械通風(fēng)。

(4)家竹箐隧道，無列車運行，但有自然風(fēng)，且vn＞1.5 m/s，不需要設(shè)計機械通風(fēng)。

(5)

家竹箐隧道，在無自然風(fēng)，無列車運行時最為不利，此時瓦斯積累最快。在2小時30分鐘時，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葘⒊^0.3%，即超過控制指標，因此，需要設(shè)計機械通風(fēng)。

(6)家竹箐隧道按斜井吸出式通風(fēng)，當風(fēng)機風(fēng)量為141

m3/s時，在無自然風(fēng)，無列車運行最不利工況下，通風(fēng)25分鐘，可基本上將隧道內(nèi)瓦斯全部排出。

(7)家竹箐隧道，在無自然風(fēng)，無列車運行時的最不利工況下，每隔2小時30分鐘，需通風(fēng)25分鐘。

基金項目：鐵道部重點科研項目資助(鐵科工科字N6)

作者簡介：王明年(1965—)，男，副教授，博士

作者單位：王明年，鐘新樵 西南交通大學(xué) 地下工程及巖土工程系，四川 成都 610031；

張開鑫，滕兆民 鐵道部第二勘測設(shè)計院，四川 成都 610031

參考文獻

［1］ 鐵道部鐵建函［1994］344號文.鐵路瓦斯隧道技術(shù)暫行規(guī)定［S］.北京，1994.［2］ 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1995.［3］ 周雪漪.計算水力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.［4］ 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路隧道運營通風(fēng)［M］.北京：中國鐵道出版社，1983.