[摘要] 本文以锦屏二级水电站引水系统中引水隧洞洞群所采用的通风系统为例，详细阐述了隧洞施工通风系统设计流程及原则，以及通风方式的选择及通风风量的计算。对长大隧洞施工中合理布置通风系统留下了可贵的参考经验。
[关键字] 洞特长隧洞 施工通风 设计及应用
1. 工程概况
锦屏二级水电站引水系统采用4洞8机布置形式，引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。
东端1#、2#引水隧洞采用钻爆法和TBM法相结合的施工方案，其中1#引水隧洞主要采用TBM施工，2#引水隧洞主要采用钻爆法施工。引水隧洞标准断面见图1-1。
2. 施工通风设计流程及原则
2.1 施工通风设计流程
通风设计流程见图2-1通风设计流程图。
2.2 施工通风设计原则
从经济、维修方便的角度出发，选用国产先进节能通风设备。在满足通风效果的前提下，尽量减少风机的品种、型号。在净空允许的情况下，尽量采用大直径风管，减少能耗损失。通过适当增加一次性投入，减少通风系统的长期运行成本。
3. 施工方案及主要污染源
3.1 施工方案
本标段工程1#引水隧洞和2#引水隧洞长度分别为14144.291m、11929.086km。其中1#引水隧洞有1228.676m采用钻爆法施工，其余采用TBM施工，连续皮带输送；2#引水隧洞约6400m采用钻爆法掘进，液压钻孔台车钻孔，石渣通过横洞利用1#引水隧洞连续皮带机运输，其余采用TBM施工，连续皮带输送。其它辅助洞室采用钻爆法掘进，小型装载机配自卸车出渣。
3.2 主要污染源
主要污染源见表14-1。
4. 施工环境标准
洞内施工环境的要求包括：洞内空气中的有害气体浓度、粉尘和烟尘浓度、空气温度和湿度、风速、噪音等等，其主要标准如下。
4.1 有害气体
《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》(DL/T5099-1999)中规定的地下工程施工中有害气体允许浓度见表4-2。
CO容许浓度当作业时间在1h以内时，可放宽到50mg/m３，半小时以内可达100mg/m３，15～20min可达200mg/m３。在以上条件下反复作业时，两次作业时间应间隔2h以上。
4.2 粉尘
《工业企业设计卫生标准》(TJ36-79)中规定的与地下工程施工有关的粉尘允许浓度见表4-3。
4.3 空气温度和风速
洞内温度一般不应超过28℃，当空气温度和相对湿度一定时，提高风速可以提高散热效果。温度和风速之间的关系见表4-4。
洞内最低风速应不小于15m/min，最大风速应不超过240～360m/min。
4.4 风量
洞内风量要求：每人每分钟供应新鲜空气不少于3m３。
洞内使用柴油机械施工时，每马力每分钟供风3m３，并与同时工作人员所需的通风量相加；
洞内空气中的氧气含量不低于20%。
5. 通风方式和通风系统布置
5.1 通风方式
根据本投标人长大隧洞施工通风的经验，结合本工程现场实际情况及工程特点，引水隧洞施工期间通风分三阶段，两种通风方式：
第一阶段为1#、2#引水隧洞第一、二个横通道、通风通道贯通之前，1#、2#引水隧洞钻爆法施工阶段，各隧洞采用独立的压入式通风方式；
第二阶段为1#、2#引水隧洞第一、二个横通道、通风通道贯通之后，1#引水隧洞TBM掘进、2#引水隧洞钻爆法施工及1#引水隧洞已贯通，两洞之间横通道未封堵，2#引水隧洞TBM施工阶段，两座隧洞联合形成巷道式通风；第三阶段为两洞之间横通道已封堵，2#引水隧洞TBM施工阶段，2#引水隧洞采用独立的压入式通风方式。
5.2 通风系统布置
通风系统包括1#、2#引水隧洞钻爆段、TBM施工段，横通道及通风通道，组成平行巷道的循环通风和掘进工作面的管道通风两部分。在2#引水隧洞16+140.918处左侧与之成19°交角的方位开挖一条断面为4.5m×4.8m长约900m的通风通道，在洞内布置通风机将污浊空气抽出洞外。
第一阶段在东引1#施工支洞洞口布置通风机，检修交通廊道、通风道分别在各自洞口布置通风机；
第二阶段在横通道(每1500m设置一个)附近布置风机，每开挖一个横通道，风机向前移动一次，为避免污浊空气通过东引2#施工支洞向其它洞内扩散，在东引2#施工支洞至通风通道与2#引水隧洞交界点之间设两道风门，车辆通过时交替开启;
第三阶段在2#引水隧洞通风通道与东引2#施工支洞之间安装风机。具体通风系统布置详见附图5-1。
6. 通风计算及通风设备
6.1 设计参数
1#引水隧洞采用TBM施工，施工长度12916m， 2#引水隧洞前期采用钻爆法施工，独头掘进长度约6400m，两洞均采用皮带输送机出渣。按照施工组织设计安排推算，当1#引水隧洞贯通时， 2#引水隧洞钻爆工作面将施工6400m，预计TBM超前6500m。
1#、2#引水隧洞之间的横通道间距按1500m考虑。按进度安排和横通道间距计算，TBM工作面的最大管道通风长度为1#引水隧洞8000m、2#引水隧洞11400m， 2#引水隧洞钻爆工作面的最大管道长度为3000m。
施工期间通风主要为第二阶段为1#引水隧洞TBM掘进、2#引水隧洞钻爆法施工阶段，从经济、维修方便的角度出发，在满足通风效果的前提下，为了尽量减少风机的品种、型号，第一、三阶段利用第二阶段的风机及风管，以下对第二、三阶段通风进行计算。
(1)开挖面积：TBM施工St＝120.76m２，钻爆法施工Sz＝137m２。
(2)一次开挖长度：L＝4.0m；
(3)单位体积耗药量：1.5kg/m３；
(4)一次爆破用药量：G＝822kg；
(5)洞内最多作业人数：60人；
(6)爆破后通风排烟时间：T＜30min；
(7)隧道内平均风速不应低于15m/min。
6.2 通风计算
6.2.1 引水隧洞TBM施工 本标段TBM施工通风系统由TBM供货商提供，本投标人只负责设备安装及维护。按照TBM需要风速不低于0.3m/s，按0.4m/s考虑，TBM风机风量约为2898m３/min。
6.2.2#引水隧洞钻爆法施工
6.2.2.1 工作面风量
隧道内平均风速不应低于15m/min，则
Ql= V×A =15×147=2055m3/min
按排除炮烟计算风量，
式中，t——爆破后通风时间，单位min，取30min
G——一次爆破炸药用量，取822kg
A——开挖断面积，147m2
L0——炮烟抛掷长度，L0=15+ G/5=179.4m
Q=7.8/t×3 822×(137×179.4)2=2059
考虑高原修正系数0.856，工作面风量应按2405 m3/min计算。
6.2.2.2 风机F4的设计风量
(1)管道漏风系数 要求与F4风机配套的通风软管为引进的优质通风管道，平均百米漏风率0.5%，3000m管道的漏风系数
Pl=1/(1－P100×L/100)=1/(1－0.005×30)=1.2
(2)风机F4的设计风量
Qj=Pl×Q1=1.2×2405=2886m3/min，
(3)风机F4的设计全压
取与F4风机配套通风软管直径Φ2.4m，3000m管道风阻系数
Rl=6.5×α×L/D5=6.5×1.8×10-3×3000/2.45=0.44N·S2/m8
管道阻力损失
Hl= RlQj2/Pl=0.44×502/1.2=917Pa，
6.2.2.3 通风通道F5通风机
(1)通风机F5的风量应大于TBM通风风机F3及F4的风量之和。
(2)通风机的全压应克服总风流在隧道中的总阻力，总风流自东引1#施工支洞流入后，经东1#引水隧洞、横通道、2#引水隧洞、通风通道流出洞外，该流道各段的阻力系数为：
①东引1#施工支洞： 断面8.5×7=59.5m2，长576米，水利直径8.7米，洞壁摩阻系数按光面爆破计算取α=0.088,变断面进风口局部阻力系数§=0.95，60?转弯2处，取§弯=0.62×2=1.24 合计阻力损失
h支=(1+§e+λL/de)ρ/2×V2=(1+0.95+1.24+0.088×576/8.7)×1.027/2×2.352=25.6Pa
②1#引水隧洞：断面面积120.76m２，长13940m，水力直径de=14.4m,洞壁摩阻系数λ=0.038，按每1500m设一个横通道计算，共5个横通道，与主洞交叉岔口的局部阻力系数为§岔=5×0.36=1.8。风流在1#引水隧洞中的阻力损失：
h引1=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(1.8+0.038×13940/14.4)×1.027/2×1.162=31Pa
③2#引水隧洞：断面面积137m2，长11664m，水力直径de=13.2m,洞壁摩阻系数λ=0.088，10个横通道与主洞交叉岔口的局部阻力系数为§岔=10×0.36=3.6.风流在2#引水隧洞中的流动阻力损失：
h引2=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(3.6+0.088×11664/13.2)×1.027/2×1.022=43Pa
④横通洞：两端进出口变断面局部阻力§横=0.95×2=1.9，平均风速取V=2.3m/s，流动阻力损失：
h横=§e×ρ/2×V2=1.9×1.027/2×2.32=5 Pa
⑤通风通道：断面面积(4.5×4.8)20.25m2，长900m，水力直径5.0m,洞壁摩阻系数λ=0.088，两处60°弯的局部阻力系数§弯=0.95×2=1.9，平均风速6.9m/s。风流在通风通道中的流动阻力损失：
h通=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(1.9+0.088×900/5.0)×1.027/2×6.92=434Pa
⑥总流动阻力损失：
h= h支1+h引1+h引2+h横+h通=25.6+31+43+5+434=538.6pa
6.3 风管直径选择
为降低风管漏风率，提高通风效果，根据现场施工条件及工程特点，钻爆法段通风管采用引进的优质通风软管，风管直径选用Φ2.4m。
6.4 风机选型及配置
隧洞施工通风设备选型及配置见表6-1。本表中除考虑一般地段正常通风外，同时储备了一定的通风安全系数，确保顺利通过施工地段开挖、支护、衬砌施工，保证施工、隧洞结构及施工人员安全。
7. 刚性风管制作与设备安装
7.1 刚性风管制作 风管采用Φ＝2.4m引进的优质通风软管，由于风机口风压较大，风机后200m为镀锌铁皮硬管，以防风机启动时吹破软管，其余采用软管。硬管在现场加工制作。
7.2 设备安装 风机尽可能置于干燥处，如有漏水，要高雨棚对风机和配电柜进行保护。
风管转弯应设过渡段，转角应大于110°。
用架子车升降、吊装风管，吊具焊接在洞壁的砂浆锚杆上，按照5米间距埋设吊挂锚杆，并在杆上标出吊线位置，再将φ8mm的盘条吊挂线拉直拉紧焊接于锚杆上，将φ6mm的盘条弯成“V”形，跨于吊挂线上，两端分别挂于软风管两侧的吊环，要求φ6mm “V”形盘条长短一致。这样，就可保证风管安装达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减小通风阻力。
8. 通风监测
8.1 监测内容
(1)内燃机废气排放浓度及净化效果测试
内燃机怠速状态下；
内燃机空载运行加添加剂前后比较；
内燃机洞内运行加添加剂前后比较；
在内燃机废气排放口1.5～1.0m处测定烟黑度及CO排放量。
(2)洞内尘毒测试 爆破后10分钟、30分钟、60分钟，离掌子面不同距离处选点测粉尘浓度，CO浓度，NO和H2S浓度，喷锚作业时粉尘浓度和噪音；装运碴时，洞内烟度及CO浓度，NH3浓度。
(3)管道通风测试 管道的静压、动压、风速、风量和风机处噪音。
(4)其它指标测试 洞内外湿度、温度、气压及含氧量。
8.2 测试仪器 粉尘浓度测定根据GB5748－85《作业场所空气中粉尘测定方法》测定1.5m高处人员呼吸带的浓度，主要器材有粉尘采样器、0.0001g电子天平、箱形电炉、秒表、过氯乙烯纤维滤膜。有害气体测定在各检测点距地面1.5m高进行，采用气体检测仪进行。通风系统性能在风机气流稳定的直管段处测定风机的风量、风压、系统阻力、管内风速。
9. 通风管理
隧洞施工通风管理水平的高低，是影响通风质量的关键因素之一。因此，必须以“合理布局，优化匹配，防漏降阻，严格管理，确保效果”二十字方针，作为施工通风管理的指导原则，强化通风管理。
9.1 通风组织与相关管理制度 建立以岗位责任制和奖惩制为核心的通风管理制度和组建专业通风班组，通风班组全面负责风机、风管的安装、管理、检查和维修，严格按照通风管理规程及操作细则组织实施。项目部定期根据通风质量给通风班组兑现奖惩办法。施工产生的粉尘应进行综合治理，除采用常规的机械通风、湿式凿岩、放炮喷雾、出渣洒水、冲洗岩帮等措施外，还可以采取局部净化的方法，控制尘源所产生的粉尘扩散。
9.2 防漏降阻措施 以长代短。每段软风管的长度由以往的20～30m加长至50～100m，减少接头数量，并严格按操作规程执行，以减少漏风率。以大代小。在净空允许的条件下，尽量采用大直径软风管。以直取弯。掘进过程中，按照5米间距埋设吊挂锚杆，并在杆上标出吊线位置，再将φ8mm的盘条吊挂线拉直拉紧焊接于锚杆上，将φ6mm的盘条弯成“V”形，跨于吊挂线上，两端分别挂于软风管两侧的吊环，要求φ6mm “V”形盘条长短一致。这样，就可保证风管安装达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减小通风阻力。
软风管在储存、运输过程中要注意保护，避免造成人为损伤和机械损伤，从而减少漏风量。通风管线路的终点距工作面不应大于30m，必要时应在通风管上设置中间接力风机，以保证良好的排出污染空气。此外，加强风管的检修，检查内容包括悬挂是否完好、接头连接状况、风管有无破损等，对存在的问题及部位做好记录并及时处理。
望本文提供的通风技术能为以后建设的其他特长隧洞通风设计提供参考。（作者单位 中铁十八局集团有限公司隧道工程公司）
