隧道施工通风实例郑西线.docx
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隧道施工通风实例郑西线
郑（州）—西（安）客运专线
黄土隧道通风及防尘改进措施
阶段研究报告
石家庄铁道学院
二00七年三月
目录
1．前言
2．通风系统的设计原则、依据及基础资料
3．通风方式及总体方案
4．独头掘进500m压入式通风方案
5．独头掘进1000m压入式通风方案
6．独头掘进1500m压入式通风方案
7．独头掘进2300m压入式通风方案
8．张茅隧道1#斜井混合式通风方案
9．函谷关隧道2#斜井混合式通风方案
10.黄土隧道施工防尘降尘措施
1．前言
郑（州）—西（安）铁路客运专线全长454Km，其中隧道共38座，总长76703m。
隧道长度最短的山神庙隧道150m，最长的（张茅隧道）8460m。
根据施工组织设计的调查，独头掘进长度较短，没有增设斜井导坑的共28座，其中独头通风长度L＜500m以下的居多，有21座，独头通风长度500m＜L＜1000m的6座，达到2000m的另1座（金银山隧道）。
设有施工辅助斜井的10座，多数斜井长度不超过500m，仅有函谷关隧道1#斜井长589m，2#斜井长963m。
设有斜井的10座隧道，均通过斜井向进、出口正洞双向施工，多数单项施工长度不足1000m，正洞单向施工长度小于2000m。
在38座隧道中，黄土隧道占大多数。
由于采用双线设计方案，开挖断面大，一般为165m2左右。
开挖方式一般为非钻爆法的人工配合挖掘机开挖上弧导、CRD方法、短台阶法等，20t自卸汽车运碴，初期支护主要设备为混凝土搅拌车及湿式喷浆机等无轨运输施工模式。
本研究主要针对大断面黄土隧道无轨运输作业模式，提出有效改善作业环境的通风方案，开发与施工实际相适应的通风设备，研究现场防尘降尘等技术措施。
2．施工通风系统的设计原则、依据和基础资料
2.1系统设计原则
（1）施工通风系统布置应紧密结合施工方法，满足施工组织设计和计划进度的要求；
（2）贯彻“以人为本”的建设理论、保证安全、优化施工环境；
（3）施工通风系统应使正常施工条件下，隧道工作面的主要作业场地的劳动环境符合国家劳动卫生标准。
在最不利条件下作业面的主要劳动卫生条件基本达到国家标准，即CO含量低于30mg/m3，氮氧化合物（NOX）等低于5mg/m3，粉尘浓度低于2mg/m3，洞内平均温度不超过28℃；
（4）施工通风设计应尽可能降低通风技术难度，便于施工管理。
系统形式简约，不宜频繁移动和更换风机；
（5）尽可能减少控制风门，减少通风对施工运输的干扰；
（6）多工作面同时施工的通风系统中，在满足施工要求的前提下，最大洞深时可将排烟、运输等控制用风量的工序适当的错开，然后进行通风计算，确定合理的系统规模；通风设备的种类和数量应相对较少，并尽可能利用承包商已有设备；
（7）坚持节约投资、节约能源的设计原则；
（8）尽可能使用国产低噪声、高效率专用隧道风机，暂时国内不能生产的，也应该立足国内技术力量，自行研究开发。
2.2设计依据
（1）铁道部科技司项目合同；
（2）水利水电部标准DL/5099-1999；
（3）铁道部《标准铁路隧道施工规范》（JB204-86）；
（4）主洞特性参数表；
（5）支洞特性参数表；
（6）各隧道施工组织设计。
2.3基础资料
（1）工程海拔高度按平均海拔1000m以下计算，不用考虑空气重率高程修正系数；
（2）通风管道的平均百米漏风率：
国产风管取P100=（1.0～1.5）%；引进的风管取P100=0.55%；
（3）取管道的达西系数λ=0.015，管道的摩阻系数
α=
Kg/m3
（4）洞壁沿程摩阻系数按锚喷支护巷取λ=0.088，TBM掘进的隧洞取λ=0.05;
（5）钻爆法施工时，钻孔深度取4.5m，有效爆破深度平均4.0m；
（6）炸药用量，全断面开挖时取1.6Kg/m3，导洞开挖时取1.8Kg/m3;
（7）排出炮烟的通风时间，小断面取t=15min，大断面取t=30min；
（8）洞内施工人员用风指标取4.0m3/min;
（9）洞内柴油机采用安装废气净化装置后的风量指标，按实际使用功率计算，取4.0m3/min.Kw。
3．通风方式及总体方案
根据对郑（州）—西（安）客运专线38座隧道中主洞及支洞特征参数、施工方法、施工组织设计的调查分析研究，初步认为各类隧道施工工区的通风方式的选择应按下述原则确定：
（1）隧道进口段、出口段，采用长管道压入式通风，分别按独头通风长度500m、1000m、1500m、2000m等四种情况进行通风系统设备造型配套设计。
（2）对于以斜井作为辅导施工坑道的工段，当斜井长度小于500m，正洞施工长度均小于1000m的，采用双风机双管道压入式通风，按总通风长度1500m进行通风系统设备选型配套设计。
（3）对以斜井作辅助施工坑道，斜井长度大于500m，不论正洞施工长度多少，均采用混合式通风。
即在斜井内布设吸出式通风系统（管道长度500m），在正洞内布设压入式通风系统（管道长度1000m）。
（4）对于少数不在上述讨论范围（如张茅隧道、函谷关隧道等）的隧道，根据工程施工的实际情况，另行制定施工通风方案和进行系统设计。
（5）尽可能避免再增设专用通风竖井的通风方案。
因此，虽然郑（州）—西（安）客运专线隧道多，情况各异，但没有必要分别按各隧道实际施工情况进行通风系统设计。
按照上述分类进行设计的原则提出的通风方案和系统设计可以适用各种不同情况，实际上是可行的。
4．独头掘进500m压入式通风方案
4.1系统布置
120—130mF：
Q=1800m3/min，Ht=1200Pa，N=55Kw
130m
F0φ1.4m,L500m
图1
如图1所示，采用通风机配以柔性通风管道布置压入式通风系统，通风机安装在洞外，距洞口约20-30m。
新鲜空气通过柔性通风管道压入到工作面，洞中的污染气体及粉尘沿隧洞排出洞外。
压入式通风管道出口距开挖工作面的长度，在钻爆法作业时建议为50m，但在黄土隧道中，不采用钻爆法作业，该距离应适应缩短，考虑作业机械布置、台阶长度等情况，建议该长度为30m。
4.2工作面风量
（1）按允许最低平均风速0.15m计算
取平均开挖断面积165m2
Q1=AV=0.15×165×60=1485m3/min
（2）按最多作业人数计算
取最多作业人数50人，平均每人需风量4.0m3/人.min
Q2=4×50=200m3/min
（3）按排除炮烟计算风量
取钻孔深度3.5m，爆破深度3.0m，单位炸药用量1.4Kg/m3，钻爆法开挖断面积165m2，则一次爆破炸药用量G=606Kg。
炮烟抛掷长度L0=15+G/5=136m
取爆破后通风时间20min，则排除炮烟所需风量
Q3=
1620m3/min
4.3按稀释内燃设备废气计算风量
取20t自卸汽车柴油发动机功率180Kw，在隧洞内平均行驶速度10Km/h，装碴循环时间5min，则车辆间距为833m，即独头掘进500m时洞内重车数为1辆，空车数也是1辆，柴油机功率180Kw。
取重车负荷率为0.8，利用率0.9；空车负荷率为0.3，利用率0.9。
又假设出渣工序中还有混凝土喷锚、衬砌等平行作业，取混凝土输送车配用柴油机功率250Kw，负荷率0.7，利用率0.9；混凝土泵车1台，柴油机功率75Kw，负荷率0.9，利用率0.9；装渣用挖掘机1台，柴油机功率150Kw，负荷率0.85，利用率0.9。
因此，装渣工序中柴油机使用功率
N=
=0.8×0.9×180+0.3×0.9×180+0.9×0.9×75+0.7×0.9×（150+250）
=129.6+48.6+60.75+252
=442.4Kw
式中，Ki—每种机械的负荷率；
Kt—每种机械的利用率；
Ne—每种机械的柴油机额定功率，Kw。
稀释内燃设备废气所需的供风量为：
Q4=4.0N=4×442.4=1769m3/min
4.4通风机的设计风量
取通风软管的平均百米漏风率2.0%，500m管道的漏风系数
PL=
=1.11
按工作面要求的最大新鲜风量（非钻爆法）1485m3/min计算通风机风量
Qj’=PL×Q2=1.11×1485=1648m3/min
对于非钻爆法开挖的情况，工作面要求的新鲜风量1620m3/min计算，通风机风量
Qj’=PL×Q3=1.11×1620=1798m3/min
与稀释内燃废气所需通风机风量1769m3/min比较，可考虑独头掘进500m时的通风机风量取1800m3/min。
4.5通风管道及通风机全压
取通风机供风量1800m3/min，
分别计算采用直径D=1.5m和直径D=1.4m时的管道通风阻力系数
Rf（D1.5）=
=0.94N·S2/m8
Rf（D1.4）=
=1.33N·S2/m8
分别计算采用直径D1.5m和直径D1.4m时的通风管道压力损失
hf（D1.5）=Rf（D1.5）Qj2/PL=0.94×（1800/60）2/1.11=762Pa取Pt=1600Pa
hf（D1.4）=Rf（D1.5）Qj2/PL=1.33×（1800/60）2/1.11=1078Pa取Pt=1200Pa
4.6通风机配用电动机功率
配用通风管直径D=1.4m时，电动机功率
N=
49.5Kw，取55Kw
可采用单级轴流式通风机，电动机功率为55Kw
5．独头掘进1000m施工通风方案
5.1工作面风量
仍按1485m3/min计算。
5.2稀释内燃废气所需风量
考虑装碴工序中所使用的重车数为2辆，空车数为1辆，其他内燃机设备的配置与独头掘进500m时相同，则该情况下实际的柴油机使用功率为
N=
=0.8×0.9×2×180+0.3×0.9×180+0.9×0.9×75+0.7×0.9×（150+250）
=259.2+48.6+60.75+252
=620.55Kw
稀释内燃设备废气所需风量
Q4=4.0N=4×620.55=2480m3/min
5.3通风机的设计风量
稀释内燃设备废气所需风量最大，可取通风机的设计风量为2400m3/min。
5.4通风机的设计全压
采用直径D=1.5m和直径D=1.6m通风软管时，1000m管道的通风阻力系数分别为
Rf（D1.5）=
=1.88N·S2/m8
Rf（D1.6）=
=1.36N·S2/m8
取通风机的设计风量2400m3/min，管道漏风系数1.25，采用直径D=1.5m和D=1.6m时1000m管道的通风压力损失分别为
hf（D1.5）=Rf（D1.5）Qj2/PL=1.88×（2400/60）2/1.25=2406Pa
hf（D1.6）=Rf（D1.5）Qj2/PL=1.36×（2400/60）2/1.25=1741Pa
取通风机的设计全压分别为2600Pa和2000Pa
5.5通风机配用的电动机功率
N（D1.5）=
143Kw，
N（D1.6）=
110Kw，
采用直径D1.6m通风管时，配用电动机功率110Kw，为单级轴流式隧道通风机。
F：
Q=2400m3/min，Ht=2000Pa，N=110Kw双级调速
Fφ1.6m,L1000m
图2
6．独头1500m的施工通风方案
6.1工作面风量
仍按1485m3/min计算。
6.2稀释内燃设备废气所需的风量
考虑装碴作业所使用的重车数为2辆，空车数也是2辆，其他内燃设备的配置与独头掘进500m和1000m时相同，则该种情况下实际使用的柴油机功率
N=
=0.8×0.9×2×180+0.3×0.9×2×180+0.9×0.9×75+0.7×0.9×（150+250）
=259.2+97.2+60.75+252
=669.75Kw
稀释内燃设备废气所需风量
Q4=4.0N=4×669.75=2676m3/min
6.3通风机的设计风量
通风机的设计风量可按2700m3/min计算。
6.4通风机的设计全压
采用直径D=1.5m和直径D=1.6m通风软管时，1500m管道的通风阻力系数分别为
Rf（D1.5）=
=2.82N·S2/m8
Rf（D1.6）=
=2.04N·S2/m8
取通风机的设计风量2700m3/min，管道漏风系数1.43，此时工作面风量1993m3/min，采用直径D=1.5m和D=1.6m通风软管时管道通风压力损失分别为
hf（D1.5）=Rf（D1.5）Q32/Pc=2.82×
/1.43=3993Pa
hf（D1.6）=Rf（D1.6）Q32/Pc=2.04×
/1.43=2889Pa
取设计全压分别为4200Pa和3000Pa
6.5通风机配用的电动机功率
N（D1.5）=
260Kw，
N（D1.6）=
186Kw，
这些风机应采用对施式轴流通风机，电动机功率分别为2×132Kw和2×110Kw。
F：
Q=2700m3/min，Ht=3000Pa，N=2×110Kw双级调速
Fφ1.6m,L1500m
图3
6.6双回路压入式通风方案
该方案拟用两台同型号风机各自配用φ1.3m通风软管形成双路压入式通风系统，布置如图4所示。
F：
Q=1500m3/min，Ht=2750Pa，N=95Kw双级调速
Fφ1.6m,L1000m
F
F：
Q=1500m3/min，Ht=2750Pa，N=95Kw双级调速
图4
每台风机的设计风量1500m3/min，总通风量3000m3/min，取管道漏风系数1.43，管道末端风量1048m3/min。
1500m长度φ1.3m通风软管风阻系数
Rf（D1.3）=
=5.79NS2/m8
管道通风压力损失
hf=Rf（D1.3）Qj2/PL=5.79×
/1.43=2530Pa
取风机设计全压2750Pa，配用电动机功率
N=
=95Kw
7.独头掘进2300m压入式通风方案
7.1允许最低平均风速所需的风量
工作面要求按允许最低平均风速0.15m/s计算为1485m。
7.2稀释内燃设备废气所需的风量
考虑装碴作业所使用的重车数为3辆，空车数也为3辆，其他内燃设备的配置与前几种情况相同，则实际使用的柴油机功率
N=
=0.8×0.9×3×180+0.3×0.9×3×180+0.9×0.9×75+0.85×0.9×（150+250）
=388.8+145.8+60.75+252
=847.35Kw
稀释内燃废气所需风量
Q4=4.0×847.35=3389m3/min
取通风系统设计风量为3600m3/min
7.3考虑管道漏风所需的风量
取管道平均百米漏风率为1.5%。
2300m管道的漏风系数
PL=
=1.53
工作面试及获得的新鲜风量为2353m3/min
7.4通风系统布置
当要求风量特别大时，可考虑采用双回路压入式通风方案，即用两台风机、两条管道同时压入式供风，每套系统设计供风量1800m3/min，系统布置如图5所示。
Fφ1.4m,L2300m
F
F：
Q=1800m3/min，Ht=4200Pa，N=2×95Kw
图5
7.5通风机的设计全压
拟采用2条直径φ1.4m通风软管，2300m管道的风阻系数为
Rf（D1.4）=
=6.12NS2/m8
取每台风量的设计风量1800m3/min，管道漏风系数1.53，2300m管道通风压力损失
hf=Rf（D1.4）Qj2/PL=6.12×
/1.53=3600Pa
取风量设计全压4200Pa
7.6电动机功率
N=
=173Kw取2×90Kw
8．张茅隧道1#斜井建议方案
张茅隧道是郑州—西安客运专线中最长的黄土隧道，设有两座斜井。
其中1#斜井长300m，向正洞进口方向计划施工1300m，向正洞出口方向计划施工2200m。
正洞开挖断面积165m2，采用无轨运输出碴。
受斜井断面限制，斜井内只能安装两路直径φ1.2m通风管道。
现斜井口已安装2×110Kw风机（设计风量1800m3/min，全压5000Pa）2台，分别配用直径φ1.2m通风软管向进、出口两个工作面供风（图6）。
现场估计，采用该通风系统难以满足出口方向正洞施工2300m的要求，于是提出在出口方向适当位置增设通风竖井的初步设想，但考虑竖井位置难以确定，施工困难，投资也较大，故迟未决策。
针对这种情况，现论证不设竖井的可行方案，供施工单位参考。
8.1正洞施工1300m的通风方案
该方案即现已布置就绪的方案，即采用现有系统施工至进、出口掘进1300m止，此时进口方向正施工结束，出口方向约900m未完成。
8.2正洞出口方向1300—2300m施工通风方案
待进口正洞1300m掘进任务完成后，利用现有系统得两台风机F1，再新购置1台风机F2，形成混合式通风系统，如图7所示，完成1300—2300m施工任务。
9．函谷关隧道2#斜井混合式通风方案
函谷关隧道全长7851m。
设3座斜井。
其中2#斜井全长963米，通过斜井向正洞进口方向施工830m，出口方向施工1125m。
正洞开挖断面积165m2，无轨运输施工方式。
该斜井施工可能采用两种通风方式。
第一种通风方式即现已布置就位的两路长管道压入式通风。
参照前面的计算结果，每个工作面独头掘进达到2000m时，所需通风量达3000m3/min以上，因而配置的通风软管直径必须达φ1.8m，或者每个工作面都由两回路送风，则斜井中需安装4路风管。
因斜井断面限制，实施这种方案是不可行的。
第二种通风方式是采用混合式通风，如图8所示。
图8
该系统中，新鲜风流从斜井流入洞内，由2台风机F2和压入式管道分别送至两个工作面，工作面的污风回流至斜井底部，由2台风机F1和压出式管道送往洞面地面，从而形成混合式通风系统。
根据前面计算结果，送往两个工作面的压入式风机F2的设计风量为2400m3/min，全压2000Pa，电动机功率110Kw，配用直径φ1.6m通风管道送风长度1125m。
两台压入式风机的风量之和，即斜井流入的总风量应大于两台F2风机的风量之和，但考虑到两个工作面不会同时出碴，因而总风量可以适当减少。
现取总风量为3600m3/min。
采用双回路通风时，每台风机的风量为1800m3/min，则配用直径φ1.4m通风管道时，设计全压应为2400Pa，电
动机功率110Kw。
F1和F2风机均采用双级调速控制，以调整风量、节约能耗。
10．黄土隧道施工防尘、降尘措施
10.1粉尘的来源及危害
粉尘（矿尘、岩尘）是在生产和施工中产生并能长时间悬浮于空气中的各种岩土的微细颗粒。
矿尘的大小称为粒度，即尘粒的平均直径，常用微米（μm）表示。
尘粒大于5μm的粉尘吸入人的呼吸器官后，大部分可排出体外；小于5μm的粉尘能到达和沉积于肺泡中，这部分粉尘称为呼吸性粉尘。
粉尘在空气中飞扬时间的长短与尘粒的大小、质量及形状有关，还与空气的湿度和风速有关。
隧道施工中各作业工序和环节均能产生粉尘。
如凿岩钻孔、爆破、装碴、运输、喷锚衬砌等工序。
对于郑—西客运专线黄土隧道。
粉尘主要是黄土干燥后，经运输车辆和机械反复碾压，产生大量扬尘，这些粉尘主要是呼吸性粉尘，危害极大。
粉尘的危害主要有：
（1）粉尘被人们长期吸入呼吸器官，能引起尘肺病。
这是一种极为严重的职业病，伤害呼吸功能，影响劳动能力，缩短劳动寿命，甚至死亡。
（2）粉尘进入机械设备的油液、运动部件之中，污染设备，加快运动零件的磨损，缩短设备的使用寿命。
（3）某些粉尘（如煤、硫化物）在一定条件下发生爆炸，造成重大事故。
空气中粉尘的含量越高，其危害性越大。
就矽肺病的发生和发展而言，主要因素是粉尘中的游离二氧化硅含量、浓度和分散度。
但其他粉尘同样会导致各种尘肺病。
为了保证工人的身体健康，贯彻预防为主的方针，1956年国务院颁布了关于防止厂矿企业中矽尘危害的决定，对作业场所空气中粉尘的允许浓度作了明确规定：
含游离二氧化硅大于10%者，不得超2mg/m3；
含游离二氧化硅小于10%者，不得超10mg/m3。
《铁路隧道施工规范》的有关规定与上述相同。
在长期的施工实践中，施工队伍创造和总结出通风除尘、湿式作业、个体防护、科学管理的综合防尘技术，积累了丰富的经验，使劳动条件得到显著改善，实践证明这些综合防尘措施是行之有效的，应当进一步推广和发展。
10.2通风除尘
（1）通风除尘的作用
通风除尘的作用是稀释和排出洞内空气中的粉尘。
洞内各产尘地点，在采用了其他防尘降尘措施之后，仍有一定量的粉尘，其中绝大部分是小于10μm的粉尘，进入空气之中。
微细粉尘能长时间悬浮于空气中，如继续有粉尘产生，则空气中粉尘逐渐积累，浓度越来越高，将会严重危害人体健康。
因此，必须采取有效的通风措施，稀释和及时排出这些微尘，不使之积累。
经验表明，通风除尘是综合防尘措施中不可缺少的重要环节，是其他措施不能替代的。
同样在湿式作业条件下，有无通风除尘措施，工作面的粉尘浓度则相差5倍左右。
为保证通风除尘的效果，必须使新鲜风流有良好的风质。
我国有关部门规定新鲜风流中粉尘浓度不许大于0.5mg/m3。
（2）排尘风速
能使对人体最有危害的微细粉尘（5μm以下）保持悬浮状态并随风流运动的最低风速称为最低排尘风速。
它的大小与粉尘的沉降速度和洞壁摩阻系数有关。
最低排尘风速一般由实验方法确定。
根据试验观测资料，当洞内风流达到0.15m/s时，5μm以下的粉尘粉尘能够悬浮并与空气均匀混和而随风流运动。
我国煤炭、冶金及铁道部门颁发的有关规定要求掘进巷道工作面的最低排尘风流速度不得小于0.15m/s。
排尘风速增大时，粒径稍大的尘粒也能悬浮并被排走，同时增强了稀释作用，在产尘量一定的条件下，矿尘浓度将随之降低。
当风速增大到一定数值（一般在1.5～2m/s之间）时，作业地点粉尘浓度降到最低值，这一风速叫做最优排尘风速。
风速再增高时，因能吹扬起已沉降的粉尘，将使粉尘浓度再度增高。
在产尘量大、粉尘比重大、通风条件比较困难的作业地点，应适当增大排尘风速。
排尘风速增加亦即增加通风风量，由于新鲜风量增加而增强了风流的稀释作用。
由于连续产尘过程，风流的稀释作用可由下式表示：
Q=
式中Q——通风风量m3/s；
G——产尘强度mg/s；
——稀释后粉尘的浓度，mg/m3，要求达到允许浓度；
——进风的原始粉尘的浓度，mg/m3，要求不超过0.5mg/m3；
由于风速过高引起的粉尘的二次飞扬，《铁路隧道施工规范》规定洞内最高风速不能超过6m/s。
（3）通风排尘系统
通风排尘效果除了与风速有关外，还与通风方式、风筒布置、通风时间有关。
采用压入式通风时，风流能有效地清洗工作面，比抽出式通风排尘能力强，但含尘风流经整个隧洞，所以通风时间较长。
抽出式通
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