西秦岭隧道施工通风设计说.docx
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西秦岭隧道施工通风设计说
西秦岭隧道施工通风组织设计
中铁隧道集团科研所
2008．12．1
西秦岭隧道施工通风设计说明
1.设计依据
（1）西秦岭隧道设计图
（2）西秦岭隧道施工组织。
（3）《铁路隧道施工规范》。
2.编制原则
（1）科学配置的原则
科学配置通风设施，风机型号，功率与风管直径必须配套，达到低风阻，满足低损耗高送风量。
（2）经济合理的原则
理论计算隧道内需风量，风量以满足国家标准为原则，达到既满足现场施工，又节约能源的目的。
（3）利用现有设施的原则
尽量利用现场现有的通风设备，既达到合理利用又满足施工通风的要求。
3.工程概况
3.1工程地理位置
西秦岭特长隧道位于新建铁路兰渝线中段，地处甘肃省东南部重镇—陇南市境内。
本段线路北起武都区外纳乡，向南经月照、洛塘止于武都区枫相乡，线路整体呈西北—东南走向。
西秦岭特长隧道段，线路自桔柑站引出，向西南跨白龙江及国道212后上坡穿范家坪隧道，在该隧道出口端利用曲线变线间距并上跨潘家沟至西秦岭特长隧道进口，然后线路以人字坡穿西秦岭隧道至老盘底出口，尔后线路下跨省道206、规划武灌高速及洛塘河并变线间距后穿杨家山隧道引入洛塘河车站。
西秦岭隧道全长28.236km，为两条单线隧道。
3.2工程范围和主要工程量
3.2.1工程范围
本标段为新建兰州至重庆铁路西秦岭特长隧道工程XQLS2标，长28.793km。
根据招标文件技术资料的标段划分，本标段的工程范围为：
从西秦岭隧道左线进口DK395+116开始，经西秦岭隧道左线至左线出口DK423+352，再由西秦岭隧道左线出口至洛塘河大桥DK423+915。
主要通风重点有西秦岭隧道左线、店子坪斜井、罗家理斜井、右线部分里程。
3.2.2主要工程量
隧道主要工程量见表1所示。
表1西秦岭特长隧道工程主要工程数量表
工程类别
项目名称
单位
数量
备注
隧道
西秦岭隧道左线正洞
延长米
26535
单线
右线正洞
延长米
1893
右线正洞
延长米
846
3.3工程地质及水文地质
3.3.1工程地质
本标段线路走行于秦岭高中山区，山体陡峻，地势总体趋势北陡南缓，沟谷深切多呈“V”字形。
高程多在1000～2400m，相对高差约1300m，隧道最大埋深约1400m。
3.3.2工程地质特征
隧道及其两侧引线工程范围内的地层主要为：
第四系全新统松散层，石炭系下统砂质千枚岩，泥盆系下统灰岩、千枚岩，下元古界灰岩、变砂岩夹千枚岩、变砂岩、砂质千枚岩，断层角砾岩和断层泥砾。
（1）DK395+116～DK400+700段属秦岭高中山区，地形陡峭。
第四系全新统坡积砂质黄土，Ⅱ级普通土，σ0＝150kPa，Ⅴ级围岩；粗角砾土，中密，Ⅲ级硬土，σ0＝500kPa，Ⅴ级围岩；泥盆系下统灰岩，节理较发育，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝700kPa，弱风化层，V级次坚石，σ0＝1200kPa，Ⅲ级围岩；泥盆系下统钙质千枚岩，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，Ⅳ级围岩。
fF54断层在DyK399+473～DyK399+654范围内与隧道洞身相交，为N30°E走向的逆断层，主要由断层角砾、断层泥组成，Ⅲ级硬土，σ0＝300～500kPa，Ⅴ级围岩。
本段属高地应力区。
（2）DK400+700～DK401+900段属秦岭高中山区，地形陡峭。
泥盆系下统砂质千枚岩，节理较发育，表层强风化，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，Ⅳ级围岩。
本段属高地应力区。
（3）DK401+900～DK403+300段属秦岭高中山区。
下元古界千枚岩，节理较发育，表层强风化，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，Ⅳ级围岩。
f6断层在DK401+910～DK402+825范围内与隧道洞身相交，主要由断层角砾岩、断层泥砾组成，Ⅲ级硬土，σ0＝300～500kPa，Ⅴ级围岩；f55断层在DK403+098～DK403+320范围内与隧道洞身相交，为近东西走向的逆断层，主要由碎裂的灰岩、变质砂岩组成，Ⅲ级硬土，σ0＝300～500kPa，Ⅴ级围岩。
本段属高地应力区。
（3）DK403+300～DK406+625段属秦岭高中山区，地形陡峭。
下元古界灰岩，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝700kPa，V级次坚石，σ0＝1200kPa，Ⅲ级围岩；下元古界变砂岩，泥质胶结，节理较发育，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，V级次坚石，σ0＝800kPa，Ⅲ级围岩；下元古界砂质千枚岩与变砂岩互层，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，Ⅲ级围岩。
DK403+765～DK403+920、DK404+425～DK404+870、DK404+985～DK405+340段落为节理密集带，岩体完整性较差，Ⅳ级围岩。
本段属高地应力区。
（4）DK406+625～DK413+240段属秦岭高中山区，地形陡峭。
石炭系千枚岩，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，V级软石，σ0＝600kPa；下元古界灰岩，节理较发育，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝700kPa，弱风化层，V级次坚石，σ0＝1200kPa；下元古界砂质千枚岩与变砂岩互层，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa。
f60断层在DK412+440～DK412+514范围内与隧道洞身相交，为N45°E走向的逆断层，断层物质主要由断层角砾岩、构造透镜体，两侧小褶皱发育，岩体破碎，Ⅲ级硬土，σ0＝300～500kPa，为Ⅴ级围岩；DK411+670～DK411+740为不整合接触带，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，为Ⅳ级围岩；DK408+440～DK408+540、DK408+765～DK408+835、DK409+600～DK409+840、DK410+075～DK410+125、DK410+245～DK410+395段落为褶皱带，岩体完整性较差，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，Ⅳ级围岩；DK411+030～DK411+195段落为节理密集带，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，为Ⅳ级围岩。
（5）DK413+240～DK420+550段属秦岭高中山区，地形陡峭。
下元古界砂质千枚岩，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，为Ⅲ级围岩。
本段属高地应力区。
（6）DK420+550～DK423+352段属秦岭高中山区，地形陡峭。
第四系全新统坡积黏土，硬塑，Ⅱ级普通土，σ0＝150kPa，为Ⅴ级围岩；粗角砾土，成分以砂质千枚岩为主，中密，Ⅲ级硬土，σ0＝500kPa，为Ⅴ级围岩；第四系上更新统冲洪积粗圆砾土，稍湿，中密，Ⅲ级硬土，σ0＝500kPa，为Ⅴ级围岩；下元古界砂质千枚岩，节理较发育，表层强风化，风化层，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa，弱风化层，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa，为Ⅲ级围岩。
本段属高地应力区。
4.通风方式选择
根据现场施工条件，西秦岭隧道第一、二阶段施工通风均采用压入式通风，第三、四阶段施工通风均采用压入式与巷道式相结合的通风方式。
5.风量计算
5.1计算参数
洞内施工需风量计算参数数据表表2
项目
单位
数量
断面积
正洞出口
m2
90
正洞进口
70
店子坪斜井
27
罗家理斜井
42
一次爆破炸药量
正洞出口
kg
189
正洞进口
160
店子坪斜井
95
罗家理斜井
132
洞内同时最多作业人数
人
58
掌子面装碴车功率
KW
200
出碴车功率
KW
180
通风时间
min
30
最低风速
m/s
0.15
风管直径
m
1.5、1.7、1.8
风管百米漏风率
%
1～2
风管摩阻系数
0.02
隧道沿程摩阻系数
0.025
5.2风量计算
5.2.1轴流风机风量计算
施工通风所需风量按洞内同时工作的最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量和内燃机械设备总功率分别计算，取其中最大值作为控制风量
a.按洞内同时工作的最多人数58人计算
式中：
——作业面每一作业人员的通风量，取3m3/min；
——作业面同时作业的最多人数，人。
b.按洞内允许最小风速0.15m/s计算
式中:
隧道最大开挖断面积,m2；
洞内允许最小风速0.15m/s。
c.按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算
式中：
——同时爆破炸药量，kg；
——通风时间，min；
——通风长度，m；
——隧道断面积，m2。
d.按内燃机械设备总功率计算
式中：
—内燃机械总功，KW；
—内燃机械单位功率供风量，3m3/（min·KW）。
经计算，正洞有轨运输时开挖作业面所需风量为516m3/min，正洞无轨运输时开挖作业面所需风量为1280m3/min，店子坪斜井井身开挖所需风量为1280m3/min，罗家理斜井井身开挖所需风量为1280m3/min。
5.2.2射流风机增压计算
射流风机工作风压
的计算
射流风机产生的压力必须得以克服整个系统的阻力，即：
≥
式中：
——摩擦阻力；
——局部阻力。
式中：
——摩擦阻力系数；
——隧道内的空气密度（kg/m3）；
——计算管段内气流平均速度（m/s）；
——计算管段的长度（m）；
——计算管段断面的水力半径（m），Rs=4F/S。
式中：
——局部阻力系数；
——产生局部阻力前或后的空气流动平均速度（m/s）；
式中:
——射流风机压力，Pa；
——射流风机出口风速，m/s；
——射流风机出口断面积，m2；
——隧道断面积，m2；
——隧道内风速，m/s；
——增压系数,0.85；
——射流风机台数。
经计算，在正洞内一台SSF-№16射流风机产生的压力为18.25Pa，在店子坪斜井内一台射流风机产生的压力为40Pa，在罗家理斜井内一台射流风机产生的压力为26Pa，经计算，第三阶段所需射流风机为6台，第四阶段进口工区所需射流风机为6台，出口工区所需射流风机为6台。
5.3风阻计算
通风阻力则因选择的风管直径和风机型号以及送风距离的不同会有很大差距，
（1）直径1.5风管计算
通过理论计算比较选择直径1.5m的通风管，其通风阻力表达式如下：
当送风距离L=2000m时，通风阻力H=3.52Qf2（Qf为风机出口风量）；风机出口风量为2110m3/min；风压为5300p，风管出口风量为1408m3/min。
当送风距离L=3000m时，通风阻力H=4.46Qf2；风机出口风量为1900m3/min；风压为5150p，风管出口风量为1036m3/min。
当送风距离L=4000m时，通风阻力H=5.09Qf2。
风机出口风量为1780m3/min，风压为4750p，风管出口风量为793m3/min。
从风量计算可以看出，店子坪斜井可最大独头通风距离在3000m以内，等店子屏独头接近3000m，斜井和左线贯通，可采用巷道式通风。
通过下图风机性能曲线的交点验证验证匹配的合理性，下图中
（1）线为L=2000m时；
（2）线为L=3000m时；（3）线为L=4000m时。
需要指出的是，如果选择的风管直径过小，会导致通风阻力过大，不能满足送风需要；如果选择的风管直径过大，又会造成浪费。
SDF（C）-No12.5型风机性能曲线验证图
（2）直径1.7风管计算
通过理论计算比较选择直径1.7m的通风管，其通风阻力表达式如下：
当送风距离L=2000m时，通风阻力H=1.88Qf2，风机出口风量为2550m3/min，风管出口风量为1702m3/min。
当送风距离L=3000m时，通风阻力H=2.38Qf2；风机出口风量为2420m3/min，风管出口风量为1320m3/min。
当送风距离L=4000m时，通风阻力H=5.09Qf2；风机出口风量为2340m3/min，风管出口风量为1042m3/min。
从风量结果看，隧道进口施工通风独头距离最大可超过3000m，接近4000m，等开挖超过3500m，斜井反打基本和正洞贯通，所以可采用独头通风直到贯通。
（3）直径1.8风管计算
通过理论计算比较选择直径1.8m的通风管，其通风阻力表达式如下：
当送风距离L=2000m时，通风阻力H=1.41Qf2，风机出口风量为2700m3/min，风管出口风量为1802m3/min。
当送风距离L=3000m时，通风阻力H=1.79Qf2；风机出口风量为2575m3/min，风管出口风量为1404m3/min。
当送风距离L=4000m时，通风阻力H=2.04Qf2；风机出口风量为2500m3/min，风管出口风量为1114m3/min。
当送风距离L=6000m时，通风阻力H=2.32Qf2；风机出口风量为2440m3/min，风管出口风量为726m3/min。
从风量结果看，隧道出口施工通风独头距离最大可超过6000m，当独头超过6000m，可采用巷道式通风方式。
6.通风设备选择及配置
轴流风机的选择主要由所需风量和所选风管参数计算的风压确定，射流风机的选择主要是由轴流风机所需要的总风量及总风量所经路程的总阻力确定；风管全部采用科研所研制并获国家专利的新型软风管。
根据各工区独头通风的长度及采用压入式与巷道式相结合通风时其风流所经路程的长度，可得各工区的主要通风设备数量见表3。
主要通风设备及管材参数表表3
名称
型号
技术参数
速度（r/min）
风压（Pa）
风量（m3/min）
功率（KW）
SDF（C）-No12.5
高速
1378~5355
1550~2912
110×2
中速
629~2445
1052~1968
34×2
低速
355~1375
840~1475
16×2
射流风机
SSF-№16
3727.6
55
拉链式软风管
Ф1500㎜、
Ф1800㎜
平均百米漏风率0.015，摩阻系数0.01~0.02，每节长度20m/节或10m/节。
各工区所需通风设备及风管数量表4
名称
风机型号
数量（台）
风管型号
数量（m）
进口工区
SDF（C）-No12.5
4台，另备用2台
Ф1500㎜
7500
Ф1700㎜
13500
SSF-№16
6台，另备用1台
罗家理斜井
SDF（C）-No12.5
4台，另备用1台
Ф1800㎜
14000
SSF-№16
2台，另备用1台
出口工区
SDF（C）-No12.5
4台，另备用1台
Ф1800㎜
18600
SSF-№16
4台，另备用1台
7．通风布置
通风布置如图示，共分四个阶段：
第一阶段，在施工前期，进口、出口、店子坪斜井和罗家理斜井施工通风均采用压入式通风，其通风布置风《西秦岭隧道施工通风布置示意图图1》。
第二阶段，在斜井开挖至正洞以后，店子坪斜井采用两台SDF（C）-No12.5型200kw轴流风机和两道Ф1500㎜通风管路向两个开挖工作面压入式送风。
罗家理斜井通风方式相同，对左线右线的两个方向开挖工作面进行压入式送风。
进口和出口均为为一台SDF（C）-No12.5型200kw轴流风机对开挖面进行压入式送风，进口风管直径为Ф1700㎜，出口风管直径为Ф1800㎜。
第三阶段，进口工区左线用压入式与巷道式相结合的通风方式，新风通过射流风机由左线进口引入，然后由轴流风机通过风管送到各作业面，污风由各作业面经店子坪斜井排入洞外；罗家理斜井工区新风由洞外的轴流风机送到右线储气段，然后由洞内的轴流风机经风管送到各作业面，污风由各作业面经罗家理斜井排出洞外；出口工区采用巷道式通风，新风通过射流风机由左线出口引入，污风通过横通，从右线出口排出；污风从右线出口排出的时间预计为2000m至3000m的开挖工作时间。
《西秦岭隧道施工通风布置示意图图3》。
第四阶段，进口工区开挖时采用用压入式与巷道式相结合的通风方式，新风由射流风机左线进口引入，污风由店子屏斜井排出，左线进口可放置一台射流风机，用以引进新鲜风以改善隧道内空气，轴流风机放置在右线，利用软风管对开挖工作面进行压入式送风；出口工区采用压入式与巷道式相结合的通风方式，新风由射流风机经右线送入，污风由各作业面经左线、罗家理斜井排出；污风从罗家理斜井排出的时间预计为7851m的TBM工作时间；其通风布置见《西秦岭隧道施工通风布置示意图图4》。
8．施工通风管理
8.1管理机构及人员编制
8.1.1管理机构设置及人员编制原则
①专业化原则。
技术人员、通风工人等均要专业化。
②统一管理原则。
技术、人员、设备和材料统一管理。
③机构和人员以满足通风需要为原则。
8.1.2机构和人员
对于西秦岭隧道进出口工区和罗家路斜井工区施工通风，必须设置专人负责，专人管理，每个通风组的机构设置及人员编制如下图所示。
8.1.3各岗位职责见下表5
表5项目主要人员和小组职责表
序号
人员或小组
职责
1
通风负责人
全面负责施工通风技术和人员管理，落实通风方案并组织实施，协调与其他工种之间的关系
2
技术组
协助项目负责人工作，解决方案实施过程中的细化与修改、过渡方案的设计以及通风效果的检测与评价等。
3
风管安拆组
负责风机、风管的安装和拆卸，管路的维护和修理，协助技术人员完成通风监测任务
4
风机司机
负责风机值班、风机运行状况记录工作以及风机的日常维护
5
风管修补工
在洞外专职修补损坏的风管
2、工作制度
所有工人先进行培训，考试合格后再上岗。
风管安拆组和风机司机全部执行三班轮换、洞内交接班制度；风管修补工为常白班，每班工作八小时。
3、通风技术管理
通风技术管理包括通风方案的实施，方案的局部调整，过渡方案的设计，通风效果的监测与评价等；这些都由专业技术人员来完成。
（1）通风方案的实施
通风设计方案只是一个基本模式，要在现场实施，还要进一步细化并绘制出方案实施图。
要求技术人员根据设计图和现场具体情况，把方案具体化，绘制实施图，及时制定出方案实施细则。
（2）通风方案的局部调整
通风方案一般都是根据施工方法和施工组织来设计的，在施工过程中施组和施工方法，通常会根据地质情况的变化而变化，如增开工作面或增加运输通道等，通风方案也需要作相应的变化。
要求技术人员根据施组和施工方法的变化对通风设计方案进行局部调整。
（3）过渡方案的设计
通风方案都是分阶段设计的，每个阶段之间都存在过渡的问题，在施工现场从一个阶段到另一个阶段一般需要两三天时间，决不能因为实施下一阶段通风方案而影响正常施工。
要求技术人员必须根据现场具体情况做好通风过渡方案。
（4）通风效果的检测与评价
通风方案实施以后，实施的方案能否达到设计要求，或者设计本身是否存在问题，这些都需要通过温度、湿度、管路的进出口风量、管路的百米漏风率、通风阻力以及工作面有害气体浓度变化等项目的测试，来检查方案落实情况（主要是通风管路安装质量），评价设计方案。
要求技术人员在方案实施后尽快测试，以便对存在的问题及时修正。
另外，也要求技术人员对通风效果（主要工作面的有害气体浓度变化情况）进行经常性的检测，以检查通风管路的安装维护质量。
9.通风对施工的要求
（1）由专业队伍进行现场施工通风管理和实施，风管安装必须平、直、顺，通风管路转弯处安设钢性弯头，并且弯度平缓，避免转锐角弯，以减小管路沿程阻力和局部阻力，并且要加强日常维修和管理。
（2）必须配有专业技术人员对现场通风效果进行检测，根据检测结果及时优化通风方案。
（3）必要时可以根据检测结果及时对通风系统作局部调整，必须保证洞内气温不得高于28℃、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）浓度在通风30min后分别降到30mg/m3和5mg/m3以下，以满足施工需要。
（4）风机必须配有专业风机司机负责操作，并作好运转记录，上岗前必须进行专业培训，培训合格后方可上岗。
（5）电工必须定期检修风机，及时发现和解决故障，保证风机正常运转。
每半月加一次机油。
（6）不用的横通道要及时封闭，设有风门的横通道要加强对风门的管理，以减少污风循环对通风效果的影响。
对无轨运输施工的作业面，在采用压入式与巷道式相结合进行通风时，隧道内的出碴、进料运输车辆的行走路线应与污风的行走路线一致。
9.气体监测
9.1主要有害环境因素
隧道在整个施工过程中，作业环境应符合下列职业健康及安全标准：
①空气中氧气含量，按体积不得小于20﹪。
②隧道内允许最小风速Vmin=0.15m/s。
③隧道内气温不得高于28℃，隧道内噪音不得大于90dB。
④粉尘容许浓度，每立方米空气中含有10﹪以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg，每立方米空气中含有10﹪以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg。
⑤爆破30min后，有害气体二氧化氮体积不得大于5mg/m3，一氧化碳不超过30mg/m3，瓦斯浓度不得超过0.5%一1.0%。
9.2污染防治措施
为了达到国家的有关规定，必须对作业环境进行定期检测，同时施工中必须采取必要的措施来改变施工环境，可采取防污染的主要措施有：
（1）采用湿式凿岩机，严禁使用干式凿岩机；采用湿式凿岩与干式凿岩相比，可降低80%的粉尘。
（2）喷射混凝土采用湿喷法，用湿喷法比干喷法可降低粉尘85%。
（3）水幕降尘：
把水雾化成湿水滴喷射到空气中，使之与空气中的粉尘碰撞，则尘粒附于水滴上，潮湿的尘粒凝聚成大颗粒，从而加快其降落速度，从而达到除尘的目的。
爆破后及出渣中的降尘有明显的效果。
（4）机械通风：
通风要保证有足够的风量、风压、风筒基本完好无损且吊挂平、顺、直。
因此，施工中采取了适当的通风方法来确保达到上述目标。
（5）机械净化：
主要是调整喷油嘴的喷油效果，采用涡轮增压器原理，使燃油燃烧更充分，产生的有害气体更少，并且在尾气排放装置上安装尾气净化器。
（6）个人防护：
按规定佩带防尘口罩等安全防护用品。
另外，在隧道路面上定期洒水，防止车辆运行时或爆破冲击波而造成积尘二次飞扬。
隧道施工时在洞内对施工机械，如空气压缩机，送风机等加设消音器等设施。
9.3主要检测对象
对于无轨运输隧道，出碴等行驶的机动车辆，其排放的尾气中气态的C0、氮氧化物是主要的有害成分。
目前，对隧道空气污染的治理方法是以稀释有害成分浓度为目的的通风换气法。
相关部门应该对风速、风量、CO浓度、NO2浓度等各项指标都有严格要求，定期对风速、风量、CO浓度、NO2浓度进行检测，以上述四项指标为基准，决定各项施工工序的合理性，如果某项指标超标，立即上报安全环保部，理顺环境保护与隧道施工的关系,重视其环境危害,积极主动采取合理措施,使其危害降到最低限度。
9.4测对象、仪器和检测频率。
主要检测对象、仪器参数和检测频率表6
检测
对象
检测
仪器
型号
厂家
原理
检测频率
要求
CO
（ppm）
便携式
CO仪
impulse
pro
英国ZELLWEGER
公司
电化学传感器
一炮一检
响炮后30分钟以内
达到国家标
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