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隧道斜井通风方案

中南部铁路通道ZNTJ-6标

南梁山隧道1、2号斜井通风案

中国中铁隧道集团XX

二〇一〇年十二月

南梁山隧道1、2号斜井通风案

一、南梁山隧道1、2号斜井情况简介

南梁山隧道1号斜井位于隧道左线左侧，采用双车道无轨运输，与正洞交与DK304+300,斜井长2510m,综合坡率为-11.1%。

1号斜井承当正洞施工任务：

左、右线起讫里程均为DK301+285～DK306+775，长5490m；其中Ⅴ级围岩97m、Ⅳ级围岩805m、Ⅲ级围岩600m、Ⅱ级围岩3988m，各级围岩所占比例分别为：

1.77%、14.66%、10.93%、72.64%。

南梁山隧道2号斜井位于隧道左线左侧，采用双车道无轨运输，与正洞交与DK309+150,斜井长2730m,综合坡率为-11.4%。

2号斜井承当正洞施工任务：

左、右线起讫里程均为DK306+775～DK310+800，长4025m；其中Ⅴ级围岩1080m、Ⅳ级围岩1345m、Ⅲ级围岩1600m，各级围岩所占比例分别为：

26.83%、33.42%、39.75%。

二、通风案选择及说明：

兰渝西岭隧道罗家理斜井通风有成功经历可循，原方案1、2号斜井均采用接力式通风，后方案2号斜井改为隔离巷道式施工通风案。

具体修改原因为：

1、后续斜井施工过程中2号斜井由于处于河道风口处，相较于1#通风，2#井通风相对困难，通风量需求大，主要表现为排烟困难，炮烟、车辆尾气、灰尘集中于进洞200—500m之间。

根据洞排烟需求，只能加大通风量、延长通风时间，直接导致通风本钱增加。

下面是8月通风到11月份1#、2#通风耗电统计：

月份

斜井

8

9

10

11

1号斜井用电〔度〕

6048

6960

22056

14198

2号斜井用电〔度〕

14760

42472

39744

49032

因此2号斜井存在新鲜空气易送入，而污风不宜排出的情况，采用隔离巷道式施工通风有利。

2、2号斜井线路设置有2处较大的曲线拐弯，对接力式通风风损比拟大。

3、对于污风不宜排出问题，拟在2号斜井井底设置通风竖井，有效解决污风排出问题，且有利于巷道风的循环。

4、可以通过2个近似斜井，直观比拟两种通风案，采集相关数据，为类似斜井通风提供依据。

三、附件：

附件1-1：

南梁山隧道1#斜井接力式通风案

附件1-2：

盖雅独头通风案

附件2：

南梁山隧道2#斜井隔离巷道式通风案

附件1-1：

南梁山隧道1#斜井

接力式通风案

中隧集团晋中南铁路六分部

2010-12

一、编制依据

⒈1#斜井平面示意图、斜井横断面图、正洞横断面图；

⒉初步的人力与非人力施工资源配置概况；

⒊可能在隧道使用的施工机械、设备、器具等处于Ⅱ类及其以上状态时的能耗指标；

4、相关的标准、规、指南、规那么等；

二、通风设计标准

隧道施工通风的目的是供应洞足够的新鲜空气，并冲淡、排除有害气体和降低粉尘浓度，以改善劳动条件，保障作业人员身体安康。

在隧道施工过程中，由于钻爆、装运、喷砼产生有害气体和粉尘及开挖揭露地层释放的有害气体使隧道作业环境受到污染，必须采用机械通风的法向洞供应新鲜空气，以稀释有害气体降低粉尘浓度，隧道施工作业环境要到达以下卫生标准：

隧道中氧气含量按体积计不得小于20%，温度不宜高于28℃。

粉尘允浓度，含10%以上游离二氧化硅的粉尘，每m3空气中不得大于2mg；。

含游离二氧化硅在10%以下时，每m3空气中不得大于4mg。

有害气体浓度：

一氧化碳最高容浓度为30mg/m3，在特殊情况下施工人员必须进入工作面时可为100mg/m3，但工作时间不得超过30min。

二氧化碳，按体积计不得大于0.5%。

氮氧化物〔换算成NO2〕为5mg/m3以下。

隧道噪声不宜超过90dB。

三、通风设计原那么

1、科学配置的原那么

科学配置通风设施，风机型号，功率与风管直径必须配套，到达低风阻，满足低损耗高送风量。

2、经济合理的原那么

理论计算隧道需风量，风量以满足标准为原那么，到达既满足现场施工，又节约能源的目的。

3、利用现有设施的原那么

尽量利用现场现有的通风设备，既到达合理利用又满足施工通风的要求。

四、设备选型及通风

施工通风所需风量按洞同时工作的最多人数、洞允最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量和燃机械设备总功率分别计算，取其中最大值作为控制风量。

风量计算参数确定

工程

单位

数量

说明

断面积

m2

55

单个掌子面

一次爆破炸药量

kg

200

单个掌子面

洞最多作业人数

人

30

单个掌子面，按每道工序总和考虑

装碴车功率

kw

160

按1台计算

出碴车功率

kw

4×250

按6台车计算

通风时间

min

30

最低风速

m/s

0.15

风管直径

m

1.5

拉链式软风管，建议采用20m/节

风管百米漏风率

%

1.5

风管摩阻

0.02

隧道沿程摩阻系数

0.025

正洞最长通风距离

m

3000

风量计算

按洞同时工作的最多人数30人计算

·k＝3×30×1.25=112.5m3/min

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，取30人。

k——风量备用系数，取1.25。

按爆破工作量确定需风量

按洞同一时间爆破使用的最大炸药量所产生的有害气体稀释到允浓度时计算风量〔即按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算〕

式中：

——掘进断面面积，全断面开挖55m2；

——通风时间，30min；

G——同一时间起爆总药量，按钻眼4m，进尺3m计算，火工品单耗量1.1~1.3，这里暂取1.2；那么G≈200kg；

φ——淋水系数，取0.8；

b——炸药爆炸后有害气体生成量，计算取40L/kg；

P——通风管漏风系数，取P＝1.02；

L——通风长度〔22950m〕或临界长度〔L′〕,

临界长度用公式L′＝GbK/AP2=815m。

〔式中K为紊流系数，取0.65〕。

取L＝min{L,L′}=75m。

那么，按上式计算可得Q2＝246.39m3/min

按稀释燃机废气计算需风量

·n＝1073m3/min

式中：

—燃机械总功，进入正洞单个作业面按1台装载机〔单机功率162Kw〕，1台挖机〔单机功率110Kw〕，3台大车〔单机功率340马力，乘0.74转换为功率〕考虑。

n－综合考虑负荷率、机械利用率，取值0.3～0.4。

这里取0.35。

—燃机械单位功率供风量，3m3/〔min·kW〕。

按最低风速计算需风量

·60=55×0.15×60=495m3/min

式中：

—最低风速需风量，m3/min；

—最小允风速，取0.15m/s；

—隧道断面积，55m2。

经计算正洞每个掌子面需风量

=1073+112.5=1185.5m3/min。

最大供风量确定

通过以上计算取最大值作为计算风量，

Qmax=max{Qi}={112.5,246.39,1185.5,495}=1185.5m3/min

那么，通风机要求提供风量：

Q供＝nKQmax

式中，K——高原修正系数，取K＝1；

n——为储藏系数，这里取1.15，含风管漏风系数等。

Q供——通风机要求提供风量〔m3/min〕

Q供＝1.15×1×1185.5＝1304.05〔m3/min〕

通风阻力计算

隧道总风压h总＝h摩总＋h摩局+h其它

h摩总——管道摩擦阻力〔Pa〕

h摩总＝6.5×αLQ面Q供/D5

L——管道长度〔m〕；

Q面——掌子面风量〔m3/s〕；以保证掌子面作业人员需求风量。

这里取Q人；

Q供——风机供风量〔m3/s〕；

D——风管直径〔m〕，斜井取2.0m，正洞按1.5m；

α——风管摩擦阻力系数〔N·S2/m2〕,α=ρλ/8，其中ρ为空气密度〔ρ＝1.176kg/m3〕，λ为达西系数〔λ＝0.015〕；那么α＝0.0022

那么，第一阶段：

斜井口至井底风廊段h摩总＝804（pa）

第二阶段：

井底风廊至开挖面h摩总＝1175（pa）；

h摩局——局部性的压力损失〔Pa〕，如风道缩小、转弯等。

通风管采取同直径连接，沿洞身侧壁布置，此局部压力损失可以忽略不计。

h其它——其它因素增加阻力〔Pa〕，根据施工安排综合考虑12.5%。

经计算得出，隧道总风压为：

第一阶段：

斜井通风

h总1＝904.5〔Pa〕，按独头压入式通风设计，风机、通风管按井底需求布设。

第二阶段：

正洞开挖期间通风

h总2＝1322〔Pa〕按同时向3个掌子面通风设计，单个掌子面需风量为1185.5，斜井通风机供风量为：

1185.5x3=3556.5m3

通风管道及设备选型

通风机型号的选择按以下三个条件：

①通风机产生的风量不能不小于理论计算风量；②通风机直径与选取通风管直径不能差异差异太大；③风机全压值≥管道总阻力〔工作风压〕；

在净空允的情况下，尽可能采用大直径风管配大风量通风机，以减少能耗损失的原那么，按同时向3个作业面送风考虑。

南梁山1#斜井及正洞通风将按两步接力的形式施工，采用混合式式。

在斜井段采用2台2×182KW轴流风机向井底风囊供风，正洞4个工作面进口向2个面布设2台2×110KW轴流风机、2#井向布设2台2×75轴流风机，并在三叉口位置设置2台37KW射流风机向斜井向抽出污风，以提高污浊空气的向外流动，斜井井身段风管选用直径2米的通风软管，正洞段选用直径1.5米的通风软管，按最长通风距离进口向3000米计算。

通风设备及数量见下表。

南梁山斜井通风设备表

名称

型号

技术参数

数量

速度〔r/min〕

风压〔Pa〕

风量〔m3/min〕

功率〔KW〕

轴流

风机

SDF〔C〕-No14

高速

1078~6860

2113~4116

×2

2台

中速

470~3136

1756~2771

60×2

低速

274~1725

1152~2085

30×2

轴流

风机

SDF〔C〕-No12.5

高速

930~5920

1695~3300

110×2

2台

中速

406~2704

1407~2219

45×2

低速

237~1487

923~1670

22×2

轴流

风机

SDF〔C〕-No11.5

高速

860~5355

1171~2285

75×2

2台

中速

629~2445

975~1536

24×2

低速

355~1375

639~1267

12×2

轴流

风机

SDF〔C〕-No11

高速

860~5355

1015~1985

55×2

1台

中速

629~2445

690~1345

17×2

低速

355~1375

540~1006

8×2

拉链式软风管

PVCФ2000㎜

PVCФ1500㎜

平均百米漏风率0.02，摩阻系数0.02，每节长度20m/节或10m/节。

射流

风机

SLF系列

37KW

2台

施工通风布置

施工通风布置示意见以下图。

五、经济分析

1、计算法：

通风机按照每500米增加一级功率计算,开机时间均按照每茬炮2小时〔出渣1.5小时，喷浆及其他0.5小时〕通风计算，开挖每循环1.5米计算，共计1687个循环。

电费0.8元/度。

2、斜井通风阶段：

所需设备及材料：

通风机1台，型号：

185x2KW

风管：

2m直径，2530m

电费消耗：

〔30x2+60x2+++60+185x2〕x1687/4x2x0.8=661340元

3、正洞通风阶段：

此时井口通风机16小时运转，洞根据条件通风，按同时向3个掌子面送风计算。

所需设备及材料：

通风机2台，型号：

185x2KW

通风机4台，型号：

110x2KW

总功率：

1620KW

设备投入：

250000x2+115000x4=960000

电费消耗：

（185x2+185x2+（+60）x2+185x2x2+185x2x2）x16x750x0.8+（17x2x3+45x2x3+110x3+（110+17）x3+110x2x3）x2x1500x0.8=30199200元

总计：

31820540元

六、通风保证措施

由专业技术人员进展通风技术及工、机、料的管理，风管吊装必须做到平直、顺，并拉紧吊稳，防止褶皱，以减小管路沿程阻力和局部阻力，在与横通道交接处要防止死弯。

为减少阻力，当外径不同的风机与风管连接时，应以大小头铁皮管节过渡，过渡节长度以3~5m为宜。

风机应设专人值班，根据具体情况开关风机和调节风机的风量，以到达节约用电的目的。

通风的每个阶段均应进展一次系统的测试，测试容包括气象条件、管路风量和风压、作业区段的有害气体和粉尘浓度以及风机安设位置对各断面风速的影响等。

以便及时对通风系统作局部调整，满足施工需要。

为了保证风机能够正常启动和运转，必须为风机提供适宜的供电设备。

加强日常通风检测，保证足够的风量和风压，并且要保护通风管路，防止对通风管路的破坏，降低漏风率。

洞口风机需要安设在距离洞口30m以外的上风向，防止发生污风循环；风管出风口距开挖工作面的距离不超过45m。

因为所选择的风管直径较大，必须保证隧道有足够的净空，防止发生过往车辆和机械刮破风管而影响施工。

采用无轨运输时，运输车辆的尾气排放口必须安设净化装置，以降低对隧道施工环境的污染程度。

采用水幕降尘器降尘、湿式凿岩，出碴前用水淋湿全部碴等措施降低粉尘浓度。

附件1-2：

盖雅压入式通风案

〔盖雅公司设计〕

经济分析

1、计算法：

通风机按照每500米增加一级功率计算,开机时间均按照每茬炮2小时〔出渣1.5小时，喷浆及其他0.5小时〕通风计算，开挖每循环1.5米计算，共计1687个循环。

电费0.8元/度。

2、斜井通风阶段：

所需设备及材料：

盖雅通风机1台，型号：

400KWx2

风管：

2m直径，2530m

电费消耗：

变频可调，比传统通风机节约30%。

3、正洞通风阶段：

此时井口通风机16小时运转，洞根据条件通风，按同时向3个掌子面送风计算。

所需设备及材料：

盖雅通风机2台，型号：

400KWx2

总功率：

800x2=1600KW

设备投入：

4000000x2=8000000元

电费消耗：

采用变频技术，用电量节约30%，及节约：

30860540x30%=9258162元

案1-1、1-2经济分析：

根据1-1、1-2案分析，案1-2比案1-1节约，同时由于案1-2通风机数量少，施工简便，更具可操作性。

附件2

南梁山隧道2#斜井

隔离巷道式施工通风案

中隧集团晋中南铁路六分部

2010-9

一、编制依据

⒈2#斜井平面示意图、斜井横断面图、正洞横断面图；

⒉初步的人力与非人力施工资源配置概况；

⒊可能在隧道使用的施工机械、设备、器具等处于Ⅱ类及其以上状态时的能耗指标；

⒋相关的标准、规、指南、规那么等；

二、行业事实根底与思路要点

⒈行业事实：

独头压入〔含接力〕式通风对于长度近5km的施工通风距离不可行，业界尚无成功案例，可见资讯为约3.5km且后期通风效果并不理想；独头混合式通风理论上是可行的，但是由于局部循环风、3次接力〔本隧道〕导致的多处电力配置可能需要12台通风机处于运转或待运转状态使其在效果、经济性面明显缺乏，交通隧道施工面成功案例比水利隧道面少。

⒉思路要点：

⑴由于通风管不能无限止地大直径、通风机不能无限制地加大功率，就像任知识的螺旋式上升一样，以轻型管道和轴流式通风机为根基的施工通风模式也有其阶段性阈值，该阈值的突破有待于轴流式通风机和轻型管道制造业的革命式嬗变，显然我们期待的革命仍然像茫茫黑夜中盲然航海的一叶扁舟；

⑵根据近20余年隧道通风的实践和经历可初步认为常规隧道施工通风长度能力的主要限制点，首先在于轴流式通风机的能力，虽然约10年来制造行业进展了大量的探索，但根本处于改良日本轴流式通风机的阶段；其次在于轻型正压通风管的管理漏风率和直径的各种限制，自上世纪90年代初仿制日本拉链式通风管以来，业界只是主攻连接式、材质、悬挂式的改良，从而导致独头压入长度的瓶颈；其三在于没有轻型、经济的负压通风管面世，致使隧道工程师不便将通风机较为自由地安装于期待的位置；

⑶上述三面限制之中任一面的突破都会使隧道施工通风产生进步，于是我们想到借助巷道式通风的思路，只要在施工运输的通道中隔离出一个满足我们需求的巷道去替代负压通风管就可以产生一个飞跃；

⑷中铁隧道的分公司在甬台温凤凰山隧道的砖砌巷道不能称为成功，积累了很多珍贵的经历，但在关角隧道的初步实践已经显现出成功的曙光，一处借鉴关角隧道在渝利铁路长洪岭斜井的再度实践已经初步显示过程成果；因此隔离巷道式通风应该、也必然是隧道施工通风独头长度飞跃的一块基，但从经济性面而言可能比拟适宜于非大断面隧道。

⒊概念：

隔离巷道式通风就是用不透风的隔板将施工通道或隧道上部隔离形成通风巷道，下部仍然作为施工通道的通风式。

见示意图、照片〔补长洪岭一〕：

隔离巷道示意图隔离巷道实例照片1

隔离巷道实例照片2

⒋经济性预测：

根据业界的实践、编制者的经历、对案与费用之间的直感初步认为，隔离巷道式通风虽然设施费用较高但在效果、总体经济性、可达施工长度面均具备明显优势。

上述判断的根底在于对通风机能耗在隧道施工通风总体费用面所占的比例的认知。

三、案概述

根据南梁山2#斜井及正洞设计、施工组织模式的资源配置、下述的计算等情况，拟将施工通风分为4个阶段，各阶段示意如下：

⒈第一阶段：

独头压入式

⒉第二阶段：

隔离巷道+双机别离压入式

⒊第三阶段：

隔离巷道+四机别离压入式〔下部射流风机可做备选〕

⒋第四阶段：

延长隔离巷道+四向压入式

5说明：

为预留由于天气气压因素和其他不利因素的负面影响，将在巷道和会车道处恰当位置安装射流风机以协助处置可能的巷道风量缺乏和污风道不畅。

6.竖井污风通道：

考虑2号斜井洞口处于河道风口处，污风排除困难，而新鲜空气易抽入，方案在斜井井底设置通风竖井一座:

竖井直径1500mm,深约345m。

通风竖井可以大大加快污风排出，减少洞射流风机的安装或运行时间，必要时在通风竖井加设射流风机加快污风抽排。

通风竖井平面位置及立面图

四、通风计算

⒈条件与计算模型：

⑴假设隔板不漏风；拉链式轻型软正压通风管百米漏风率0.015-0.02、摩阻系数0.02；工作面最小允风速V≥0.15m／s；巷道最大允风速V≤15m／s；通风管允最大风速V≤24m／s；

⑵斜井井身和正洞施工分别计算，且正洞施工需风量按2个作业面同时处于一种工况计算；

⑶以燃机械为主的无轨运输式隧道施工的通风最不利工况为出碴阶段。

⒉斜井施工通风计算

参数：

340马力〔功率250KW，排气量20l/min〕出碴车6台，

砼罐车〔功率213KW，排气量20l/min〕1台，

ZL50C燃装载机（功率162KW）2台，

PC200挖掘机（功率170KW）1台，

1.5t农用车（功率17KW）2台，

工作人员20人，

斜井断面面积48m2。

按洞稀释燃机械废气计算：

Q＝V／K（m3／min）+n×m,其中

式中：

β——燃机产生的有害气体，按照有净化装置机械产生的CO气体为0.09×10-3（m3／min.kW）；

P——燃机功率；

K——允浓度（0.01％）

n——每人每分钟呼吸所需新鲜空气量，取为4m3／min；

m——同时工作人数，

计算得：

Q＝2097m3／min

⒊正洞单工作面施工通风计算

⑴单个工作面最不利工况：

参数：

340马力〔功率250KW，排气量20l/min〕出碴车6台，

ZL50C燃装载机（功率162KW）1台，

PC200挖掘机（功率170KW）1台，

1.5t农用车（功率17KW）3台，

工作人员35人，

正洞开挖断面面积按53m2。

⑵按洞稀释燃机械废气计算：

Q＝V／K（m3／min）+n×m,其中

式中：

β——燃机产生的有害气体，按照有净化装置机械产生的CO气体为0.09×10-3（m3／min.kW）；

P——燃机功率；

K——允浓度（0.01％）

n——每人每分钟呼吸所需新鲜空气量，取为4m3／min；

m——同时工作人数，

计算得：

Q＝2337m3／min

⒋最大风量：

按照2个工作面同时出碴和另外2个工作面分别处于初期支护工作阶段进展组合〔以2台干式喷射机作业，单台风量需求为900m3／min〕，正洞施工所需最大风量为7374m3／min。

⒌隔离巷道面积检核：

分别按巷道最大允风速为15m／s和24m／s检算，所需巷道面积分别为8.3m2和5.2m2，以巷道摩阻和漏风率合计影响度20%计算所需巷道面积分别9.96m2和6.24m2；

五、通风设备与材料选型

⒈主要备选通风设备与材料参数表

名称

型号

技术参数

速度〔r/min〕

风压〔Pa〕

风量〔m3/min〕

功率〔KW〕

轴流风机

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

轴流风机

SDF〔C〕-No14

高速

1078~6860

2113~4116

×2

中速

470~3136

1756~2771

60×2

低速

274~1725

1152~2085

30×2

轴流风机

SDF（D4）-NO16

980

1236-8100

2088-4500

110×4

备选主扇

SDF（D4）-NO18

980

1564-10300

2973-6100

200×4

射流风机

风速33m/s，风量2364m3/min，功率37KW

射流风机

SSF-№16

风速30.9m/s，风量3727.6m3/min，功率55KW

拉链式

软风管

PVCФ1800㎜

平均百米漏风率0.02，摩阻系数0.02，节长20m或10m，过风面积2.5m2。

拉链式

软风管

PVCФ2000㎜

平均百米漏风率0.15，摩阻系数0.02，节长50m或100m，过风面积3.1m2。

⒉通风设备与材料选型

⑴选型原那么：

为便于维护和备用，通风机选用规格宜统一；为预留一定的风量充裕一般高选一级风机规格。

⑵具体配置：

单口斜井及正洞通风设备选型及配置如下：

主通风机选用SDF〔C〕-No12.5〔最大功率为110×2kw〕,需安装4台；

射流风机选用37-55kw规格即可，需安装5台,每个掌子面1台，三岔口1台。

⑶通风管选型：

按上述通风管漏风率和斜井、正洞最大通风距离分别为1500m、1700m检算所需通风管直径分别为1860mm、1720mm，即所需通风管直径为1800mm。

六、考前须知

⒈风机、风管安装时须避开隧道〔斜井〕中线位置，以便于隔板在跨中处悬吊、固定，如此可以防止隔板横梁规格过大；

⒉斜井初支构造拟安装隔板高程上下约1m围须保证初支的密实、平顺，以便于隔板密封；并在此部位预留横梁安设