西秦岭隧道施工通风设计方案.docx
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西秦岭隧道施工通风设计方案
西秦岭隧道施工通风方案
中铁隧道集团科研所
2008．12．1
西秦岭隧道施工通风方案
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》
（4）《关于展开有害气体监测的通知》
（5）集体公司有关文件
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212国道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。
西秦岭特长隧道工程主要工程数量表表1
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
3.2.3施工方法
本段隧道除西秦岭隧道出口段采用TBM法施工外，其他段均按钻爆法组织施工，根据不同围岩级别及水文地质情况选择合理的施工方法，同时根据监控量测结果，适时施作二次衬砌。
（1）钻爆法段施工方案
正洞隧道根据不同的地质采用全断面法、台阶法或环形开挖预留核心土法开挖，初期支护采用喷、锚、网、为主的支护方式，在软弱围岩地段辅以钢架支护，断层破碎带等不良地质地段加强支护。
Ⅲ级围岩段采用全断面开挖法开挖，多功台架湿式凿岩机钻孔，光面爆破。
Ⅳ级围岩段采用台阶法开挖，多功台架湿式凿岩机钻孔，光面爆破。
Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法开挖，上台阶环形采用人工手持风镐开挖，核心土及下台阶采用挖掘机开挖，人工修整到位，必要时采用控制爆破。
（2）罗家理斜井施工方案
本标段西秦岭隧道距出口9970m处设置罗家理斜井一座，为永久工程，为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，Ⅲ级围岩段采用全断面法开挖，Ⅳ级围岩采用台阶法开挖,Ⅴ级围岩段环形开挖预留核心土法开挖，挖掘机开挖，人工配合修整到位，必要时采取控制爆破。
多功台架湿式凿岩机钻孔，光面爆破。
（3）西秦岭隧道TBM法施工方案
西秦岭隧道出口段TBM施工采用一台欧美公司生产的Φ10.20m全断面敞开式硬岩掘进机独头掘进，掘进8.296km后步进通过罗家理斜井施工正洞段并完成TBM的检修后二次掘进7.851km，在洞内与进口钻爆段实现贯通。
TBM采用洞外组装、步进通过出口钻爆法施工TBM预备洞段后始发掘进，连续皮带机出碴，在洞外转入自卸汽车运输至指定弃碴场；洞身支护方案采用锚喷支护，隧底在掘进过程中安装预制仰拱块，铺设双线，采用编组列车进行材料运输。
隧道出碴采用连续皮带机出碴方案。
在隧道出口至罗家理斜井区间第一阶段掘进中，隧道洞碴在洞口设置转碴装置，转为无轨运输至指定弃碴场；隧道完成第一阶段掘进后，步进通过罗家理斜井正洞钻爆段后，在斜井内布置一条支洞皮带机，隧道洞碴通过主洞皮带机倒运至支洞皮带机上，在罗家理斜井洞口设置装碴装置，转为无轨运输至指定弃碴场。
隧道施工所需支护材料及其它施工材料采用有轨运输方式。
洞内布设双线，采用编组列车进料。
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
1.7、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
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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，第四阶段，出口工区所需射流风机为6台。
5.3TBM施工通风（散热）计算
TBM隧洞施工中，通风的作用一方面是向工作面输送足够的新鲜空气、滤除开挖掌子面附近空气中的粉尘;同时由于掘进机运行过程会产生大量的热量，必须通过通风达到散热的目的。
相对比传统的钻孔爆破法施工，TBM长隧洞通风问题相对较简单。
（1）主要计算参数
洞内同时工作最多人数按58人/工作面考虑；
洞内每人应供应新鲜风3m3/min；
TBM散热系数为2.5m3/（s·KAV）；
TBM最大功率暂定为4200KW，
（2）计算结果
①按人数计算风量时所需要风量为174m3/min；
②为TBM散热所需风量为630m3/min左右。
根据以上计算结果，取①和②总和为掌子面需风量，需风量为804m3/min左右；
5.4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，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。
（1）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=1803m时，通风阻力H=1.76Qf2；风压为3250P，风机出口风量为2590m3/min，风管出口风量为1799m3/min。
当送风距离L=2750m时，通风阻力H=2.28Qf2；风压为3750P，风机出口风量为2450m3/min，风管出口风量为1405m3/min。
当送风距离L=3450m时，通风阻力H=2.55Qf2；风压为4020P，风机出口风量为2374m3/min，风管出口风量为1182m3/min。
从风量结果看，店子坪斜井最大独头通风距离为2750m，根据通风方式，隧道进口施工通风独头通风距离最大可达到3450m，这时候风机出口风量为1182m3/min，小于隧道开挖需要的风量1280m3/min，在后期可利用在第三阶段时候的对右线本标段施工范围846m进行通风的风机和通风管路，继续对左线进行通风，即为两台风机和两趟通风管路共同对左线进行进口开挖面进行通风。
下图一为1.7m为SDF（C）-No12.5型轴流风机与1.7m风管特性曲线图，其中趋势线（4）为220kw的轴流风机的特性曲线，
（1）为1.7m风管通风距离为1803m的时候的特性曲线，
（2）和（3）分别为通风距离2750m和3450m的特性曲线；风机和风管的特性曲线的交点，即为此类型风机和风管在固定通风距离的时候的工作参数值，可求出风机的风压和风量。
图一1.7m风管特性曲线图
（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=5000m时，通风阻力H=2.21Qf2；风机出口风量为2470m3/min，风管出口风量为899m3/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达到5000m，当独头超过5000m，可采用巷道式通风方式。
现场可根据自己的配置情况，在节约风管数量的情况下，可考虑在出口进入TBM施工以后，立即改用巷道式通风方式。
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
Ф1700㎜
Ф1800㎜
平均百米漏风率0.02，摩阻系数0.01~0.02，每节长度20m/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
3台，另备用1台
Ф1700㎜
16000
罗家理斜井
SDF（C）-No12.5
5台，另备用1台
Ф1800㎜
14000
出口工区
SDF（C）-No12.5
1台，另备用1台
Ф1800㎜
16600
SSF-№16
6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，其通风布置详见《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220kw轴流风机和两道Ф1700㎜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220kw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㎜，其通风布置详见《西秦岭隧道施工通风布置示意图图2》。
第三阶段，当店子坪斜井和正洞贯通以后，进口工区左线采用混合式通风，新风通过店子坪斜井引入，轴流风机放置在店子坪斜井，并且将店子坪斜井用风墙砌好，然后由轴流风机通过风管送到左右线两个各作业面，污风由正洞进口排出洞外；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，因为罗家理斜井存在同时三个作业面施工的可能，所以要预备设置三台轴流风机和三趟软风管的布置；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7000m至8000m的开TBM挖工作时间。
其通风布置详见《西秦岭隧道施工通风布置示意图图3》。
第四阶段，当进口工区完成846m右线任务以后，继续采用混合式通风，新风斜井引入，污风由正洞进口排出，轴流风机放置在店子坪斜井内，利用第三阶段对右线846m进行通风的轴流风机和软风管对开挖工作面进行压入式送风，即为两台通风和两趟通风管路共同对左线进口进行压入式通风，同时两趟管路进行通风的具体时间，应该在1000m的左线进口开挖时间以内；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；其通风布置详见《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。
图二机构人员编制图
8.1.3各岗位职责见下表5
项目主要人员和小组职责表表5
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
8.2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。
8.3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.施工通风辅助措施
（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。
（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。
10.气体监测
根据《铁路隧道施工规范》以及中铁隧道集团理事会安全质量管理委员会文件（隧安质委【2008】25号）文，《关于展开有害气体监测的通知》；为了掌握工作场所有害气体的种类和浓度，采取有效措施降低施工安全风险，保证员工的生命安全和身体健康，要求在全集团相关施工项目开展有害气体监测工作。
10.1开展有害气体监测的工地
（1）所有山岭、市政隧道和地下工程项目；
（2）独头施工1000m以上隧道（巷道）项目；
（3）人工挖孔桩及深基坑（开挖深度超过5米）的项目；
（4）垃圾、污物堆埋场附近的项目；
（5）设计文件中指出存在或可能含有有害气体的项目。
10.2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%~1.0%。
10.3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。
10.4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CO、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，H2S浓度，SO2浓度，CH4浓度等各项指标都有严格要求，定期对上述各项指标浓度进行检测，以上述各项指标为基准，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。
10.5测对象、仪器
仪器选型本着既方便现场使用，又能准确的测量有害气体浓度的原则，集团公司推荐直接读数式监测仪器。
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
参考价（元）
CH4
瓦斯测定仪
MINIEX
北京
6800
CH4
瓦斯报警仪
AjB-2/CH4
北京
2700
CH4
光干涉甲烷
测定仪
CJG-10
重庆
860
CH4
瓦斯报警断
电仪
ADJ-2
国产
面议
CO
一氧化碳报
警仪
GIR/CO
北京
4050
CO
一氧化碳检测仪
BY-200-CO
北京
5800
SO2
二氧化硫检测仪
BY-200-SO2
北京
6000
SO2
二氧化硫检测仪
TY-9500-（SO2）
北京
6800
H2S
硫化氢检测仪
H2S
北京
3600
H2S
硫化氢报警仪
H2S
北京
2800
NO2
便携式NO2
仪
Impulse
pro
英国
面议
风速
热球式
风速仪
QDF-3型
北京
面议
通风量
（m3/min）
由风速和断面积计算求得
10.5监测频率
（1）规定范围内的工地，每3至7天监测一次。
（2）独头施工1000m以上隧道（巷道），开挖超过300m时开始监测。
（3）施工中造成地质、有害
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