高原铁路某隧道长斜井施工智能通风供氧技术

吴燕升

(中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西西安 710021)

1 高原长大隧道施工通风现状

长大隧道钻爆法施工中，不仅凿岩、爆破、出渣、混凝土喷射等作业过程会产生大量的粉尘和有害气体，而且隧道中众多的施工机械(如挖掘机、装载机、出渣车等)也会排放有害气体。

在高海拔地区，空气稀薄，气压低、昼夜温差大、空气密度和含氧量降低，人机工作效率降低，风机性能、内燃机车燃烧和排放与平原有很大区别。尤其在半密闭的隧道施工环境中，爆破尾气和内燃设备工作排放废气，隧道空气成分和气压变化使得施工通风设计与平原存在较大差异。由于缺乏对高原隧道施工中有害气体分布规律的认识，高原通风常常依据平原通风经验进行，普遍存在通风效果不佳现象[1－2]。

目前，长大隧道常用的施工通风主要有压入式、隔板式和巷道式等通风技术。通风方式一般为风机＋风管配置。长距离通风一直是隧道施工中的难题，而高原特长隧道的施工通风具有极大的挑战性。

2 工程概况

某隧道为单洞双线隧道，全长20 792.8 m，设贯通平导，最大埋深1 215 m。隧道进口海拔3 220 m，出口海拔约3 720 m，1号横洞洞口海拔3 262 m(长1 854 m)，2号斜井洞口海拔3 820 m(长3 905 m)，3号斜井洞口海拔3 825 m(长3 205 m)。

2号斜井施工任务:向进口方向正洞掘进1 440 m，向出口方向正洞掘进2 166 m，总长3 606 m，隧道正洞断面面积100 m2，平导断面面积30 m2，斜井断面面积40 m2，依次为12% ＋3% ＋12%的连续下坡，隧道截面(7.5×7.5)m。隧道采用钻爆法施工、无轨运输方式。

3 隧道施工通风条件

2号斜井采用钻爆法施工，海拔高、昼夜温差大，含氧量不到平原地区的63%。洞内局部有37℃～50℃和50℃ ～60℃温热水及瓦斯涌出。掌子面有装载机、挖机、出渣车、砼车等内燃设备，斜井和平导施工总装机功率约1 500 kW，正洞约1 750 kW。

为保证施工人员的健康和安全，作业环境应符合《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)和《客货共线铁路隧道工程施工技术规程》(QC-R 9653—2017)的相关标准规定。

4 通风及供氧方案

考虑隔板式通风施工的材料成本高及施工过程会中断隧道施工等因素，经研究比选采用一站压入式通风方案。

4.1 通风布置

按整体施工组织安排，2号斜井施工通风分三个阶段。

第一阶段:斜井自身掘进，钻爆法施工，采用一台KD2X-1风机进行独头压入式通风，最大通风长度为3 905 m，施工通风布置见图1。

图1 第一阶段施工通风布置

第二阶段:斜井施工完成，正洞和平导同时掘进，钻爆法施工，采用独头压入式通风。两台KD2X-1、KD2X-2风机各负责两个作业面通风，施工通风布置见图2。

图2 第二阶段施工通风布置

第三阶段:平导超前开挖，五个工作面同时工作，钻爆法施工，采用独头压入式通风。KD2X-1风机各负责两个作业面通风，KD2X-2负责有超前的三个作业面施工通风，通风布置见图3。

图3 第三阶段施工通风布置

以上施工阶段，另设1台同型号的KD2X-3风机备用，保持良好状态，10 min内可正常运行[3]。KD2X-1、KD2X-2、KD2X-3均为无极调速变频轴流风机。掌子面附近布置环境传感器，实时监测洞内气体、粉尘状况自动反馈控制通风风量，实现智能自动运行。

4.2 通风量计算

钻爆法施工通风风量应分别按最低风速要求、洞内最大工作人数、爆破排烟、稀释和排除内燃机械废气等因素的方法进行隧道通风量计算并确定通风方式，同时根据多年的施工经验对计算结果进行修正[4]。隧道工作面最小风速为0.25 m/s。

4.2.1 作业面需风量计算

需风量计算参数如表1所示。

表1 需风量计算有关参数

工作面需风量按以下因素考虑[5]:

(1)按洞内同时作业人数计算

式中:Q1为洞内同时作业最多人数的需风量(m3/s)；q为每个作业人员的需风量，取4 m3/min；m为作业面同时作业人数；k为备用系数，取1.25。

(2)按洞内允许最小风速计算

式中:Q2为洞内允许最小风速计算的需风量(m3/s)；V为回风速度(m/s)；A为隧道截面积(m2)。

(3)爆破排烟通风量计算

式中:Q3为洞内爆破排烟通风量计算的需风量(m3/s)；t为爆破排烟时间(min)；G为单次炸药最大使用量(kg)。

(4)按稀释内燃机废气计算

式中:Q4为洞内稀释内燃机废气计算的需风量(m3/s)；k为功率通风计算系数；Ni为某类内燃设备总台数(台)；Mi为单台柴油设备功率(kW)；Ti为各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数。

(5)按瓦斯涌出量计算

式中:Q5为瓦斯涌出量计算的需风量(m3/s)；q为绝对瓦斯涌出量(m3/min)；n为洞内瓦斯最大容许量，取0.5%；n0为进风中瓦斯百分数，取0%；k为瓦斯涌出不均衡系数，取1.6。

工作面需风量掌子面取最大值，Q＝MAX{Q1、Q2、Q3、Q4、Q5}，各工区作业面风量取值见表2。

表2 工作面需风量汇总

4.2.2 风机需风量计算

按照通风最不利情况，进行设备选型，并兼顾其他阶段。选用单节长风管以及良好的管理，百米漏风率可以降低0.5%以下，按0.5%计，见表3。

表3 风机风量计算

4.3 风压计算

通风最困难阶段为第三施工通风阶段，斜井布置两根2.4 m直径风管，正洞布置2.2 m直径风管，平导布置1.8 m直径风管。

风机的风压用来克服沿途所有阻力，在数值上等于风管的沿程摩擦阻力和局部阻力之和。风压计算应考虑沿程摩擦阻力和局部阻力[6]，见表4。

式中:P为风管阻力(Pa)；λ为沿程阻力系数；ρ为空气密度(kg/m3)；d为风管直径(m)；β为风管平均百米漏风率；L为管路长度(m)；Qf为风机工作点风量(m3/s)。

表4 管路阻力计算

4.4 风机选型

根据上述计算的风量、风压进行设备选型，见表5。风机初拟选择TV(H)-系列高原型变频轴流风机，效率在84%以上[7]。

表5 风机选型

4.5 风管配置

施工完成的隧洞内风管单节长度选用200～300 m。靠近工作面的钻爆段，风管可选单节20～50 m。风管连接采用内外衬双密封及双拉链连接，以减少接头漏风，减小漏风率。

4.6 隧道富氧

2号斜井处于高原低气压环境中，隧道施工过程中粉尘多，柴油机械设备、运输设备耗氧多，洞内含氧量更低，燃烧不充分后未燃碳氢化合物、CO等含量剧增。在严重缺氧环境下施工，不仅工作效率低，工程进度和安全无法保证，而且作业人员的身体健康也将受到严重危害，甚至生命安全受到严重威胁。

资料表明[8]:海拔高度平均每上升1 000 m，柴油机车功率将损失10%，燃油消耗率上升9%左右。因此，在斜井洞口考虑增设低能耗制氧站以提高送入洞内空气的氧气浓度，达到富氧状态。

若提高隧洞内氧浓度2%，需要产氧500 Nm3/h，配置一套高原低能耗UPSA-500/80制氧装置，即可满足要求[9－10]，可等效降低海拔600 m左右，柴油机车功率将较只通风时增加6%，同时燃油消耗率下降5.4%左右[11－12]。相当于同样功率输出，油耗降低近12%。

隧道富氧后，无需鼻吸管式吸氧或氧疗站，人员工作状态能大幅改善，工作效率提高。

4.7 智能化控制

2号斜井采用隧道智能化通风供氧控制系统，在洞内工作面布设环境监测传感器，收集洞内气体成分、瓦斯、温度、湿度、风速等各类数据，经智能化终端处理，控制轴流风机、制氧站工作状态。

隧道通风、供氧智能化控制系统由施工环境监测、通风供氧智能化设备、设备运行参数监测、视频监控系统、智能管理云平台等组成，见图4。

图4 智能化控制原理

通风、制氧站具有一键启停功能，带有手机端智能控制。智能管理系统可根据隧道内气体、粉尘状况自动反馈控制通风和供氧量，实现节能运行。通过系统自身的自适应优化调节，可显著改善隧道内部施工环境，并节电30%以上。

5 通风供氧管理

以“合理布局、优化匹配、防漏降阻、严格管理、确保效果”为方针，作为隧道施工通风管理的指导原则，强化通风管理。

采用双电路的风机通电，成立专业通风维护班组，及时对通风管路、制氧站运行状态进行检查、维护，确保施工期间高效运转。

6 通风效果监测

为掌握2号斜井通风、供氧和智能化控制系统的运行效果。将洞内的采集传感器严格校准后，对比智能平台所收集的洞内环境信息和能耗情况，见图5。

图5 智能控制时隧道内CO和粉尘监测

现场环境监测结果表明:智能控制能保证洞内施工环境良好，且节能27%左右。

7 结束语

高原某隧道2号斜井改隔板通风为三阶段独头压入通风方式和隧道整体富氧方案，通过电动风阀和智能化控制系统，根据作业面环境参数做风量调节，同时进行多个工作面施工。加强通风管理，提升洞内氧浓度，以增加内燃机车输出功率，降低油耗和废气排放，降低了通风和燃油消耗量，效益明显。