隧道施工机械通风技术

使用通风机和管道的机械通风是隧道施工中最普遍的通风方法，在掘进距离较长的隧道施工中都采用机械通风。

一 基本布置形式

通风机通风系统的基本布置形式有压入式、抽出式（或压出式）及混合式三种。 1．压入式

l 图1 压入式

如上图1所示，通风机或局部扇风机把新鲜空气经风筒压入工作面，污浊空沿隧道流出。 从风筒口到风流反向点的距离称为有效射程（l）。有效射程以外的炮烟及废气，呈涡流状态，不能迅速排除。

有效射程按下式计算：

l1=(4~5)

A

式中：l1—有效射程，m；

2

A — 隧道的断面积，m。

在应用压入式通时须注意以下两点：

（1）通风机安装位置应与洞口保持一定距离，一般应大于30m；

（2）风筒出口应与工作面保持一定距离，对于小断面、小风量、小直径风管，该距离应控制在15m以内；对于大断面、大风量、大直径风管，该距离应控制在45~60m以内。

2．抽出式（或压出式）

（a）抽出式 （b）压出式

图2抽出式和压出式

如上图2所示，通风机或局部扇风机经风筒把工作面的污浊空气抽出，新鲜风流沿隧道流出。抽出式通风只有采用硬质风管，若采用柔性风管，则系统布置应如上图2所示如上图2（b）所示的 压出式通风。

风流的有效作用范围成为有效吸程（l）。有效吸程以外的炮烟及废气呈涡流状态，排出困难。 有效吸程按下式计算：

l=1.5

A

式中：l1—有效吸程，m；

2

A — 隧道的断面积，m。

抽出式通风的回风流不经过隧道，故排烟时间或排烟需的风量与隧道长度无关，只与炮烟抛掷区的体积有关。

炮烟抛掷区是指放炮后炮眼弥漫的区域。炮烟抛掷区的长度用下式计算：

l0=15+

G 5式中：l0—炮烟抛掷区的长度，m；

G — 同时爆破的炸药量，kg。

3．混合式

图3 混合式

混合式通风如上图3所示。抽出式(在柔性风管系统中作压出式布置)风机的功率较大，是主风机。压入式风机是辅助风机，它的作用是利用有效射程长的特点，把炮烟搅混均匀并排离工作面，然后由抽出式(压出式)风机吸走。这种方式综合了前两种方式的优点，适合于大断面长距离隧道通风，在机械化作业时更为有利。采用喷锚支护的隧道，喷浆地点的粉尘浓度很高，采用混合式通风，降尘效果十分明。

为了避免循环风，混合式通风系统中压入式风机进风口距抽出式风筒吸风口(或压出式风机吸风口)的重合距离不得小于10m。两风筒重合段内隧道平均风速不得小于该隧道的最低允许风速。吸风口距工作面的距离应大于炮烟抛掷长度，一般为30~50m以上。压入式风筒口距工作面的距离应不大于风流的有效射程。

二 施工通风的风量计算

进行风量计算的目的是为正确选择通风设备和设计通风系统提供依据。通风系统的供风能力应能满足工作面对风量的最大需求。

掘进工作面所需风量可分别按下列方法计算，取其最大者作为供风标准。

（一） 按排除炮烟计算风量

1． 压入式通风的风量计算

2.253G(AL)2bQ=•

tP2式中：Q—工作面风量，m/min；

3

t—通风时间，min;

G—同时爆破的炸药量，kg；

2

A—掘进巷道的断面积，m； L—巷道全长或临界长度，m； Ф—淋水系数，按表1取值；

表1 淋水系数表 井巷潮湿情况 沿干燥岩层掘进的巷道 潮湿的巷道 岩层含水或使用水幕 Ф 0．8 0．6 0．3

b—炸药爆破时的有害气体生成量，煤层中爆破取100，岩层中爆破取40； P—风筒漏风系数：P=1/（1-

L×P100），P100为百米漏风率，一般取2%，L为巷道全长。 100长距离巷道掘进时，炮烟在沿巷道流动过程中与巷道内的空气混合，在未达到巷道出口时已稀释到允许浓度，从工作面至炮烟已稀释以允许浓度处的距离称为临界长度。在这种情况下，公式

2.253G(AL)2bQ=•中“L”应用临界长度代入计算。 2tP临界长度用下式确定：

L=12.5

GbK 2AP式中 L——临界长度，m；

K——紊流扩散系数，由表4—2查取； G、b、A、P意义同前。

表2 紊流扩散系数 ι/2D 6.35 7.72 K 0.40 0.46 ι/2D 9.60 12.10 K 0.53 0.60 ι/2D 15.80 21.85 K 0.67 0.74 注：ι——风筒口距工作面长度m；D——风筒直径m。

2．出式(压出式)通风的风量计算

抽出式(压出式)通风的风量计算按以下公式：

Q=2.t13

GbA(15G5)式中：Q——工作面风量，m3/min；

其他符号意义同前。

必须指出，以上两种方法都只适用于爆破后立即开始通风的情况。否则，由于炮烟不断向外蔓延，增大了炮烟区的容积，上述计算的风量将偏小，会延长通风排烟时间。 3．混合式通风的风量计算

在混合式通风系统中，使用两台工作方式不同的通风机或局部扇风机，它们的风量应分别计算。 以压入方式工作的风机应向工作面提供的风量可用下式计算：

Q=2.t25

式中 Q——工作面风量m3/min；

3G(AL)2b

L——抽出式风筒口到工作面的距离，m；

其他符号意义同前。

（二） 按排出粉尘计算风量

1． 按排尘风速计算风量

Q=v·A

式中 Q—需要的通风量，m/min；

v—排尘风速，一般取0.15~0.3m/s ，即9~18m3/min； A—隧道开挖断面积，m2。

2． 按排尘风量定额计算风量

排尘风量定额是根据设备及作业过程的产尘强度（mg/s），在稳定的通风过程中保持工作面粉尘浓度不超过许可范围的统计平均风量值。其计算方法是：

Q=I/（c-c0）

3

式中 Q—排尘风量，m/s；

I—工作面产尘强度，mg/s；

3

c—允许的粉尘浓度，mg/m;

3

c0—进风的粉尘浓度，mg/m。

3

（三） 按施工隧道内的最多人数计算风量

根据铁路、矿山等部门颁发的隧道施工技术规范规定，每人每分钟供给风量不得少于4 m，则

Q=4N

式中 Q—工作面风量，m3/min；

N—隧道内同时工作的最多人数。

3

（四） 按最低允许风速计算风量

《铁路隧道施工技术规范》(JBJ204—86)规定：风速在全断面开挖时不小于0.15m/s，坑道内不应小于0.25m/s，但均不应大于6m/s。《煤矿安全规程》规定：掘进中的煤巷和半煤巷允许最低风速为0.25m/s，掘进中的岩巷的最低允许风速为0.15m/s。则工作面风量

Q=υA

式中 Q——工作面风量，m3/min；

υ——允许最低风速，m/s； A——开挖断面积，m2。

（五）按瓦斯涌出量计算风量

若工作面有沼气涌出，必须供给工作面充足的风量，冲淡、排出沼气，保证沼气浓度在1%以下。即

Q=

QCH4·K

BgBgo式中 Q ——工作面风量，m3/min；

QCH4——工作面沼气涌出量，m3/min；

Bg ——工作面允许沼气浓度，取

1； 100Bgo ——送入工作而后风流中沼气的浓度； K ——沼气涌出不均衡系数，K=1.5~2。

（六）按稀释和排出内燃机废气计算风量

使用内燃动力设备时，隧洞的通风量应足够将设备所排出的废气全面稀释和排出，使隧洞内各主要作业地点空气中有毒、有害气体的浓度降至允许浓度以下。通风量的计算采用柴油机额定功率系数法如下：

很多国家和公司经过试验和统计，规定了柴油机的功率通风计算系数k(单位功率在单位时间内所需的通风量)。使用时，以该系数乘以各工作区域内柴油设备的总功率，经验地确定出某区域内的风量。

Q=k

Ni1Ni

式中 Q——某工区所需风量，m3/min；

k——功率通风计算系数，我国暂行规定为2.8~3.0m3/minHp； N——某工区内柴油设备总台数；

Ni——各台柴油设备的额定功率，Hp。

应该注意到，有些设备，比如凿岩台车，只有部分时间柴油机是处于满负荷工况。若不加区别地都乘以一个相同的系数，就会使通风量超过实际需要过多，而造成浪费。因而有些公司根据各种设备工作时柴油机利用率对上述风量计算方法作了修正，即

Q=

i1NTikNi

式中 Ti——各台柴油机设备工作时柴油机利用率系数。例如，加拿大布伦斯威克铜矿采用的柴油机利用率系数Ti为：

铲运机、装载机……………………………………0.65 运矿汽车……………………………………………0.65 凿岩台车……………………………………………0.10 内燃机车……………………………………………0.65 推土机、平路机………………………………0.1~0.65 人员运送车等…………………………………0.1~0.65

这种计算方法简单，对于尚无使用柴油机设备经验的用户较方便。但是，在计算中未考虑各种柴油机的废气排放特性，不区别对待是不合理的。在使用中，这种方法往往和复合危害计算法结合使用。

三 计算扇风机需最小风量

从以上计算结果中选取所需最大风量Qmax，故而在施工中以它作为通风机械设备选配的控制条件，即：

Qm=PQmax

式中 Qm—扇风机所需风量，m3/min；

P—风筒漏风系数：P=1/（1-

L×P100），P100为百米漏风率，一般取2%，L为巷道全长。 100四 计算风筒通风阻力

通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力在风流的全部流程内存在，局部阻力发生在流道断面变化，如拐弯、分支及风流受到其他阻碍的地方。

1．摩擦阻力

对于一条巷道(风筒)，已知长度L，周长U，面积A，摩擦阻力系数α，如令

Rf=

LUA3

Rf称为摩擦风阻。于是摩擦阻力公式可改写成：

hf=RfQ2

对摩擦阻力计算公式，应该明确以下几点：

(1)摩擦阻力(hf)表示流道内风量为Q时，每立方米空气为克服摩擦阻力而消耗的能量； (2)摩擦阻力与风量的平方成正比，风量增大造成摩擦阻力急剧增加；

(3)在通风阻力计算中要注意各个参数的单位要配套：时间用s，长度用m，质量用kg，力用N，摩擦阻力系数用kg/m3，摩擦风阻用N·s2/m8，阻力用Pa

2．局部阻力

在具体条件下局部阻力系数(ξ)，空气密度(ρ=1.2kg/m3)，巷道断面(A)都是常数，故令

Rx=ξ

Rx称为局部风阻，可以得出

hx = RxQ2

降低局部阻力的措施：

(1)风道断面尽量避免突然变化，断面扩大或缩小要逐渐过渡；实验证明，最有利的扩张中心角是8º，最好不要超过20º。

(2)尽量避免直角拐弯，拐角要圆滑，曲率半径要适当，在拐角大，风量大的拐角处最好设置导向叶片。

3．通风阻力

根据摩擦阻力与局部阻力的表达式，可以写出通风阻力的通用表达式：

hL = RQ2

式中 hL——通风阻力，Pa；

R——风阻，N·s2/m3； Q——风量，m3/s。

式hL = RQ2称为通风阻力定律。它反映了通风阻力与风阻、风量的相互关系。这一定律对于一条巷道，或者几条管道的组合，或者整个系统都是适用的。对于一条没有分支的风道来说，阻力定律表示为：

hL = (Rf+Rx)Q2+其它

其它一般可考虑增加5%~10%。hL 即为计算的扇风机全压。

2A2

五 选择通风机械

选择的通风机必须满足：

1．风量Q≥Qmax（由二计算的最大风量） 2．全压≥由四计算的扇风机全压

下面举例说明隧道施工机械通风的计算过程。

营盘山隧道隧道施工通风技术

一．前言

在隧道施工中，通风不仅为洞内施工地点供给新鲜空气、排除粉尘及各种有毒有害气体，创造良好的劳动环境，保障施工人员的健康与安全，而且是维持机电设备正常运行的必要条件。因此，必须重视通风工作。从营盘山隧道施工的情况看，要实现高速度和高效益除依靠长距离独头掘进的机械配套外，研究和应用长距离通风技术也是其中的重要方面。

二．施工通风要求及通风设计

(一)施工通风要求

营盘山隧道全长4140米，出口端独头掘进2000米以上，由于采用全断面开挖，炸药用量大，产生有害气体多。所以施工通风要解决的难题是：除要消除近180公斤炸药一次爆破所产生的污染外，还必须解决二公里左右的风管通风问题。

根据铁道部工程技术规范的规定，经过通风后洞内要达到以下标准： 1．洞内各种气体的含量 O2：按体积计不小于20%；

CO：最高容许浓度为30mg/m3，在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为100mg/m3；

CO2：按体积计不大于0.5%。

氮氧化物(换算成NO2)为5 mg/m3以下。

粉尘允许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉为2mg；在10%以下时，不含有毒物质的矿物性和动植物性粉尘允许含量为10mg/m3；水泥粉尘的允许含量为6mg/m3。

2．洞内的风速

全断面开挖时应不小于0.15m/s，坑道内不小于0.25m/s，但均不应大于

6m/s.

3．洞内施工人员对新鲜空气的需要量 供给每个人的新鲜空气量为3m3/min。 (二)施工通风的风量计算 1．按排除炮烟计算风量 压入式通风的风量计算

2.253G(AL)2b Q=• 2tP式中：Q——工作面风量 m3/min； t——通风时间 min，t=45min； G——同时爆破的炸药量 kg，G=180kg； A——掘进面积 m2，A=55.2m2； L——临界长度 m； ——淋水系数 取=0.8；

b——炸药爆炸时的有害气体生成量 取40； p——风筒漏风系数； 百米漏风率P100=2%，漏风系数得：

P=

11LP10010011.67

200021100100取风筒口距工作面的距离等于风流有效射程，即：

1=4A=455.2=29.71m

ll29.7114.86 2D212查表取紊流扩散系数K=0.65

L(临界长度)=12.5即

GbK180400.6512.5380m 22AP55.21.672.253G(AL)2b2.253180(55.2380)20.8403 Q=484.3m/min 22t45P1.672．按人数计算

Q=qmk

m——隧道内最多人数 m=34人；

q——洞内每人每分钟所需要的新鲜空气 3m3/min； k——风量备用系数 取k=1.1； 则Q=3×34×1.1=112.2m3/min。 3．按最低允许风速计算风量

《铁路隧道施工规范》(TBJ204—86)规定：风速在全断面开挖时不小于0.15m/s，坑道内不应小于0.25m/s，但均不应大于6m/s，则工作面风量：

Q=VA

Q——工作面风量 m3/min；

V——允许最低风速 m/s，V=0.15m/s； Q=0.15×55.2×60=496.8m3/min 4．计算扇风机风量

从以上计算结果来看，爆破作业排烟所需的风量最大，故而在施工中以它作为通风机械设备选配的挖掘条件。

Qm=PQ

Qm——扇风机风量 m3/min； Qm=PQ=1.67×484.3=808.78m3/min

5．计算风筒通风阻力

Rf=6.5

aL D5Rf——风筒摩擦风阻 NS2/m3；

a——风筒的摩擦阻力系数 kg/m3；

L——风筒全长 m，取2000m；

D——风筒直径 1.0m。 查表得：a=0.00294kg/m3

Rf=6.5

0.002942000aL23

=6.5×=38.22NS/m 551D设风筒无分岔、拐弯等局部阻力，则风筒通风阻力为：

hL=(Rf+Rx)QmQ

38.22808.78484.34158.46Pa =

6060由表中查得风筒出口局部阻力系数ξ=1

Q2484.32)65.15Pa hx0=ξ2(60D得扇风机全压为：

hmT=hL+hxo=4158.46+65.15=4223.61Pa

三．施工通风方式的选择及安排

营盘山隧道出口端为独头巷道开挖，无辅助导坑供通风用，施工中工序衔接紧密，开挖面领先衬砌100~120m。衬砌是一次成型，为通风设备的安装提供了较好的条件。同时，由于施工人员、机具绝大部分集中在距掌子面百米范围内，爆破烟尘都集中在一起，根据上述情况，采用轴流式通风机、压入式通风。

施工时的通风布置图1，洞口风机和风管布置见图2（相片略）。

自洞口至衬砌台车段，采用日产MFA100P2——SC3轴流式通风机接软管压入通风,风管直径1000mm软风管,风机安置距洞门18m处。MFA100P2——SC3性能是：风量为1000m3/min，安压达5000Pa，电动机功率为2×55kw。

56 2100m ① ② 2156m

① MFA100P2——SC3对旋轴流式风机 ②1000mm软风管

图 1

四．施工通风综合治理措施

解决通风技术问题主要是合理布局、优化匹配、防漏降阻、严格管理等综合治理，其要点如下：

(1)在系统布置上，坚决杜绝各种形式的“循环风”。风机应安置在洞门外18m处，避免洞内流出的污浊空气重新进入，形成部分循环风。风管出风口到工作面距离控制在45~55m范围内。出风口气体射流倘沿壁扩散后能反向流出工作面，对工作面通风换气有利。另外，风管悬挂在起拱线位置下1.2m，距地面4.3~4.5m，以免影响车辆畅通又能满足开挖台车、边墙衬砌台

车、拱圈衬砌台车通过风管的需要。参见图3。

开挖轮廓吊臂 风筒

Φ1000

图3 风管过开挖台车示意图

(2)风机与风管的性能必须合理匹配，用MFA100P2——SC3风机，用1000或2000的风管，实际采用1000的风管。

(3)防漏降阻是实现长距离通风的技术关键。柔性风管扔漏泄主要发生在接头处和针眼，破损处则发生大量漏风。降低通风阻力的主要技术手段是采用大直径风管；根据流体力学的基本规律，通风阻力和通风机消耗功率都与通风管直径的负五次方成正比。因此，要降低通风阻力，延长送风距离，降低通风的电能消耗，有效途径就是采用直径较大的通风管道。

柔性风管的安装必须做到平顺、挺直、紧扎、安稳。采用罗圈连接和园胎外支撑贴接(见图4)方法，可使风管节长由10m增大到150m以上。在已衬砌好的地段风管可贴接成长风筒。开挖地段则改变原采用的插接式联接为罗圈接头连接，以减少接头漏风和降低局部阻力。采取以上措施使柔性风管的平均百米漏风率降低到2%以下和采用一台风机实现输风长度达2000m以上。

150

300 图4 园胎结构示意图

(4)建立和稳定通风技术队伍，以加强风管管理工作，做到经常检查、修补、调整、更换。为此，成立专门的通风班组，由一名职工任班长，配备2~4人。平时由3名工人负责日常维护工作，需要时增加到4~5人。在开挖仰拱放炮时，做好防护工作，防止放炮损坏风管。工程领导应经常检查通风情况，遇到问题及时组织人员进行处理。

(5)推广综合防尘技术，采用以通风除尘、湿式作业、喷雾降尘、个人防护为主要内容的综合防尘经验。

(6)做好施工队伍通风安全知识的宣传教育工作，要使施工人员牢固树立安全生产观念，掌握通风安全技术，爱护通风设备和设施，共同创造安全舒适的劳动环境。

五．结语

营盘山隧道于1996年2月顺利贯通，出口独头掘进达2156米，通风管长度达2000多米，圆满完成预定的目的，成绩显著。在实施通风过程中，我们深深体会到，通风效果的好坏，不仅决定于通风设计、风机远型，更重要的是做好通风管布置(包括过三个台车)、风管接头方式和针眼处理等项工

960

作。实践证明，采用园胎外支撑贴接是成功的，同时，加强风管日常管理和维修工作，建立一支维护队伍，对保障通风系统的有效性和正常运转尤为重要。在工作中我们也看到，还存在一些问题，如吊挂方式不理想、个别接头贴接不好、过台车风管的维护等等都有待今后不断完善提高。