长距离沉管隧道施工通风技术

马宗豪

【摘 要】港珠澳大桥沉管隧道全长约6 km,海底隧道沿纵向呈“W”型布置,长距离隧道通风存在难点.分别研究了长距离沉管隧道单机压入式通风和串联式通风技术,通过在工艺设计、风机选型、经济性方面进行对比验证,阐述了单机压入式通风技术的优点,对于解决国内外长距离隧道通风有一定的借鉴和参考意义.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2014(000)005

【总页数】5页(P148-151,155)

【关键词】长距离;沉管隧道;单机压入式通风;港珠澳大桥

【作 者】马宗豪

【作者单位】中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266001

【正文语种】中 文

【中图分类】U455

随着隧道掘进技术的发展，长距离深埋隧道不断涌现，隧道施工环境成为关键课题。在没有辅助导坑的条件下，隧道传统的施工通风方式采用多台串联或抽压混合的通风方式[1]，通过串联或混合来弥补因风机功率不足所引起的缺陷，但该方式在经济性方面存在较大缺陷，不利于长期的通风管理。近年来随着风机结构的不断优化，风管材质的不断更新，单机压入式通风方式在多个长大隧道中得到应用且效果明显。

单机独头压入式通风是指在单洞隧道通过一台风机压入式通风满足整个隧道施工通风。该项技术的难点在于随着隧道的加长，风机的功率和能量损耗成为瓶颈。为此，大功率风机、大直径风管的研究成为重点。1995年西康线秦岭Ⅱ线6.2 km平导进口端采用独头压入式通风，选用日产PF-110SW55型对旋轴流风机[2]；2007年锦屏水电站建设TBM项目8 km段采用Swedvent单机压入式通风，风管直径3 m，风机功率超过150 kW[3]；2012年南吕梁山隧道1#斜井5.2 km采用2×200 kW的两级轴流变频风机单机压入式通风，风管直径2.2 m[4]。港珠澳大桥沉管隧道全长5.99 km，沿纵向呈“W”型布置，隧道最低点底高程-43.947 m，隧道结构为Y型中隔墙两孔一管廊形式，中隔墙预留安全门与排烟道，保证两行车孔相通。长距离较大高差的海底隧道通风采用单机压入式是本文研究的重点。

港珠澳大桥沉管隧道建设分为两个阶段：E1-E29管节，全长约5.3 km，隧道纵断面呈下降后上升状态，最大落差约32 m；E33-E30管节，全长约750 m，隧道呈下降状态，最大落差约15 m。本文重点分析5.3 km段的施工通风，采用压入式送风，保证作业端的新鲜气流大，空气流通顺畅。压入式通风分为单机压入式、串联压入式，针对两种通风方式分别在设备选型和经济成本两方面进行比较。

2.1 单机压入式通风

采用两个行车道单机压入式送风 ，最长送风距离约5.3 km；每个行车道设一台大功率轴流风机，采用变频控制，可根据距离调节风量需求，节约用电成本，见图1。

2.1.1 通风设计标准

在整个施工过程中，隧道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，按体积计不得小于20%；2)粉尘容许浓度，空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2 mgm3,10%以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4 mgm3；3)有害气体最高容许浓度：一氧化碳最高容许浓度为30 mgm3,二氧化碳按体积计不得大于0.5%,氮氧化物(换算成NO2)为5 mgm3以下；4)隧道内气温不得高于28 ℃；5)隧道内噪声不得大于90 dB；6)隧道施工通风应提供管内作业所需的最小风量，每人应供应新鲜空气3 m3min。

2.1.2 计算条件

1)单管廊最大作业人数按200人考虑；2)隧道施工内燃机设备及废气量为1 496 kW；3)沉管隧道最大高差14.6 m；4)采用内燃机械作业时1 kW功率的机械设备供风量不宜小于4.5 m3min，内燃机设备利用系数取0.65，同时利用系数取0.85；5)按允许最低风速计算时，要求隧道内平均风速不低于0.2 ms ；6)管路阻力计算时，需要考虑隧道的坡度变化 ；7)通风管直径 φ1.5～3.0 m，根据试算确定，管节不短于20 m；8)风管百米漏风率β=1.0%(根据有关调研，目前最好的10 m节长拉链软风管的百米漏风率通常在1%

以下)；9)风管内摩阻系数λ=0.014(摩擦系数λ主要取决于所用风管内壁的相对光滑度，目前一些国外承包商为我国隧道工程项目提供的技术文件中常用的数值为0.014)；10)风量备用系数k=1.2。

2.1.3 计算公式

1)供风量计算。

风量计算按压入式通风考虑，确定工作面需风量，需计算出满足洞内工作人员呼吸所需空气量Q1，施工内燃机设备所需要的空气量Q2，满足洞内最小风速(v=0.2 ms)所需空气量Q3，取3种计算中的最大值作为通风系统出风口的所需风量。

①按作业人员数量计算。

式中：q为每人每分钟呼吸所需新鲜空气量，取3.0 m3(min·人)；n为隧道内同时工作的最多人数，按照隧道作业最做多人数计算，考虑后续内装施工较多，初步估计5 300 m段单管廊最大作业人数约200人；k为风量备用系数。

②按稀释和排除内燃机废气计算风量。

沉管隧道管内作业主要涉及水电管路、拆除钢封门、压载混凝土现浇等。单管廊需要的机械设备有运输车、高空作业车、叉车、混凝土罐车等。

式中：K为功率通风计算系数,我国暂行规定为4.5 m3(min·kW)；Ni为各台柴油机

械设备的功率；Ti为内燃机设备利用系数；一般取0.65(考虑到隧道内内燃机设备同时公用的原则，可以乘以同时利用系数0.85)。

③按允许最低平均风速计算。

式中：A为隧道有效断面积；v为隧道内平均风速。

2)漏风量计算。

通风机的供风量除满足上述计算的需要风量外，还应考虑漏失的风量。

漏风系数的计算公式如下：

式中：β为风管百米漏风率，取1.0%；L为风管计算长度。

3)风机送风量计算。

式中：Qj为通风机风量(m3s)；Q为风管出口风量(m3s)。

4)风管直径选择见表1。

从表1风管与风速、沿程损失的关系看出，风管越大，沿程损失越小，风速也越小。沿程损失减小的梯度大于管内风速的梯度，风管内风速不宜大于15 ms，风管直径可根据沉管断面的富裕情况在2.5～3.0 m选择，本计算选3.0 m。

5)管路通风阻力计算。

通风阻力包括风管内的摩擦阻力、局部阻力，以及隧道内沿程摩阻损失、车辆设备通风阻力；风管及隧道的摩擦阻力在风流的全部流程内存在，如拐弯、分支及风流受到其他阻碍的地方。为保证将所需风量送到工作面，并达到规定的风速，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即H>H阻。其中，总通风阻力为摩阻力与局部阻力之和，即有：

①风管局部阻力损失。

在本隧道通风方案中，主要有转弯引起的局部压力损失，按下列公式计算：

式中：ξ为局部阻力系数；ρ为空气密度；ν为转弯管道风速。

拐弯局部阻力系数ξ计算公式[5]如下：

式中：D为风管直径(m)；r为弯曲管段内壁半径(m)。

②风管沿程阻力损失。

考虑漏风影响，在洞口轴流风机出口处的风量最大，等于风机设计风量；在风管末端出风口风量最小，等于实际所需的风量，按下列公式计算：

式中：λ为摩擦系数；ρ为空气密度；D为过风断面当量直径；L为风管长度；β为风管百米漏风率平均值；Qj为风机工作点风量。

③隧道内沿程阻力损失。

式中：ρ为空气密度(kgm3)；vr为行车道内风速(ms)。

④隧道内车辆设备通风阻力。

2.1.4 计算结果

单机压入式通风计算结果：风管出风量为3 719.4 m3min，漏风系数为1.7，风机送风量为6 323 m3min，风机风压为2 077 Pa。

2.2 串联压入式通风

采用两个行车道串联压入式送风 ，最长送风距离约5.3 km，每个行车道设2台大功率轴流风机，洞口1台，中间接力1台风机，采用变频控制，可根据距离调节风量需求，节约用电成本(图2)。

风量计算过程与单机压入式完全相同，但沿程阻力计算存在差异。

2.2.1 风管沿程阻力损失

按照考虑漏风率的沿程损失计算公式，前半段的沿程损失值为：

式中：λ为摩擦系数；ρ为空气密度；D为过风断面当量直径;L为前半段的风管长度；

β为风管百米漏风率平均值；Qj为风机工作点风量。

后半段的风机风量为:

后半段的沿程损失值为：

2.2.2 计算结果

串联式通风计算结果见表2。

通过以上计算结果，对通风设备进行选型，进而比较经济性。方案以浙江上风实业股份有限公司DTF系列风机为样本进行分析(表3)。

综合以上分析，可以看出两种方案的总成本相差不大，串联压入式的能耗高一些，如果采用变频技术的情况下，总成本会有所降低；单机压入式具有安装方便、维护简单、操作灵活的特点，且在管内没有太大的噪音污染。通过以上对比分析，建议选用单机压入式通风方案。

本文从长距离沉管隧道施工通风着手，分析了国内外长隧道施工通风方案，得出单机压入式通风与串联压入式通风是长隧道通常采用的方案。

本工程通过两套通风方案在工艺设计、风机选型、经济性方面的综合对比，总结出单机压入式通风具有安装方便、维护简单、操作灵活且噪音污染低等特点，最终选择单机压入式通风为港珠澳大桥沉管隧道施工通风方案。作为未来长隧道通风的主要应用方式，只

有合理解决长距离压入式通风在通风系统设计、风机和风管选型等方面与施工能耗、维护成本等存在的矛盾，才能有效提高施工效率。

【相关文献】

[1] 张红婴,林和荣.长距离独头掘进技术巷道通风技术应用研究进展[J].江西有色金属,2008(4):8-11.

[2] 杨立新,洪开荣,刘招伟.现代隧道施工通风技术[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3] 孙甲友.锦屏水电站交通隧道的三阶段施工通风设计[J].铁道建筑技术,2004(S1):89-92.

[4] 沈碧辉,杨其新.吕梁山隧道5号斜井工区施工通风方案研究[J].隧道建设,2008(2):23-25.

[5] 李炜.水力计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006.