天山胜利隧道多工作面施工通风设计及效果现场测试

Ventilation Design and On-Site Effect Testing for Construction of Multiple Working Faces in Tianshan Shengli Tunnel

摘要

为探究超长公路隧道多工作面施工中的通风优化与节能问题，该文基于理论计算，分别确定了钻爆法施工和TBM掘进工况下隧道单工作面所需风量；结合隧道施工组织方案提出两种通风方案，根据轴流风机的配置功率对两种通风方案进行比选；在推荐方案基础上，设计了排污射流风机的布置方案，最终通过现场污染物浓度实测验证其可行性。研究表明：钻爆法施工与TBM法掘进的工作面所需风量分别为1 980 m³/min和1 500 m³/min，均由其洞内最小允许风速控制；多工作面交替施工方案风机总功率仅为常规施工方案的39%，显著降低了能耗；现场实测表明，多工作面交替施工方案可满足施工期风速与氧气含量要求，CO、SO₂、PM_2.5、PM₁₀的平均质量浓度均低于《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020）容许值，表明方案切实可行。但是在开挖爆破期间局部区域短时污染物聚集，需适当提高供风量。研究成果有效指导了天山胜利隧道施工通风，并可为类似工程提供参考。

Abstract

To explore the ventilation optimization and energy saving issues in the construction of multiple working faces in extra-long highway tunnels, the air volumes required for a single working face under drilling and blasting construction conditions and TBM tunneling conditions were determined respectively based on theoretical calculations. Combined with the tunnel construction organization scheme, two ventilation schemes were proposed, and they were compared and selected according to the configured power of axial fans. Based on the recommended scheme, the layout scheme of pollutant-discharging jet fans was designed, and its feasibility was finally verified by on-site measurements of pollutant concentrations. The research shows that the air volumes required for the working faces of the drilling and blasting method and the TBM method are 1 980 m³/min and 1 500 m³/min, respectively, which are both controlled by the minimum allowable air velocity in the tunnel. The total fan power of the alternating construction scheme for multiple working faces is only 39% of that of the conventional construction scheme, which significantly reduces energy consumption. On-site measurements indicate that the alternating construction scheme for multiple working faces can meet the requirements of air velocity and oxygen content during the construction period. The average mass concentrations of CO, SO₂, PM_2.5, and PM₁₀ are lower than the allowable values specified in the Technical Specifications for Construction of Highway Tunnel (JTG/T 3660—2020), indicating that the scheme is highly feasible. However, short-term pollutant accumulation occurs in local areas during excavation blasting, requiring an appropriate increase in air supply. The research results effectively guide the construction ventilation of Tianshan Shengli Tunnel and can provide a reference for similar projects.

Graphical abstract

关键词

超长公路隧道 / 施工通风 / 通风方案设计 / 多工作面施工 / 现场测试

Key words

extra-long highway tunnel / construction ventilation / ventilation scheme design / construction of multiple working faces / field testing

0 引言

随着中国“交通强国”建设和“一带一路”倡议的稳步推进，公路等交通基础设施建设不断向中西部地区深入，公路隧道建设海拔越来越高、长度越来越长^［1-3］，与此同时，隧道施工通风也面临巨大挑战^［4-5］。在超长公路隧道施工过程中，隧道往往面临着通风距离长、氧气含量低、施工条件差等困难。为加快施工进度常常多工作面同时施工，此时隧道施工通风就会出现需风量大、通风困难、施工通风设备多、能耗大等难题。目前大多数隧道施工通风研究为短距离单洞独头送风，鲜有对长距离多工作面同时供风的计算研究。因此对超长隧道多工作面施工的通风进行研究十分必要。

在隧道施工过程中会产生大量的粉尘、废气、污染物等有害气体，对施工人员产生身体损害，因此需要对主要的气体污染物及粉尘稀释到允许范围内，这就要对需风量进行准确计算。张仕杰^［6］阐述了高原地区隧道施工通风设计风量计算的方法，其对高原缺氧施工隧道的通风做出了修正，提高了隧道施工的安全性；亓文新^［7］介绍了几个通风经验公式在京承高速公路司马台隧道的施工通风量计算中的应用；杨立新等^［8］采用通风网络计算的方法，对隔板式通风和风管式通风两种通风系统进行分析计算，得出了风管直径为2.2 m时隔板式通风能耗小于风管式的能耗，当风管直径略大于2.5 m时则恰好相反；景通等^［9］依托金沙江上游拉哇水电站右岸交通隧道群施工，对隧道群施工通风计算和设备选型进行了阐述，同时总结了改善施工通风的措施；张克智^［10］从理论和实践上对隧道通风施工技术进行了计算，详细分析了隧道通风对其施工本身产生的影响，阐明了只要通过多种途径进行通风计算，并采取相应的通风措施，可以完全改善隧道施工环境；李蒙等^［11］依托延崇高速公路松山特长隧道对压入式通风进行优化，得出长距离施工时需对洞内施工机械进行适当管理的结论；苟红松等^［12］根据海拔与空气性质的关系，对高原隧道施工通风需风量计算、高原地区通风阻力变化及风机选型进行了分析，得出了高原地区的施工通风风量计算应考虑不同海拔时有害气体的体积膨胀及浓度限值；进行风机选型与通风阻力计算时，应根据高原空气密度与平原地区空气密度的比值进行修正；Shao等^［13］通过数值模拟方法研究了长河坝水电站泄洪隧道组合理施工通风方案，结果表明：当隧道坡度达到10%时，上游通风的安全距离比下游短60%；SŁOTA等^［14］以波兰在建隧道为例，探讨了4种通风系统下的隧道施工通风所需的最小风量和风机功率配置，并比较了不同通风方案的经济性；Zhang等^［15］依托铜螺山高速公路隧道，结合理论计算，以强制通风为施工通风的主要方式，根据所需风量、工作区气体分布的计算以及风管阻力和隧道阻力的计算，优化了风机配置，从而确定了各段的施工通风情况；杨立新^［16］针对钻爆法施工使用PC-STEL标准对风量计算进行了研究，得出同等条件下基于PC-STEL标准的计算结果小于基于MAC标准的计算结果，有利于节能。

综上所述，目前公路隧道施工通风的研究主要集中在18 km级以内的中低海拔隧道方面，对于20 km级超长高海拔隧道施工通风的研究相对较少。超长公路隧道施工往往需开辟多个工作面以加快施工进度。然而，随着施工工作面的增多和通风距离的加长，超长公路隧道施工通风面临通风难度大、通风组织难、通风所需设备多、通风能耗高等一系列问题。如何在保证多工作面施工通风需风量的基础上，实现通风模式优化和节能是超长公路隧道亟须解决的一个问题。本文以世界在建超长高速公路隧道——天山胜利隧道为依托工程，对7个施工工作面需风量、通风组织模式进行研究，进而优化施工通风方案和风机设置，最后对施工通风方案的现场通风效果进行了实测验证。研究结果可为类似高海拔超长公路隧道通风设计提供参考和借鉴。

1 工程概况

天山胜利隧道位于天山山脉，全长22.13 km，是乌（鲁木齐）—尉（犁）高速公路的“咽喉”工程，它的建设对于打通天山南北的交通运输屏障，促进南北疆经济发展，巩固国防安全具有重大意义。隧道最大埋深1 150 m，所处区域的气候属典型的中温带大陆干旱性气候。海拔为3 500~4 280 m，雪线在3 500 m以上，隧道洞口位于高寒地区，其具有气候严寒、日夜温差大等特点，积雪终年不化；山区气候呈垂直分布，高山寒冷带，终年积雪，冰川纵横；大气压强低、空气密度小，工人高原反应严重，施工通风要求极高，供风技术难度极大。隧道具体位置如图1所示。

隧道包括左右主洞和中间一条服务隧道，施工时主洞采用机械化钻爆法施工，服务隧道采用TBM法施工。为了实现长隧短打，施工组织采用服务隧道先行，利用横通道为主洞开辟工作面辅助主洞施工，同时新增的工作面通风将由中导洞通风管道输送，具体施工通风方案为左洞进口设置1号风机供应左洞第一工作面；服务隧道进口左侧设置2号风机分别供应左洞第二工作面、第三工作面及TBM工作面；服务隧道进口右侧设置3号风机供应右洞第二工作面、第三工作面；右洞进口设置4号风机供应右洞第一工作面。隧道施工时最多共有7个工作面同时开挖，对于隧道的施工通风有很高的要求。因此，开展高海拔超长高速公路多工作面施工通风研究非常重要。

2 施工通风风量计算

2.1 施工通风要求和技术标准

隧道施工通风是隧道施工人员的生命线，尤其高海拔地区对隧道通风的要求更高，因此在施工通风计算和方案设计时要严格按照行业规范的具体要求，达到相关技术标准。

（1） 通风要求

《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020）^［17］、《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）^［18］、《公路工程施工安全技术规范》（JTG F90—2015）^［19］中关于隧道通风的具体要求如下：隧道施工通风应能提供洞内各项作业需要的最小风量，每人应供应新鲜空气4 m³/min，采用内燃机机械作业时，供风量不宜小于4.5 m³/（min·kW）；隧道施工作业环境应符合以下规定：在作业过程中，空气中氧气体积分数始终保持在19.5%以上，严禁使用纯氧进行通风换气。

（2） 技术标准

隧道施工通风需要满足相关技术标准，首先在通风过程中氧气体积分数在作业过程中要始终保持在19.5%以上，且严禁用纯氧进行通风换气。有害气体质量浓度需达到相关规范的要求，如表1所示。其中MAC为最高容许质量浓度；PC-TWA为时间加权平均容许质量浓度；PC-STEL为短时间接触容许质量浓度。

2.2 工作面通风量计算

2.2.1 计算方法

隧道施工通风需风量的计算与隧道的实际施工情况以及开挖方式有关。目前应用最广的方法主要是根据施工人数、炸药爆破烟尘、内燃机产生的废气、洞内最小允许风速这4种条件来计算需风量，最终取4个计算值中的最大值作为通风需风量。由于隧道位于高海拔地区，大气压强小、空气密度低，还需要根据海拔对空气密度进行修正。具体计算方法如下^［12］：

（1） 按洞内同时工作的最多人数计算风量

按照洞内同时工作的最多人数，风量计算如下：

Q_{\mathrm{1}}=kmq（1）

式中：Q₁为按洞内同时工作的最多人数所需风量；k为风量备用系数，常取k=1.1~1.2，本文取值k=1.2；m为洞内同时工作的最多人数；q为洞内每人每分钟需要新鲜空气量（m³/min），有关资料表明高原隧道施工中，隧道内每人供应新鲜空气量为4 m³/min。

（2） 按同时爆破的最多炸药计算风量

① 压入式通风计算公式如下：

Q_{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{7.8}}{t}\cdot \sqrt[\mathrm{3}]{A\cdot S^{\mathrm{2}}\cdot L_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}（2）

式中：Q₂为按同时爆破的最多炸药所需风量；A为同时爆破的炸药量（kg），本文取值为480 kg；S为坑道断面面积（m²），本文取值为110 m²；L₁为爆破后需改善通风长度（m），本文取100 m；t为爆破后的通风时间（min），本文取30 min。

② 混合式通风计算公式如下：

Q_{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{7.8}}{t}\cdot \sqrt[\mathrm{3}]{A\cdot S^{\mathrm{2}}\cdot L_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}（3）

式中：L₂为压入风口至工作面的距离，一般采用25 m计算。

（3） 按内燃机作业废气稀释的需要计算风量

Q_{\mathrm{3}}=k\cdot \sum N_i\cdot T_i（4）

式中：Q₃为按内燃机作业废气稀释的所需风量；k为单位功率供风量，一般取3 m³/（min·kW）；N_i 为各内燃机功率；T_i 为同时工作柴油机设备利用率系数。隧道洞内的内燃机机械设备基本为柴油机，柴油机设备工作时的利用率系数取值可参考如下：挖掘机、装载机取0.65，运渣车取0.65，凿岩台车取0.1，人员运输车取0.1。隧道内所使用的机械设备类型如表2所示。

（4） 按洞内允许最小风速计算风量

Q_{\mathrm{4}}=\mathrm{60}\times v\times S（5）

式中：Q₄为按洞内允许最小风速所需风量；v为洞内允许最小风速（m/s），全断面开挖时为0.15 m/s，其他为0.25 m/s。

（5） 根据海拔对空气密度进行修正

\rho ={\rho }_{\mathrm{0}}{\left(\mathrm{1}-\frac{Z}{\mathrm{44}\mathrm{300}}\right)}^{\mathrm{4.256}}=\mathrm{0.910}\mathrm{9}\mathrm{k}\mathrm{g}/{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}（6）

式中：ρ为隧址区处空气密度（kg/m³）；ρ₀为海拔为0 m处空气密度，取1.293 kg/m³；Z为隧址区海拔，Z取3 500 m。

2.2.2 计算结果

（1） 施工参数

隧道位于高寒高海拔地区，空气密度和大气压强相对较低，因此在施工过程中所需的风量与平原地区大不相同，具体通风参数如表3所示。

在高海拔地区以内燃机为动力的机械，其燃烧效率相比于平原地区明显降低，内燃机所需的风量和产生的污染物也相对增加。具体的洞内机械设备参数如表4所示。

（2） 风量计算

结合表3中主洞和中导洞的通风参数并按照相关规范分别计算按洞内同时工作的最多人数、同时爆破的最多炸药、内燃机作业废气稀释、洞内允许最小风速所需的风量。选择其中最大值作为施工通风的需风量。具体计算结果如表5所示。

综上计算结果可知：为满足隧道施工通风有足够的安全性，主洞钻爆法开挖需风量取洞内允许最小风速所需风量，为1 980 m³/min；服务隧道TBM法开挖需风量取洞内允许最小风速所需风量，为1 500 m³/min。

3 多工作面施工组织及通风方案设计

3.1 多工作面施工组织方案设计

多工作面施工组织方案是超长隧道施工通风方案设计的前提。天山胜利隧道属于特长公路隧道，该隧道由左右两个主洞和中间的一条服务隧道组成，左右洞采用传统钻爆法，中间的服务隧道采用TBM掘进方法。为加快施工进度，该隧道最多时共有7个工作面（含TBM工作面）同时施工（图2），多工作面施工组织方案有两种，具体区别如表6所示。

方案1采用正常施工工序，即不对工作面施工工序进行干预，各工作面施工工序不固定，各工作面工序组合工况多，可能出现多个工作面同时处于爆破、出渣的情况，隧道施工需风量大，只能按洞内最大计算风量供风；方案2采用交替施工工序，即左线3^#和5^#、右线4^#和6^#掌子面的施工工序通过动态调控确保同一阶段各存在一个掌子面处于只有工人施工的工序，如立拱架、打钻等工序，不存在内燃机械设备工作及爆破、排烟、出渣、喷浆工序，这种情况下仅有工人工作的掌子面所需的风量就远远小于爆破排烟所需的风量，大大降低了通风能耗。在隧道不同开挖长度下，施工组织方案会有所变化，但是考虑到图2所示方案是天山胜利隧道最为典型、难度最大的施工组织模式，因此以该阶段的施工组织模式为代表进行分析。

3.2 多工作面施工通风方案比选

3.2.1 轴流风机功率计算方法

施工期隧道的轴流风机的功能是将风通过风管压到工作面，其中需要克服风管内的风压损失，确保工作面的需风量。目前隧道施工通风通常采用压入式的通风方式，轴流风机一般设置在隧道洞口，一端连接风带，将新鲜风通过风带送到隧道内部。

轴流风机的风压用来克服风流沿程的阻力，为风管（或风道）的沿程摩擦阻力与局部阻力之和。因此风压计算过程中应考虑以下因素：① 风机的风压大于通风管道的通风阻力；② 风管（或风道）沿程摩擦阻力；③ 隧道内沿程摩擦阻力；④ 局部阻力；⑤ 通风阻力由沿程摩擦阻力与局部阻力构成。

根据天山胜利隧道采用分阶段施工通风，采用了压入式通风方式。各阶段通风距离与通风方式根据施工进度发生变化，沿程摩擦阻力也将发生变化，需对最大风压进行计算。

为确保能将足够的新鲜风送入工作面，并在风管出口保持一定的风速，就需要风机提供一定的风压以克服沿程摩擦阻力与局部阻力，根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02—2014）^［20］，可以得到动压、沿程摩擦阻力、局部阻力与风机功率的计算式。

通风风机风压：

P_风机≥P_r=P_λ+P_ξ+P_d （7）

式中：P_r为总阻力；P_λ为风管沿程摩擦阻力；P_ξ为风管局部阻力；P_d为动压。

（1） 动压

P_{\mathrm{d}}=\frac{\rho }{\mathrm{2}}\cdot v_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}（8）

式中：v₀为末段管口风速（m/s），风带直径不同，风速也不同，v_{\mathrm{0}}=Q/A_j，A_j 为风带断面面积。

（2） 沿程摩擦阻力

考虑风管漏风时，主洞和服务隧道风管沿程摩擦阻力计算公式为：

P_{\mathrm{\lambda }}=\frac{\mathrm{400}\lambda \rho }{{\mathrm{\pi }}^{\mathrm{2}}{d}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{5}}}\cdot \frac{\mathrm{1}-{\left(\mathrm{1}-\beta \right)}^{-\frac{\mathrm{2}L}{\mathrm{100}}}}{\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\mathrm{1}-\beta \right)}\cdot Q_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}（9）

式中：λ为摩擦系数，取0.017；d₁为风管直径；β为漏风率，主洞风管漏风率均为2%，服务隧道风管漏风率为0.5%；L为主洞或服务隧道通风长度；Q₀为主洞或服务隧道施工需风量。

（3） 局部阻力

当空气流动断面发生变化或风管拐弯处都会产生局部阻力。由于该隧道在通风时，一个风机会给1~2个施工断面送风，这时风管就会在合适的横通道分叉成两个风管，分别向不同的断面送风。在这种情况下，风管就会产生较大的局部阻力，对风机送风有较大的影响。

\mathrm{\Delta }{P}_{\mathrm{\xi }}=\sum \xi \cdot \frac{\rho }{\mathrm{2}}\cdot v_{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}（10）

式中：ξ为局部阻力系数，包括风流流经突然扩大或缩小和管路转弯的阻力损失等；v_r 为管道内风速（m/s）。

为了简化计算，这里局部阻力值取沿程摩擦阻力值的20%。

（4） 风机配置

风机功率计算公式为：

W=QH{K}_{\mathrm{1}}/\left({\eta }_{\mathrm{1}}\cdot {\eta }_{\mathrm{2}}\cdot {\eta }_{\mathrm{3}}\right)（11）

式中：Q为风机需风量；H为风机工作风压；K₁为功率储备系数，取1.2；η₁为全压效率，取82%；η₂为电机效率，取93%；η₃为传动效率，取1。

3.2.2 基于风机功率的通风方案比选

天山胜利隧道施工阶段主要采用压入式通风，为了缩短工期加快开挖进度，在施工高峰期最多有7个工作面同时施工，洞内施工人员、施工机械以及爆破烟尘所需风量较大，对风机要求较高。左洞进口设置1^#风机供应1^#掌子面；服务隧道进口左侧设置2^#风机分别供应3^#掌子面、5^#掌子面及TBM工作面；服务隧道进口右侧设置3^#风机供应4^#掌子面、6^#掌子面；右洞进口设置4^#风机供应2^#掌子面。1^#、2^#掌子面的污风通过左右线的洞口排出，其他的3^#、4^#、5^#、6^#掌子面的污风经隧道内的射流风机加压改向后通过中导洞排出。其中左洞1^#、3^#、5^#掌子面与右洞2^#掌子面以及中导洞左线风管直径为2 m，右洞4^#、6^#掌子面以及中导洞右线风管直径为1.8 m。具体通风系统布置如图3所示。

（1） 通风方案1

根据上述具体的施工组织模式，对隧道通风方案1的通风阻力及风机功率进行计算，结果如表7、表8所示。

根据表7、表8中的计算结果绘制成如图4所示的饼图。由表7、表8、图4可知：在7个工作面常规工作时，中导洞处的2^#、3^#风机的风机功率最大，分别为1 135.73 kW和705.38 kW，各占总功率的57.87%和35.95%；1^#、4^#风机仅占总功率的3.26%和2.92%。服务隧道的2^#、3^#号风机总功率约为主洞1^#、4^#风机总功率的15倍，这主要是由于中导洞处的风机供风距离长、供风工作面多和风管分流局部阻力增大所引起的。7个工作面常规工作时，左线、右线及中导洞风机总功率为1 962.51 kW。

（2） 通风方案2

方案2的通风布置形式与方案一相同，但施工顺序不同。左线隧道新开辟的3^#、5^#掌子面或右洞的4^#、6^#掌子面施工过程中采用工序交替或者部分交替施工的方式。其中一个掌子面只有人员工作，如立拱架、打钻等工序，不存在内燃机机械设备工作及爆破、排烟、出渣、喷浆工序，此时该掌子面按照施工人员需风量供风，考虑一定安全储备时，取需风量为400 m³/min。根据上述的施工顺序及通风模式，对左右线和中导洞7个工作面交替施工时的通风阻力及风机功率进行计算，结果如表9、表10所示。

该方案是采用7个工作面交替施工，由于7个断面的爆破、排烟等工作不是同一时间进行的，因此所需风量相比方案1较少。掌子面按照施工人员需风量供风，根据表9、表10的计算结果绘制成如图5所示的饼图，由表9、表10、图5可知：服务隧道处的风机功率依然比主洞处风机功率大，2^#和3^#风机功率分别为465.85 kW和183.45 kW，分别占总功率的60.45%和23.79%；1^#和4^#风机功率分别为64.02 kW和57.38 kW，相比于方案1占比有所增加，分别为8.31%和7.45%，其主要原因是中导洞供风断面多且通风阻力大。但方案2采用交替施工的工序时，其同一时间的需风量相比于方案1较小，中导洞处的2^#、3^#风机功率大幅度降低，约为方案2的41.02%和26.01%，方案2的所有风机总功率是方案1的39.27%。

结合表7~表10中所得出的各台风机功率和总功率绘制成如图6所示的风机功率对比图。由图6可看出：主洞1^#、4^#风机在两种施工条件下的风机功率没有发生变化，而在采用交替施工时服务隧道的2^#、3^#风机功率相比于同时施工时出现大幅度降低，风机总功率也下降了一半以上。综上所述，采用方案2的交替施工方法，可有效降低施工成本，减少材料费的投入且符合现场施工条件，有助于提高施工安全性。

3.3 射流风机布置设计

施工期隧道中射流风机的功能是引导风流方向，克服风流在隧道内的风压损失，确保隧道内的风速达标，辅助隧道内污浊空气排出隧道外。在隧道施工和清扫时，会产生许多灰尘和有害气体，对隧道内的人员造成困难和危险，而射流风机可将隧道内的灰尘和有害气体抽出，和外界的气体进行交换，让隧道里的空气变得清新，使得隧道内的工作环境得到改善。

天山胜利隧道的服务隧道TBM独头掘进距离较大，并且从服务隧道向左右线开辟有新的掌子面，所以在施工过程中产生的污染空气难以顺利排出隧道，需要在隧道内部设置射流风机进行辅助排污。从方案1和方案2对比来看，两种方案的排风距离一样，但方案1的供风量更大，其在隧道内部产生的通风阻力要大于方案2的，所以方案1所需要的射流风机数量要多于方案2的数量。因此仅对方案2所需的射流风机数量以及布置位置进行研究。

射流风机产生的压力必须克服通风区段的阻力，即：

P_r≥P_λ+P_ξ （12）

式中：P_λ为沿程摩擦阻力；P_ξ为局部阻力，对于天山胜利隧道而言，每隔800 m设置一处横通道，局部阻力相对沿程摩擦阻力较小，可忽略不计；因此可将式（12）简化为^［20］：

P_{\mathrm{r}}={\sum \lambda }_i\cdot \frac{L_i}{d_{\mathrm{2}}}\cdot \frac{\rho }{\mathrm{2}}\cdot v_{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}（13）

式中：P_r为通风阻力（Pa）；λ_i 为沿程摩擦阻力系数，通常取0.01~0.02，本隧道取0.017；L_i 为计算管段长度，为射流风机通风区段长度（m）；d₂为计算隧道区段的水力直径（m），d₂=4A_r/C，A_r为隧道断面面积（m²），主洞取85 m²，服务通道取44 m²，C为隧道断面周长（m），主洞取30.7 m，服务通道取23.97 m；v_r为隧洞内的风速（m/s），v_r=Q/A_r，Q为隧道需用风量（m³/min）。

每台射流风机升压力按照式（14）计算^［20］：

\mathrm{\Delta }{p}_j=\rho \cdot {v_j}^{\mathrm{2}}\cdot \frac{A_j}{A_{\mathrm{r}}}\cdot \left(\mathrm{1}-\frac{v_{\mathrm{r}}}{v_j}\right)\cdot K_{\mathrm{2}}（14）

式中：Δp_j 为单台射流风机升压力（Pa）；v_j 为射流风机的出口风速（m/s）；A_j 为射流风机的出口面积（m²）；K₂为喷流系数，通常取0.85。

该隧道在7个工作面同时施工时，其通风方式采用压入式通风，根据上述的射流风机风压计算方法，对主洞和服务通道射流风机通风阻力及射流风机配置进行计算。计算时通风长度取该区段最大通风长度；TJR.80.37型射流风机直径800 mm，喷射风速36.9 m/s；施工时，7个工作面不会均为最大需风量，因此此处供风量取单线隧道+服务隧道供风量之和。具体计算结果如表11所示。

由表11可知：由于工作面（掌子面）3^#、4^#、5^#、6^#均与横通道相连，且横通道长度较短，工作面3^#、4^#、5^#、6^#区段内可不设置射流风机，在横通道内设置1台射流风机，将工作面3^#、4^#、5^#、6^#区段内的污浊空气引导排至中导洞内，采用1台TJR.80.37型射流风机即可满足施工通风要求；工作面（掌子面）1^#、2^#采用1台TJR.80.37型射流风机，设置在隧道中间部位；中导入口-2^#横通道处设置3台射流风机，间距455 m。射流风机具体布置如图3所示。

4 现场通风效果监测与验证

为验证通风设计，基于方案2的通风方式，笔者在隧道现场进行施工通风监测。由于新开辟的掌子面产生污风全部都要经过中导洞排出隧道，因此在隧道内进行了施工通风的静态监测和污染物动态监测^［21-22］，污染物动态监测时监测车在距离中导洞掌子面60 m的二衬台车处向隧道洞口行驶，现场监测如图7所示。污染物监测内容主要有CO、SO₂、NO _x 、PM_2.5、PM₁₀及风速，监测结果如表12、表13所示。

由表12可知：隧道内的总体氧气体积分数满足施工规范规定的最低容许值。中导洞内的风速最大值和平均值都大于最小容许值，在监测过程中由于隧道内外气温变化可能会导致短时间内风速较小或者几乎无风的情况，但从风速的平均值来看，洞内的风速同样满足规范要求的最低值。

由表13可知：CO、SO₂、PM_2.5、PM₁₀的平均质量浓度值都低于规范规定的最大容许值，但是NO _x 的质量浓度平均值超出规范最大容许值118%，并且除SO₂以外，其余污染物质量浓度的最大值都相对较高，这主要是因为在中导洞内部会有许多高压电站以及污水处理设备，这些设施会大大阻碍污染物的排出，使污染物出现少量局部的聚集。但是各污染物总体浓度值低于规范最大容许值。由此可以得出结论：该通风方案在天山胜利隧道施工通风中是可行的，但是当隧道掌子面发生爆破时，隧道内部会出现短时间、局部区域的污染物聚集，这时的实际供风量偏小，需要加大供风量。

5 结论

（1） 主洞钻爆法施工的单个工作面所需风量由洞内允许最小风速控制，为1 980 m³/min；中导洞采用TBM法掘进所需风量由洞内允许最小风速控制，为1 500 m³/min。

（2） 相比于常规施工通风方案，7个工作面交替施工方案所需的风机总功率大幅度下降，仅为前者的39%，极大降低了通风能耗。

（3） 交替施工通风方案排污射流风机布置宜为：1^#、2^#掌子面分别采用1台射流风机，3^#、4^#、5^#、6^#掌子面需在横通道处各设置1台射流风机，中导入口至2^#横通道处设置3台射流风机，间距455 m。

（4） 现场监测结果表明：隧道内风速以及氧气含量能够满足施工通风要求，CO、SO₂、PM_2.5、PM₁₀的平均质量浓度低于规范所要求的最大容许值，表明交替施工通风方案是可行的，但是在爆破时洞内实际供风量偏小，建议加大供风量。

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基金资助

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