高原高地热隧道通风降温方案论证与分析

摘 要：本文通过技术分析和精确的数学计算，详细介绍高原地温异常区隧道施工通风降温技术，为今后特殊环境下隧道通风降温起到有一定借鉴作用。

关键词：高原 高地热 长隧 通风降温

1.工程概况

高原铁路某地热隧道，长3974m，单线铁路隧道，地处青藏高原，海拔3900m，高寒缺氧、气候干燥，自然环境恶劣，地质环境复杂且存在高地热，施工难度极大，采用长隧短打方案，设置一座横洞辅助施工，主要不良地质以地热问题最为突出，洞身有2685m受地热影响严重，隧道路肩部位的岩温在28℃～48℃之间，最高围岩温度达65.4℃，局部地段存在地下热水。施工难点：低压缺氧、高温环境条件下机械设备的排污量将显著增加、作业效率严重降低，作业人员在缺氧、高温环境下存在高原反应、工效明显下降，因此在隧道施工期间洞内应采取降温措施，以保证施工人员安全和机械设备功效。

2.隧道施工通风降温方案

根据各洞口担负施工任务采用压入式通风，从以往长大隧道的通风经验来看，影响通风效果的主要因素是漏风系数和风管直径的选择，风管直径越小，管道阻力系数就越大，所需风机功率就越大，反之则越小。因此本隧道采用大直径风管，以减少风阻，缩短通风时间、提高通风效率。

⑴ 通风设计参数确定

① 由于工程地处高原，供给洞内作业人员的新鲜空气按q=4m3/min，受地热影响洞内最多作业人数按m=60人计算。

② 洞内风速不小于0.3m/s。

③ 隧道内气温不超过28℃。

④ 隧址年平均气温18.6℃、相对湿度25%，取空气密度ρ=0.77Kg/m3。

⑵ 通风量计算

① 按洞内最小风速计算（隧道断面A=55m2）

Q1=60·A·S=60×55×0.3=990 m3/min

② 按洞内最多人数计算（安全系数k取1.2）

Q2=q·m·k=4×60×1.2=288 m3/min

③ 按爆破最多用药量计算

单位炸药用量1.3kg/m3，循环进尺2.5m。开挖断面积A=55m2，则一次爆破炸药用量G=1.3×（55×2.8）=200.2kg。炮烟抛掷长度：

L0=15+G/5=15+200.2/5=55m

取爆破后通风时间t=30min，压入式通风工作面要求新鲜风量：

=318m3/min

④ 按稀释内燃设备废气计算风量

Q4=U0N=4.0×365=1460m3/min

式中：U0-单位功率需风量指标，一般为2.8～8.1m3/kw·min，考虑工程海拔为3900m的高原，因缺氧油料燃烧不充分取4.0m3/kw·min；

N-同时在洞内工作的柴油机械的总功率，自卸车的额定功率为185KW，装载机的功率为150KW，按保持3台车（2台满载、1台空车）和1台装载机在作业面计算，考虑设备综合折算系数后计算功率为：（185×2×80%+185×30%+150×70%）×80%=365KW。

从以上计算结果比较，按稀释内燃设备废气计算风量是所有计算中最大的，工作面的设计风量暂取稀释内燃设备废气风量Q设=1460m3/min。

综合考虑掌子面补给新鲜空气和运输方式、除尘及实际施工情况及本地区高海拔低气压缺氧的气候因素，导致污染气体增加，增加K=1.3的系数。

所需风量：Q需=1.3×1460=1898m3/min

⑶ 风压确定

由流体力学的沿程阻力公式可导出摩擦阻力系数：

式中，λ-沿程阻力系数，又称达西系数，λ=0.012～0.015；ρ-气体密度（kg/m3），取ρ=1.20kg/m3。

==（1.800～2.25）×10-3 kg/m3

管道通风长度1300m，隧道计算风量1898m3/min，管道直径Φ1.5m，摩擦阻力系数=2.025×10-3kg/m3，管道漏风系数1.273，取通风机设计风量Q=2250m3/min（37.5m3/s），管道风阻力系数：

工作面风量为

==1767.5 m3/min（29.4m3/s）

沿程摩擦通风阻力损失

=1.13×29.4×37.5=1248Pa

⑷ 风机选型

根据上述Q需、风压的计算结果，参考风机性能曲线选择风机。本隧道选用SDF（C）- No12.5型轴流通风机，功率为2×110KW，压力355～5355Pa>H（1248Pa），高速流量2912m3/min>Q需（1898m3/min）。因此在隧道进出口各选用1台SDF（C）- No12.5型轴流通风机，在横洞口选用2台SDF（C）- No12.5型轴流通风机。

为有效改善通风效果，缩短排烟时间，加大洞内空气流通，在适当位置增设2×55KW射流风机，创造一个良好的施工环境以加快施工进度。

3.通风系统测试与结果分析

3.1洞内通风系统测试

通风系统温度测试数据见表1和图1。

表1 爆破后开挖面环境温度记录表

通风机功率

（kw）

开挖面温度（℃）

风管出口风速

（m/s）

开挖后

通风10min后

通风20min后

通风30min后

通风60min后

通风120min后

通风180min后

通风240min后

220

54.2

53.4

52.8

51.3

48.5

43.8

41.2

40.6

15.7

288

54.0

52.1

51.6

50.3

46.4

41.2

40.7

40.2

20.4

330

54.4

52.0

51.3

48.7

44.6

38.1

37.8

37.4

24.2

440

54.5

51.3

49.5

44.2

36.8

32.4

31.6

31.3

30.6

图1 通风机在不同功率时通风时间-开挖面温度曲线图

3.2现场测试结果分析

由图1测试曲线可知，在现有通风状态下对洞内温度的改善效果还是很明显的，在开始通风的1小时以内洞内环境温度下降明显，温度最快下降17.7℃，2小时后环境温度趋于稳定。由此可知在通风设备配置和通风系统均较完善，采取通风降温措施在高原隧道岩温达40℃以下将洞内环境温度降至28℃以下还是可行的。如岩温高于40℃需结合其他降温方式共同进行降温。

4.结语

根据现场实践经验，采用通风降温技术能够较好满足40℃以下岩温工况，可以使隧道内环境温度降低至目标值28℃以下。由于本隧道洞内岩温高达30℃～58℃，对40℃及以上高岩温地段，在施工中采用了通风降温和低温水喷雾洒水、冰块置于工作面、大避车洞内设低温室等综合降温方案及炮孔降温、作业人员快速轮换倒班等技术措施，解决了本隧道地温异常区的施工技术难题，寻找出了一条适用于高原、高地热隧道的施工理念和方法，保证了隧道的成功修建，也为今后类似地质条件下的工程建设提供了有益参考。

作者简介：董振杰，高级工程师，1976年4月生，1998年毕业长沙铁道学院，建筑管理专业，一级注册建造师，注册造价工程师，高级项目管理师。

参考文献：

1.杨长顺.高地温隧道综合施工技术研究[J].铁道建筑技术. 2010.⑽

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