隧道工程：通风设计与计算

隧道施工通风设计主要是确定通风方式，进行通风计算，选择风机类型，合理布置通风管道，使通风系统的供风能力应能满足工作面对风量的最大需求。一般独头掘进长度超过1 km（铁路）或1.5 km（公路），应进行施工通风专项设计。施工通风计算包括风量计算和风压计算。通风机的功率、风管的直径应根据供风风量、洞内风速、隧道独头掘进长度、运输方式、断面大小、通风方式等计算确定。

1．机械通风的风量计算

进行风量计算的目的是为正确选择通风设备和为设计通风系统提供依据。隧道施工的通风计算，因施工方法、隧道断面、爆破器材、炸药种类、施工设备等不同而变化，世界各国尚无公认的统一公式。目前所用的通风计算公式大都是根据矿井通风及铁路运营通风的计算公式类比或直接引用，一般分别按排除炮烟、洞内最大工作人数、最低风速要求、瓦斯涌出量、稀释和排出内燃机械废气等几个方面计算并取其中最大的数值，再考虑漏风因素进行调整，并加备用系数后，作为选择风机的依据。一般情况下，采用有轨运输的工区施工通风风量主要由排出炮烟控制，采用无轨运输的工区施工通风风量主要由稀释内燃机废气控制。

（1）按排除炮烟所需的风量计算。

铁路隧道施工技术规程给出计算公式为

式中　Q——所需风量（m3/min）；

t——通风时间（min）；

A——爆破耗药量（kg）；

b——1 kg炸药有害气体生成量（L），通常按煤层中取100 L，岩层中取40 L；

S——坑道断面积（m2）；

K——考虑淋雨使炮烟浓度降低的系数，干燥岩层取0.80，潮湿岩层取0.60，岩层含水或使用水幕取0.30；

P——巷道计算长度范围内的漏风系数（进风量与出风量的比值）；

L——巷道长度或临界长度（m），当隧道较长时，炮烟还未排出洞口，但有害气体浓度可能已经稀释到允许范围，因此存在临界长度。

临界长度可按下式计算

其中　β为紊流扩散系数，参考表10-2-2取用。

表10-2-2　紊流扩散系数β

注：l—出风口至掌子面距离；d—风管直径（m）。

对于不同通风方式，也有不同的计算方法，如表10-2-3所示。

表10-2-3　通风量计算公式

注：其中符号A、b、t、S、L含义同式（10-2-1）。

（2）按洞内同时工作的最多人数计算。

式中　Q——所需风量（m3/min）；

k——风量备用系数，常取1.1～1.2；

m——洞内同时工作的最多人数（人）；

q——洞内每人每分钟需要新鲜空气量，通常按3 m3/（min·人）计算，瓦斯隧道按4 m3/（min·人）计算。

（3）按洞内允许最小风速计算。

式中　v——洞内允许最小风速（m/s），全断面开挖时风速不应小于0.15 m/s，导坑内不应小于0.25 m/s，但均不应大于6 m/s，瓦斯隧道施工通风风速不宜小于1m/s。

S——坑道断面积（m2）。

（4）按瓦斯涌出量计算需风量。

式中QCH4——工作面瓦斯涌出量（m3/min）；

B允——工作面瓦斯允许浓度；

B0——送入工作面风流的瓦斯浓度；

K——瓦斯涌出不均匀系数，取1.5～2.0。

铁路瓦斯隧道施工通风应符合现行《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB 10120）的有关规定。

（5）按内燃机作业废气稀释的需要计算。

式中　Q——所需风量（m3/min）；

k——规定的单位需风量，不宜小于4.5 m3/（min·kW）；

Ni——各内燃机功率（kW）；

Ti——同时工作柴油机设备利用率系数，挖掘机、装载机为0.65，运渣车为0.65，凿岩台车为0.1，人员运输车为0.1。

2．漏风计算

通风机的供风量，除满足上述计算的需要最大风量外，还应考虑漏失的风量，即

式中　Q——前述计算结果的最大值，称计算风量（m3/min）；

P——漏风系数，巷道式通风常采用1.2～1.3，管道通风时根据风管材料不同可查表得到，详见二维码。

对于长距离大风量供风，一般采用PVC塑布软管，管路直径大于1 m。由于采用长管节（20～50 m），从而大大降低了接头漏风，漏风以管壁为主。如选用优质管路，在良好管理的条件下，每百米漏风率一般可控制在2%（公路）甚至1%（铁路）以下，其漏风系数可由送风距离及每百米距离、每百米漏风率计算而得。《公路隧道施工技术规范》规定供风风量可按实际需要风量的1.5倍计算。

若处于高山地区，由于大气压强降低，供风量尚需进行风量修正，即

漏风系数表

式中　Q高——高山修正后的供风量（m3/min）；

P高——高山地区大气压（kPa），见表10-2-4；

Q正——正常条件下的供风量，即上述Q供。

表10-2-4　海拔高度与大气压（P高）的关系

3．风压计算

在通风过程中，要克服风流沿途所受阻力，保证将所需风量送到洞内，并达到规定的风速，则必须要有一定的风压。因此，风压计算的目的就是要确定通风机本身应具备多大的压力才能满足通风需要。(www.xing528.com)

气流所受到的阻力有摩擦阻力和局部阻力（包括断面变化处阻力、分岔阻力、拐弯阻力）及正面阻力，其计算可用下式表示

式中　h机——通风机的风压（Pa）；

h总阻——风流受到的总阻力（Pa）；

h摩——气流经过各种断面的管（巷）道时产生的摩擦阻力（Pa）；

h局——气流经过断面变化，拐弯、分岔等处分别产生的阻力（Pa）；

h正——巷道通风时受运输车辆阻塞而产生的阻力（Pa）。

（1）摩擦阻力（h摩）。

摩擦阻力是管道（巷道）周壁与风流互相摩擦以及风流中空气分子间的紊动和摩擦而产生的阻力，也称沿程阻力。

根据流体力学的达西公式可以导出隧道通风的摩擦阻力公式

式中h摩——摩擦阻力（Pa）；

λ——达西系数；

L——风管长度（m）；

v——风流速度（m/s）；

d——风管直径（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

γ——空气重力密度（N/m3）。

对于任意形状时，d=4 S/U（U为风道周边长度，S为风管面积），代入上式有

若风道流量为Q（m3/s），则v=Q/S，再令α=λγ/8g（称为摩擦阻力系数，单位为N·s2/m4），将α、v代入上式有

施工通风摩擦阻力系数α值可扫描二维码查得。

（2）局部阻力（h局）。

风流经过风管的某些局部地点（如断面扩大、断面减小、拐弯、交叉等）时，由于速度或方向发生突然变化而导致风流本身产生剧烈的冲击，由此产生风流阻力，这一阻力称为局部阻力。

以风流突然扩大为例来分析局部阻力的计算。设空气自小断面S1流到大断面S2，小断面中的风速为v1，到大断面中流速必然降为v2，这时所产生的能量损失可按下式计算：

施工通风摩擦阻力系数表

即

令

则有

断面扩大时的局部阻力分析，也适用其他几种不同情况，用v=Q/S代替v1，γ取12 N/m3，得局部阻力公式为

式中　ξ——局部阻力系数，见表10-2-5；

其他符号意义同前。

表10-2-5　局部阻力系数表

（3）正面阻力（h正）。

当通风面积受阻时，会在受阻区域出现过风断面减小后再增大这一现象，相应地会增加风流阻力，一般可用下式计算

式中　φ——正面阻力系数。当列车行走时，φ=1.5；斗车停放时φ=0.5，斗车停放间距超过1 m时则逐辆相加；

S——阻塞物最大迎风面积（m2）。

其他符号意义同前。

4．通风机的选择

通风机有轴流式和离心式两类。在隧道施工通风中主要采用轴流式通风机，它具有风量大、效率高、结构紧凑、重量轻等优点。

选择时，按Q机≥1.1Q供（1.1是风量储备系数，Q供则为前述计算结果）及h机≥P ∑h总阻（P为漏风系数，∑h总阻=∑h摩+∑h局+∑h正），在通风机性能表中选择风机。此外，根据具体情况，还可以选用具有吸尘、防爆和低噪声等特性的风机。

要取得良好的通风效果，除选择好通风设备外，还需合理布置通风系统和加强管理。对于管道式通风，当管道很长，需要较高风压时，可采用串联风机方式解决。用胶皮管通风时，风机与风机以短风管（5～8 m）集中串联为宜。用金属管通风时，以间隔串联为宜，但两台风机的间距不要超过风管全长的40%。对于巷道式通风，当需要风量较大时，可采取并联风机方式。此外，通风机应有备用数量，一般为计算能力的50%。

5．通风机、风管布置及安装

（1）通风机的安装。

通风机应安装于稳固的基础或台架上，基础或台架要能承受机体重量及其运行时产生的振动。主风机安装应满足通风设计要求。采用巷道式通风时，宜在平行导坑口修建通风机房安装主风机。管道式通风时，压入式或吸出式主风机均可安装在洞口附近适当地点。洞内辅助风机应安装在新鲜风流中，局部通风的风机距离开挖面要有一定距离，爆破前应对风机进行防护或移开，以免炸损。通风机应装有保险装置，当发生事故时能自动停机。

主风机原则上应保持连续运转，其养护维修可安排在节假日。如必须间歇时，每次不得超过30 mim，因停止供风而受影响的工作面应停止工作。主风机架设在不会影响运输车辆进出隧道的一定高度，在距离洞口大于30 m处安放，可防止污染空气回流。风机进气口应安装喇叭口，以提高吸入的效率。为防止异物进入风机损坏叶片和风机伤人事故发生，通风机进气口应设置铁箅，通风机前后5 m内不得放置液体和固体物品。

压入式的进风口宜在洞口里程以外30 m处，吸出式出风管口应做成烟囱式，以确保进入洞内的空气都是新鲜的。如果压入式通风管的出风口离工作面的距离过大，则其通风效果往往不理想。吸出式的进风口离工作面的距离也不能过大，否则有可能将大量流入的新鲜空气一并吸出，影响通风效果。

采用混合式通风时，为了保证到达工作面的风流是新鲜的，两组风管的交错搭接的距离必须达到20～30 m。局部通风时，一般采用吸出式通风，其出风口出来的是已污染的空气，因此应将其引入到主风流循环的回风流即污染的空气中，一起排出洞外。

巷道内的风速小于通风要求最小风速时，可布设射流风机来卷吸升压、提高风速。

（2）风管的布置。

通风管应与风机配套，同一管路的直径宜一致。独头掘进长度较长时，宜选用大直径风管。通风管靠近开挖面的距离应根据开挖面大小确定：送风式通风管的送风口距开挖面不宜大于15 m；压入式通风出风口距开挖面应小于风流的有效射程，可取；排风式风管吸风口不宜大于5 m。靠近开挖面的风管应可移动，爆破前从掌子面处移走。采用混合式通风方式时，当一组风机向前移动，另一组风机的管路应相应接长，并始终保持两组管道相邻端交错20～30 m；局部通风时，排风式风管的出风口应引入主风流循环的回风流中。

隧道内的风管，应布设在不妨碍运输作业、衬砌作业的空间处，如隧道拱顶中央、隧道中部或靠边墙墙角等处。一般在拱顶中央处通风效果较佳。在衬砌模板台车附近，不要使风管急剧弯曲，以减少风压损失。

风管安装要牢固、平顺，以免受到冲击振动而发生移动、掉落。一般采用夹具将其固定在锚杆或钢拱架等构件上。若无锚杆或钢拱架，可设置小型膨胀螺栓，并悬挂承力索，然后用吊钩将风管悬挂在承力索上。

风管的连接应密贴，以减少漏风，弯管半径应不小于风管直径的3倍。一般硬管用密封带或垫圈，软管则用紧固件连接。软风管加长宜采用高频热塑焊接工艺加工，其优点是接缝处平滑无缝隙且强度高，减少了接头个数，从而减少了漏风量，降低了风流的沿程阻力，方便安装和管理。

特长隧道通风可以考虑永临结合，宜优先选用大直径风管，风管长度可选择50～100 m，风管接头宜少不宜多，必要时可设置接力风机，宜适当加密风管吊装间距（宜不大于5 m）。