关键词高原特长单线隧道通风设计通风设备
中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：
1工程概况
由中铁二十一局集团三公司独立承建的拉萨至日喀则铁路盆因拉隧道全长10410m，起讫里程DK134+763~DK145+173，为全线最长单线隧道，也是全线建设过程当中最为关键性与重要性的控制性工程。该隧道设辅助坑道4座，其中1#斜井515米、2#横洞1335米、3#横洞1536米、4#横洞1076米，均采用钻爆法施工，无轨运输。该隧道地处青藏高原，平均海拔3850米；此区域范围内空气稀薄、缺氧严重，为一般状态下平原地区氧气含量指标的60％左右，平均气温温度较低。
这座现阶段国内在建铁路中海拔最高的特长单线铁路隧道工程因地处青藏高原腹地，受到高海拔、低气压、温差大等特殊环境条件的影响以及独头掘进距离均大于2000米，个别达到2500米以上，给隧道施工通风带来了不利条件，增加了隧道施工难度，为确保整个特长单线隧道施工作业的有效性与安全性，有必要对隧道通风方案进行优化设计。
2施工通风设计原则
从经济、维修方便的角度出发，选用国产先进节能通风设备。在满足通风效果的前提下，尽量减少风机的品种、型号。
在隧道断面净空允许的情况下，尽量采用大直径风管，减少能耗损失。通过适当增加一次性投入，减少通风系统的长期运行成本。
3施工方案及主要污染源
3.1施工方案
本隧道工程均采用钻爆法施工，无轨运输即装载机配自卸车出渣。
3.2洞内主要污染源
洞内污染源见表3.2
表3.2
4施工环境标准
洞内施工环境的要求包括：洞内空气中的有害气体浓度、粉尘和烟尘浓度、空气温度和湿度、风速、噪声等，其主要标准如下：
4.1粉尘
《工业企业设计卫生标准》（TJ36-79）中规定的地下工程施工有关的粉尘允许浓度。
4.2有害其他
《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（DL/T5099-1999）中规定的地下工程施工中有害气体允许浓度。
CO容许浓度当作业时间在1h以内时，可放宽到50mg/m³；0.5h以内时，可放宽到100mg/m³；15~20min以内时，可放宽到200mg/m³。在以上条件下反复作业时，两次作业时间应间隔2h以上。
4.3空气温度和风速
洞内温度一般不应超过28℃，当空气温度和相对湿度一定时，提高风速可以提高散效果。洞内最低风速应不小于15m/min,最大风速应不超过240～360m/min。
4.量
洞内风量要求：每人每分钟供应新鲜空气不少于3m³。
洞内使用柴油机械施工时，每马力每分钟供风3m³，并与同时工作人员所需的通风量相加。
洞内空气中的含氧量不低于20%。
5通风计算及通风设备
5.1设计参数
盆因拉隧道正洞全长10410米，设辅助坑道4座，均采用钻爆法施工。盆因拉隧道独头掘进均大于2000米，最长达到2616米。各队施工任务如下表。
表5.1
主要计算参数：
⑴、开挖面积：斜井S斜=37.8；横洞S横=50.77；正洞S正=56.26；以上均为最大开挖断面面积。
⑵、一次开挖长度L=3.0m
⑶、单位体积耗药量：1.3kg/m3；
⑷、一次爆破用药量：斜井G斜=147.5kg；横洞G横=200kg；正洞SG正=220kg。
⑸、洞内最多作业人数：30人；
⑹、爆破后通风排烟时间：T
⑺、隧道内平均风速不应低于15m/min；
5.2通风量计算采用公式
5.2.1按洞内同时作业的最多人数计算
Q1=qmk(m³/min)
式中：q―洞内每人每分钟所需新鲜空气，m³/min
m--洞内同时工作最多人数，均取40人
k―风量备用系数，一般去1.1~1.25，取1.15
5.2.2按洞内同一时间爆破使用的最大炸药量计算风量
Q2=7.8/t×(m³/min)
式中：t---爆破后气体达到允许浓度的时间，取30min；
G---同时爆破炸药用量，取最大220kg；
A---开挖断面面积，取最大56.26；
L0---炮烟抛掷长度，L0=15+G/5=69m。
5.2.3按内燃机作业废弃稀释的需要量计算
Q3=(m³/min)
式中：Ni---洞内同时使用各种内燃机KW数；
A---内燃机每KW所需要的风量，m³/min；
5.2.4按洞内允许最小风速计算
Q4=VSm³/min
式中：V---洞内允许最小风速，取15m/min；
S---开挖断面面积，取最大56.26；；
取以上四种计算的最大值最为设计控制风量。
5.2.5风量修正计算
P=1/
式中：P---漏风系数；
---百米漏风率，取1%；
L---通风管长度m；
Q风机=P*Q工作面*α
式中：Q风机---风机出风口供风量；
Q工作面---工作面需风量；
α---高原修正系数，取1.2；
5.2.6风压（通风阻力）计算
①摩擦阻力
H摩=
式中：α---风管摩擦力系数，取0.00018；
L―通风管道长度m；
Q---设计风量，m³/s；
g―重力加速度，取9.8m/s2；
d―风管直径，m；
②局部阻力
H局=
式中：ε---局部阻力系数，一般取1.5；
Q---设计风量，m³/s；
γ―空气重量，取1.2kg/m3；
S―管道净面积，；
③其他局部阻力
按局部阻力的5%考虑
④管道总阻力
H总=H摩+1.05H局
5.3通风方式
根据隧道施工通风经验，结合本工程实际情况以及工程特点。盆因拉隧道通风方式均采用长筒式压入式通风，射流风机辅助通风；隧道通风按以下三种情况设计，
⑴、正洞独头掘进
⑵、辅助坑道施工
⑶、辅助坑道进正洞后施工
5.4通风系统布置及风机选型
5.4.1各工区设计控制风量和风压值计算
5.4.2通风系统布置
辅助坑道施工时，均采用一台轴流风机进行供风，进入正洞后每个工作面各采用一台轴流风机进行供风。
通风系统布置示意图如下:
5.4.3通风管直径选择
为降低风管漏风率，提高通风效果，根据现场施工条件及单线隧道的工程特点，通风管采用引进的优质通风软管，风管直径选用Φ1.5m。
5.4.3通风管直径选择
为降低风管漏风率，提高通风效果，根据现场施工条件及单线隧道的工程特点，通风管采用引进的优质通风软管，风管直径选用Φ1.5m。
5.4.4通风机型号选择
由于不同的施工阶段，同一个工作面工作内容不同，随着施工长度的变化，其供风量也在不断变化，为在保证通风排烟效果的前提下，降低通风排烟成本，选用多级变速风机，根据施工需要供风。除考虑一般地段正常通风外，同时储备了一定的通风安全系数，确保顺利通过施工地段开挖、支护、衬砌施工，保证施工、隧洞结构及施工人员安全。根据各工区通风距离长度及计算所需风量、风压值选用旋通风机SDF(C)-No13/132kw×2型，该机最大风量3300m³/min,高效风量2691m³/min，全压5920Pa，配套直径为1.5m的PVC涤纶送压式导风筒。
5.4.5射流风机的设置与应用
为增加通风排烟效果，使非新鲜空气加速流出，在烟尘极易聚集的二次衬砌台车后、交岔口处设置SSF-10/37kw射流风机，利用其使非新鲜空气定向排出，该机最大风量33m3/min,出口风速38.6m/s。
6通风管理
隧道施工通风管理水平的高低，是影响通风质量的关键因素之一。隧道通风不好，除了通风系统布局不合理、风机风管不匹配等技术原因外，主要问题是通风的管理不善，管道通风阻力大，使开挖工作面得不到足够的新鲜风流，沿途污浊空气不能及时排出洞外。因此，必须以“合理布局,优化匹配，防漏降阻，严格管理，确保效果”二十字方针，作为施工通风管理的指导原则，强化通风管理。
6.1通风组织与相关管理制度
建立以岗位责任制和奖罚制为核心的通风管理制度和组建专业通风班组，通风班组全面负责风机、风管的安装、管理、检查和维修，严格按照通风管理规程及操作细则组织实施。项目部定期根据通风质量给通风班组兑现奖罚办法。
施工产生的粉尘应进行综合治理，除采用常规的机械通风、湿式凿岩、放炮喷雾、出渣洒水、冲洗岩帮等措施外，还可以采取局部净化的方法，控制尘源所产生的粉尘扩散。进洞车辆推广使用低污染柴油车辆，并尽量减少进洞内燃车辆的数量，以减少废气排放量。
6.2防漏降阻措施
以长带短。每段软风管的长度由以往的20～30m加长至50～100m，减少接头数量，并严格按操作规程执行，以减少漏风率。
以大代小。在净空允许的条件下，尽量采用大直径软风管。
以直取弯。掘进过程中，按照5m间距埋设吊挂锚杆，并在杆上标出吊线位置，再将Ф8mm的盘条吊挂线拉直拉紧焊接于锚杆上，将Ф6mm的盘条弯成“V”形，跨于吊挂线上，两端分别挂于软风管两侧的吊环，要求Ф6mm“V”形盘条长短一致。这样，就可以保证风管安装达到平、直、稳、紧，不弯曲、无褶皱，减小通风阻力。
软风管在储存、运输过程中要注意保护，避免造成人为损伤和机械损伤，从而减少漏风量。
通风管线路的终点距工作面不应大于30m，必要时应在通风管上设置中间接力风机，以保证良好的排出污染空气。
此外，加强风管的检修，检查内容包括悬挂是否完好、接头连接状况、风管有无破损等，对存在的问题及部位做好记录并及时处理。
关键词:大断面隧道;下穿铁路站场;矿山法;三维数值模拟
1工程概况
南京地铁一号线南京站以80°角下穿南京火车站铁路站场，是国内第一个采用矿山法在既有铁路站场下施工的地铁车站，受铁路站场制约，地铁南京站划分为南区、北区和过站区3个部分(图1).南区、北区为双层明挖箱型框架结构，车站中部为暗挖分离双洞隧道，称之为过站区.暗挖隧道埋深6。69~8.06m，单洞长度均为66.56m.隧道开挖高度9.546m，跨度11m，两条隧道中心线间距15.46m，中间设有两条横通道相连.
隧道围岩为Ⅴ级，采用复合式衬砌结构，初期支护为钢筋网、喷射砼和格栅钢架，厚度350mm;二次衬砌为模筑钢筋砼，厚度500mm.过站区隧道断面形式见图2.
为有效控制地表既有站场的沉降，保证南京火车站行车安全和隧道施工安全，在过站区隧道施工前，对站场内隧道穿越的所有线路均采用架设D24型便梁进行加固，两隧道之间的便梁支墩采用箱涵，并在箱涵内设置静压钢筋砼方桩，隧道外侧的便梁支墩采用钢筋混凝土扩大基础.有关隧道施工及线路加固的详细方案见文献[1].
2过站区施工过程的三维数值模拟
2．1计算条件的适度简化
由于在隧道开挖前，对线路采用了便梁加固，隧道施工期间中，列车运行的动荷载通过便梁传递到两侧便梁支墩上，因此，计算中不考虑列车荷载的影响.监测结果也表明了列车动荷载对隧道结构影响很小.
2．2数值计算目的
按实际的开挖顺序和施工工艺，对过站区开挖过程进行模拟，从施工力学机理分析的角度探讨隧道开挖引起的地表线路沉降和地层中塑性区的分布，验证施工方案的可行性，并为地层加固部位及辅助施工措施的选择提供依据.
2．3模拟的施工步骤
过站隧道采用CRD(Crossdiaphragm)工法施工[1_2]，隧道开挖前超前施作直径为159mm的大管棚和小导管预支护.在大管棚超前预注浆加固地层完成后，由北向南单向推进，先左线后右线，左线超前右线一个施工分段(约15~20m)，地表铁路轨道加固与隧道开挖协调施工，先加固后开挖，见图3.
模拟的施工步骤为:
第一步:Ⅷ道和7道在便梁防护下，左线开始掘进至3#站台中心线;
第二步:拆除左线便梁，移至右线Ⅷ道和7道架设，右线开始掘进至3#站台中心线;
第三步:拆除右线便梁，移至左线6道、5道和4道架设便梁，并掘进至2#站台中心线;
第四步:拆除左线便梁，移至右线6道、5道和4道架设便梁，并掘进至2#站台中心线;
第五步:拆除右线便梁，移至左线3道、2道和1道架设便梁，左线掘进至过站区终点;
第六步:拆除左线便梁，移至右线3道、2道和1道架设便梁，右线掘进至过站区终点.
2．4计算模型的建立
采用三维数值软件FLAC3D2.1.
根据南京站过站隧道的设计条件，确定计算范围:上至地面，下至隧道底部以下30m处，横向取隧道中线两侧各60m，沿隧道轴线方向取66m.
模拟过程中主要考虑永久荷载，包括结构自重，地层压力、水压.地层的初始应力场由自重产生，对水压力的考虑是采用水土合算的原则.
计算模型的边界条件:取地面为自由面，侧面和底面为位移边界，前后左右4个侧面限制水平位移，底部限制垂直移动.
计算力学模型选用Mohr_Coulomb弹塑性模型.
2.5隧道超前支护、初期支护和二衬的模拟
(1)格栅拱架加挂网喷射混凝土的模拟
按抗弯刚度等效的原则，将初期支护的网喷混凝土和格栅拱架作为一个等效体，并采用弹性三维壳单元进行模拟.计算中，每一计算步开挖后及时施加模拟格栅拱架加网喷混凝土的壳单元，但刚度降一个数量级来模拟施工过程中强度发展的时间效应.在下一计算步中，初支刚度发展到100%.初支弹性模量取1.75×104MPa，泊松比取0.2，重度为23kN/m3.
(2)管棚加固的力学效果模拟
将管棚加固区等效成厚200mm的连续空间薄层预支护结构，采用壳单元来模拟.假定开挖之前管棚已经施工完毕，即开挖之前在管棚位置都预加壳单元.根据类似工程的施工经验，加固层弹性模量取1.5×103MPa，泊松比取0.2，重度为23kN/m3.
(3)把注浆小导管当成安全储备，不进行模拟.
(4)模筑二衬根据实际厚度和实际弹性模量采用三维实体单元来模拟.二衬弹性模量取3×104MPa，泊松比取0.2，重度为25kN/m3.
(5)隧道洞身穿越地层主要为强风化闪长岩，拱顶土层主要为粉质黏土，地层物理力学参数见表1.
根据以上情况建立计算模型，共划分单元50556个，节点总数54162个，开挖前后三维计算模型的网格剖分如图4、图5所示.
3计算结果及对工程施工的指导意义
(1)过站隧道施工引起的地表沉降预测几个典型施工阶段的隧道地表最大沉降和隧道左线施工完毕后的地表沉降云图和模拟地层的竖向位移云图见封三图6.
右线施工完毕后的地表沉降云图和整个模拟地层的竖向位移云图见封三图7.
数值计算结果表明:地表最大沉降在允许值的40mm范围内，应该说过站区暗挖隧道所采取的施工方案能够将地表沉降控制在允许值范围内.
过站区施工期间，在线路股道中间和便梁支墩上均布置了沉降测点.随隧道开挖进程对地表线路沉降和便梁两侧的支墩沉降进行跟踪监测[3].
在施工过程中，对过站区地表沉降的实际监测结果[3]略小于计算值.因为实际监测值是工程辅助措施应用后的效果体现，这也从一个侧面证明了根据计算的塑性区分布和应力状态确定的辅助施工措施的有效性.
(2)塑性区分布
施工完毕时的隧道周边塑性分布情况见图8所示.由图8可知，左右线全部施工完后，隧道周边的塑性区范围主要集中在隧道上半部和隧道之间部分土体，这部分土体为粉质黏土，施工中要注意采取预加固措施.
根据塑性区分布的计算结果，在隧道开挖前对中间箱涵两侧及底部地层进行了注浆加固[1]，加固目的是为了提高桩与土体之间的摩擦力，保证中间箱涵支墩的稳定.
(3)应力状态分析
施工完成，隧道周围模拟地层的最大主应力云图和最小主应力云图如封三图9所示.最大主拉应力分布在拱顶和拱底位置，在靠左(右)线的侧墙位置有较大的主压应力.
根据应力状态的计算结果，隧道拱顶和隧道两侧应力较大，是施工中需要关注的重点部位，隧道施工中，强调及时施作中隔壁，并设置锁脚锚杆，两隧道之间设置对拉锚杆[1].
4结论
(1)在施工方案实施前，应对施工的环境影响特别是地表沉降进行预测，确定施工方案能否将地表沉降大致控制在允许值范围内.
(2)数值计算得出的隧道周围地层塑性区分布和应力状态，能够为地层加固措施及辅助施工方案的选择提供理论依据.
(3)地铁南京站过站区的施工实践也证明了依据数值计算结果所采取的施工辅助措施对确保地表线路安全和隧道施工安全效果明显.
参考文献
[1]李兆平，李铭凯，黄庆华.南京地铁车站下穿既有铁路站场施工技术研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(6):1061-1066.
LiZhao_ping，LiMing_kai，HuangQing_hua.AStudyfortheConstructionTechnologyoftheNanjingSubwaySta-tionUndertheNanjingRailwayStation[J].ChineseJour-nalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(6):
1061-1066.(inChinese)
[2]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社，2002.
ShiZhong_heng.TheDesignandConstructionforMetro[M].Xi‘an:ShanxiScienceandTechnologyPress，2002.(inchinese)
关键词：隧道口地标预加固分析与应用
在一些山岭地区，隧道口所处地区的围岩性能差，地面的横坡陡峭，很容易受地下水和地表水的影响。隧道口的部位都是处于浅埋的状态之下，地质条件和地形条件十分复杂，围岩的性能十分不稳定，载拱在隧道开挖的过程之中很难形成。隧道在开挖的过程之中很容易引起围岩的松弛，使地面发生崩塌、偏压、地表下沉和滑动。特别是在施工条件不佳的状态之下，例如：雨季施工、浅埋偏压、软岩和陡坡等，更应该注意进洞安全的问题，以免在施工的过程之中引起大滑坡的现象。一旦发生洞口车体滑坡，不仅会使施工周期延长，造成经济上的严重损失，更会使人的生命财产安全遭受到巨大的损失。因此在隧道施工的各个细节之中，隧道口的稳定是其关键，它影响到了隧道能否顺利的进行施工。当坡面发生滑动、严重偏压、地表下沉或者崩塌时，一定要在隧道开挖之前就采取地表加固技术，保证隧道施工的安全。
1、地表预加固技术和施工原则
在对隧道进行设计时，要充分的考虑到进洞的方案和洞口的位置，由于隧道洞口经常受到地形、地物和路线走向的限制，所以对隧道洞口的选择要符合以下三个特点。第一，隧道洞口的位置如果需要穿过山体。由于山体表层的岩石存在着稳定性差和严重风化的现状，一旦隧道洞口开始施工，会使山体的坡面的平衡状态受到严重的损害，引起滑坡现象的发生。崩塌也可能出现在悬崖或者山体的陡坡之上，洞口处于这样的位置周围，及时围岩具有良好的条件，也要先对仰坡山体进行加固，然后再进洞。第二，如果洞口周围的围岩十分软弱，处于浅埋的地段，并且围岩破碎的状态十分严重，那么隧道口的洞口形成十分困难。第三，岩石或者山体的走向和隧道轴线斜交，洞口会承受山体的巨大偏压。传统的隧道洞口的施工方式会破坏山体原有的自然平衡状态，尤其是挖掘仰坡的岩石时，一旦洞口的水文条件和地质条件不理想，山体的稳定性差，在施工的过程之中很容易出现坍塌、滑动等危害，隧道的施工带来极大的困难，严重影响了施工的进行。在隧道洞口施工中遵循早进洞、晚出洞的原则对山坡的稳定是有很大好处的。在具体的施工过程之中，在早进洞、晚出洞的原则之下，综合自然进洞的原则。即在洞口原有的自然坡面的条件之下，在一些辅助措施的条件之下使进洞提前。这些辅助的措施包括：减少在施工之中对原始坡面植被的破坏，最大限度的保持山体的稳定。第二，减少开挖的工作，特别是要减少山体清方等方面的开挖。第三，在施工过程之中，采取由下到上的方式，先对坡体进行加护，然后再进行挖掘，减少坡体会产生的危害。第四，在隧道洞口出现崩塌、泥石流或者滑坡的危害时，应该先对灾害进行治理，然后再进洞。对于隧道洞口处于地质复杂的浅埋地段、雨季施工或者围岩不稳定的不利条件之下，应该广泛的在施工过程之中使用自然进洞的原则。解决隧道洞口的工程危害，可以针对洞口的特征和自然进洞的施工理念，借助地表注浆等辅质的措施使施工的进洞期提前。可以采用地标锚杆、深孔注浆和高压喷射注浆的方式对洞口进行加固，减少在施工过程之中的防护成本，保护仰坡的稳定性。隧道施工地表预加固措施的优点有以下几种。第一，减少工程的造价，使施工方便。第二，保证隧道在使用过程之中的安全性和稳定性。第三，减少地表水的下渗，防止地表水软化周围的围岩。第四，提高围岩的稳定性和自身的能力，使围岩承受的初期支护的压力降低。
2、地表加固技术的应用和发展
地表加固辅助施工方法使用较多的地段是洞口段的施工。一旦在滑动带设置了出洞口，在开挖之后很可能会产生基石滑动的危害。为了减少在开挖之后基岩面的滑动危害，应该进行高压喷浆注射对地表进行加固，防止坍塌和滑动的危害，为后期的隧道挖掘进行准备。在洞口施工的过程之中，地表注浆的使用也不断增多。一旦隧道的洞口受到洞口浅埋或者地面的不对称荷载的影响而产生偏压，会使隧道的地面产生沉降，甚至使隧道的主体发生坍塌和滑移。在施工之前应该沿着隧道的方向，顺着地面和拱顶的部位设置地面的垂直锚杆。地表注浆所使用的材料多数是水泥浆和水玻璃和水泥的双液浆等小颗粒型的注浆用料。这些注浆使用的材料结石强度比化学浆液要大很多，不同于以往的材料，对环境和地下水的污染少，是一种绿色的注浆材料。
3、地表注浆工程的实例
某个隧道的全长为780m，是一个双车道的单向隧道。在滑坡体的边缘设置了隧道的出口。洞口的埋深有2.5m。滑坡体有明显的周界，呈现出明显的环谷地貌。隧道洞口前方的一些碎土石因为山沟水的冲刷作用，而被切割成为陡岸和狭沟。在中部和前部的滑坡体之中存在着很多水点，最终产生了具有软塑状的粘土。隧道和滑坡轴处于平行的状态，隧道中部的宽度大约有60cm，隧道的厚度为9到15cm，隧道的下部宽度大致为60cm，是暂时稳定的中型滑坡。一旦从洞口向下挖掘15.9cm之后，很容易产生新的山体滑坡，加大山体滑坡的危害，经过勘察之后，选择了地表钻孔注浆的加固方案。使用地表钻孔注浆的方式之后，使土体的物理学性能得到很大的改善，在经过了钻孔的检查之后，证明注浆已经填满了土体的缝隙，大大降低了孔隙率，使围岩强度提高了1到3倍。由洞口段向下挖掘之后，周围围岩的稳定性没有变化，只发生了及其微弱的渗水，在隧道内部地表裂隙的渗水也有大幅度的减少。
4、结论
在隧道施工的各个细节之中，隧道口的稳定是其关键，它影响到了隧道能否顺利的进行施工。当坡面发生滑动、严重偏压、地表下沉或者崩塌时，一定要在隧道开挖之前就采取地标预加固技术，保证隧道施工的安全。通过在施工过程之中使用地表加固技术，提高隧道洞口围岩的物理力学的性能，使围岩的自身稳定性性能得到提高，减少围岩松弛区域，将隧道口围岩对初期支护的压力降到最低。注浆杆和锚杆的使用可以有效的防止隧道的冒顶和塌方，对坍塌体和矿洞的加固，可以使围岩的整体得到强化。对地表水下渗的通道加以封堵，可以有效减少围岩的软化。在使用了地表钻孔注浆之后，隧道洞口地段的围岩强度提高了1到3倍。使隧道工程在注浆加固之后获得了经济效益和技术效益的双赢。
参考文献：
[1]陈洁.隧道工程的理论基础与设计[M]．北京：人民交通出版社，2005，40，47．