市政隧道施工智能化通风与环境调控技术研究

引言：随着城市地下空间开发力度的不断加大，市政隧道工程建设日益频繁，隧道施工面临的复杂环境条件和高标准作业要求，传统的定风量通风模式难以适应隧道环境的动态变化特性，粗放式管理也无法满足精细化施工的需求。近年来，以物联网、大数据、人工智能为代表的信息技术蓬勃发展，为隧道施工环境智能化治理提供了新思路和新手段，本文立足市政隧道施工实际，研究市政隧道施工智能化通风与环境调控技术，旨在为保障施工人员健康安全、提升隧道施工智能化水平提供有力支撑。

1. 市政隧道施工环境特征分析

市政隧道施工环境之所以复杂，源于其污染源的多样性、空间的密闭性、参数的动态性以及作业的高标准要求：一方面，隧道施工过程中，爆破粉尘、有害气体、岩粉、机械尾气、焊接烟尘、人员呼吸 CO₂ 等诸多污染源交织并存，种类繁多，时空分布不均匀；另一方面，隧道空间相对封闭，自然通风能力极弱，导致污染物难以扩散稀释，极易积聚超标；再者，隧道温度、湿度、风速、污染物浓度等环境参数呈现显著的动态波动特征，随施工进度、作业内容、设备状态乃至外部气象条件而变化，这种复杂性、密闭性、动态性直接导致隧道施工环境质量难以管控，并且隧道施工人员需长期在内部作业，对空气质量、温湿度的舒适性提出了较高要求，恶劣环境下工作效率和职业健康风险都难以保证[1]。综上，市政隧道施工通风与环境调控乃是一个多目标约束下的动态优化问题，急需引入智能感知、实时分析、精准控制等先进理念和技术，才能确保安全、高效、优质施工。

2 市政隧道施工智能化通风系统架构设计

2.1 环境感知网络

智能通风的首要前提，是构建一张全面、实时、准确的环境感知网络，技术人员可以采用多参数传感器阵列，对隧道内的空气质量、粉尘浓度、温湿度、风速风向等关键指标进行动态采集：其中，CO、 NO₂ 、 SO₂ 浓度传感器的量程可达 0-50ppm ，精度优于±1ppm； PM2.5/PM10 粉尘传感器的分辨率高达 0.1mg/m3 ；温湿度传感器的测量误差分别控制在 ±0.5^∘C 和±2%RH 以内；风速仪的量程为 0-30m/s ，多点布设以获取风场的空间分布特征。考虑到隧道施工环境的特殊性，所有传感器均采用防爆防水设计，并支持即插即用、自组网等功能，便于现场快速部署，各节点通过 LoRa无线通信协议与边缘计算单元连接，数据传输延迟小于 1s，采样频率可达10Hz ，为后续的实时分析控制奠定了坚实数据基础[2]。

2.2 动态通风模型

通风量作为智能通风控制的核心决策变量，需要根据隧道环境状况和污染物产生规律实时调整，技术人员可以创新性地融合了计算流体动力学(CFD)数值模拟和机器学习技术，搭建了一套隧道空气流动-污染物扩散耦合模型，用于动态预测通风需求和优化风机控制[3]。首先，利用 CFD 方法对隧道三维结构、边界条件、污染源分布等进行离散建模，模拟分析不同风量下的流场分布和污染物浓度场；在此基础上，引入基于历史数据的机器学习模型，综合考虑施工工序、人员设备分布、外部气象条件等影响因素，对风量-浓度响应关系进行实时拟合，得到动态适应的通风需求预测模型：

Q=a ₁(Cmax−Creal)₁ ΔV+β ₁∑i=1nqi

其中，Q 为所需风量，Cmax 为各类污染物的安全浓度阈值，Creal 为实时浓度值，V 为隧道体积，qi 为第 i 类污染源的实时排放速率， α_a 和 β 为模型参数。进一步地，为了降低风机能耗，技术人员还可以运用模糊 PID智能调频策略，根据实时风量需求动态优化风机频率，在满足通风要求的同时最小化能量损耗，实现节能增效。

2.3 自适应控制策略

全时全域“一刀切”的通风模式显然难以匹配复杂多变的隧道施工环境，因此，技术人员可以设计多种自适应控制策略，从时间和空间两个维度提升通风的灵活性和适应性：空间上，将隧道划分为掌子面、拌合段、运输段等不同功能分区，对每个分区独立设置风量阈值，实现分区域、分需求的精细化通风控制；时间上，则采用事件驱动的控制范式，针对突发性污染事件(如爆破、设备故障)制定应急响应机制，在污染物浓度超标时自动切换至应急通风模式，将局部风量提升至额定值的 1.5 倍以上，快速稀释净化。此外，技术人员还可以将通风系统与隧道降尘措施联动，接入爆破激波水泡除尘装置，在粉尘浓度超标时自动开启，通过雾化水汽与尘粒结合，加速颗粒物沉降，多管齐下保障隧道空气质量[4]。

3 市政隧道施工智能化通风与环境调控关键技术创新

3.1 爆破激波水泡降尘技术

在市政隧道施工中，爆破作业是不可或缺的关键环节，但由此产生的大量粉尘也对施工环境和作业人员健康构成严重威胁，为了有效解决这一难题，技术人员可以爆破激波水泡降尘技术，该技术巧妙利用爆破震动波瞬时产生的高压脉冲，通过特制的多孔介质发生器，将清水雾化成无数细小均匀的泡沫，形成一道弥漫性的水汽屏障，拦截阻滞迅速扩散的粉尘颗粒。

当爆破产生的粉尘在剧烈的湍流扰动下与水泡相遇时，惯性碰并和布朗运动两种机制共同发挥作用，促使粉尘颗粒与水泡发生凝并；粉尘颗粒被水泡捕获包裹后迅速凝聚增大，体积变大的颗粒在重力牵引下加速下沉，最终有效地从空气中被净化去除。经实测，该技术所产生的泡沫粒径多集中在 50-100μm 这一最佳范围，对粉尘的捕捉凝并效果十分显著，并且雾化后的泡沫在空气中弥散范围可达 3m 以上，能够在爆破瞬间形成大范围的阻尘屏障，最大限度地抑制粉尘向外扩散。

3.2 斜井“上下山”组合通风

对于市政工程来说，超长斜井隧道普遍存在“通风难”“供风不足”等问题，尤其是交叉作业阶段，长大斜井内同时存在上下行风流，供风系统面临巨大挑战，对此技术人员可以采用一种适用于长大斜井的“上下山”组合通风新方法：在上下行风道的分岔口设置导流风门，将两股风流物理隔离；上行风道配备功率较大的增压风机，专门用于克服纵坡阻力，保证掌子面风量；下行风道则通过调节阀实现压损平衡，在确保排风顺畅的同时均衡风量分配。导流风门与风机阀门均采用了变频控制，可根据掘进进度实时调整风压分配，在满足局部通风需求的同时兼顾全线压力平衡，此般组合通风方案解决了超长斜井掌子面“低风量、高风阻”的问题，实现了通风系统的灵活调控和风量的精准配给，为同类工程提供了可资借鉴的经验。

3.3 数字孪生可视化平台

事实上，管理的精细化、决策的智能化是实现隧道施工环境精准调控的关键，技术人员可以搭建一个融合物联网、BIM、虚拟现实等技术的隧道数字孪生可视化管控平台。首先，依托高精度三维激光扫描与倾斜摄影测量技术获取隧道实景数据，构建毫米级精细程度的隧道及地质模型；在此基础上，将环境参数、设备状态等动态信息与三维模型关联映射，形成与实体隧道高度同步的信息孪生体；进而综合利用颜色编码、流场仿真、虚拟漫游等可视化手段，直观展现隧道内实时通风状态和污染物浓度分布，对超标区域进行自动标识预警。与传统的数据报表和曲线图不同，数字孪生平台为管理者提供了一种沉浸式、全景式的隧道环境感知方式，提高了异常情况的发现速度和处置效率，值得一提的是，此平台还支持远程交互控制，现场管理人员可通过移动终端实时查看隧道各测点状态，远程调节通风设备运行参数，及时响应突发事件，大幅提升了通风系统的机动性和灵活性。

结语

总体而言，市政隧道施工面临的复杂环境问题，环境感知、动态建模、自适应控制、数字孪生等先进理念和技术的引入，为传统通风方式注入了新的活力，实现了隧道环境的实时感知、智能分析、动态优化与精细管控，在保障施工安全、改善作业环境、提高施工效率等方面发挥了重要作用。未来，随着新一代信息技术的不断发展，市政隧道施工必将驶入快车道，技术人员还需不断拓展行业数字化转型的广度和深度,为地下工程施工安全和城市地下空间高质量发展贡献更多力量。

参考文献：

[1]李梅,王延妮.钻爆法隧道施工环境变化规律现场试验研究[J].交通节能与环保,2025,21(02):254-258.

[2]钱正亚,杜伟.穿越轨道交通复杂环境下隧道施工安全分析[J].北方交通,2025,(03):62-66+71.

[3]王锋,李宁.高地温隧道施工环境温度特征及通风参数优化研究[J].地下空间与工程学报,2024,20(06):2074-2082.

[4]史万旭,李政,魏建升,等.公路隧道环境监测系统设计及预警研究[J].北方交通,2024,(11):88-91.