肖元平，楊立新

(1．中鐵隧道集團(tuán)路橋工程處，安徽黃山 245400;2．中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路建設(shè)中長大隧道的修建數(shù)量日益增多。國內(nèi)隧道施工中，特別是目前的客運(yùn)專線隧道［1］，由于仍廣泛采用鉆爆法開挖，開挖斷面大，且施工機(jī)械化程度日益提高，爆破后內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)過程中產(chǎn)生的有害氣體造成隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境惡化，越來越成為制約工程進(jìn)度、影響工程工期及危害洞內(nèi)作業(yè)人員身體健康的關(guān)鍵因素。

對于單斜井進(jìn)入雙正洞無軌運(yùn)輸施工的隧道，通常都有4個作業(yè)面在同時施工。由于多作業(yè)面同時施工，使洞內(nèi)投入的機(jī)械設(shè)備增多，產(chǎn)生了大量CO、NO2和粉塵等［2］，洞內(nèi)環(huán)境污染嚴(yán)重，成為目前隧道施工通風(fēng)中最大的難題之一。過去，對于斜井進(jìn)入正洞的通風(fēng)一貫采用獨頭壓入式通風(fēng)模式，每個開挖工作面最少需要1臺軸流風(fēng)機(jī)和1道通風(fēng)管路，如果通風(fēng)距離過長，一個開挖面就可能需要增到2臺軸流風(fēng)機(jī)和2道風(fēng)管。合武鐵路大別山隧道2#斜井，為單斜井單正洞［3］，進(jìn)入正洞以后只有2個工作面，但是因為開挖距離過長，其中一個工作面必須使用2臺風(fēng)機(jī)和2道風(fēng)管才能滿足通風(fēng)需求，所以，僅僅2個工作面，在施工中后期就投入了3臺軸流風(fēng)機(jī)和3道通風(fēng)管路，在3道風(fēng)管穿過斜井的布置上相當(dāng)困難，管路維護(hù)的工作量也很大，需要投入大量人力物力，如果是4個開挖面同時工作，難度也更大，所需的投入也就更多了。

目前，國內(nèi)獨頭壓入式通風(fēng)超過4 000 m，基本上能滿足施工要求，在2002年，圓梁山隧道采用平行雙洞的射流通風(fēng)距離超過了8 000 m，而且能夠較好地滿足施工環(huán)境要求。因此，提出大膽設(shè)想，將過去一貫應(yīng)用于平行雙洞的射流通風(fēng)技術(shù)引入單斜井進(jìn)入雙正洞的隧道施工通風(fēng)中，并對此進(jìn)行研究。

1 單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)原理

1．1 射流通風(fēng)技術(shù)原理

射流通風(fēng)技術(shù)是借鑒運(yùn)營通風(fēng)中射流通風(fēng)原理，將射流通風(fēng)理論引入隧道的施工通風(fēng)當(dāng)中。當(dāng)平行掘進(jìn)的2條隧道通過橫通道連接時就形成了“U”型風(fēng)道［4］，如圖1所示。利用射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓促使“U”型風(fēng)道內(nèi)的空氣單向流動，在2座平行隧道之間，每隔一段距離用橫通道貫通，新鮮風(fēng)通過射流風(fēng)機(jī)從一座隧道引入，污濁空氣通過射流風(fēng)機(jī)從另外一座平行隧道引出，達(dá)到通風(fēng)換氣的目的。然后在2個獨頭掘進(jìn)的工作面采用軸流風(fēng)機(jī)和軟風(fēng)管壓入式通風(fēng)，壓入式軸流風(fēng)機(jī)必須安裝在進(jìn)風(fēng)隧道內(nèi)。為避免污風(fēng)循環(huán)，橫通道之間必須用擋風(fēng)墻密封。

圖1 射流通風(fēng)示意圖Fig．1 Layout of conventional jet ventilation

1．2 單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)原理

目前，在國內(nèi)，射流通風(fēng)技術(shù)一般應(yīng)用于平行雙洞的巷道式通風(fēng)模式，因為平行雙洞的“U”型風(fēng)道可以充分滿足射流通風(fēng)換氣的條件，在單斜井雙正洞使用射流通風(fēng)技術(shù)并無先例，因為單斜井雙正洞隧道的整體平面構(gòu)造，無法形成理想狀態(tài)下的“U”型風(fēng)道的2個通風(fēng)換氣口，也就無法利用射流風(fēng)機(jī)的增壓形成良好的通風(fēng)換氣條件。采用的原理為局部通風(fēng)換氣法，首先利用小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)和大直徑軟風(fēng)管，通過斜井對隧道進(jìn)行送風(fēng)或者將隧道內(nèi)污風(fēng)抽出，同時斜井排出污風(fēng)或者引入新鮮風(fēng)。這樣，從原理上也吻合了“U”型風(fēng)道理論，同樣形成了2個通風(fēng)換氣口，只是原有的機(jī)械增壓使空氣自然流動的原理變?yōu)榱藱C(jī)械通風(fēng)原理。這里，斜井為軸流風(fēng)機(jī)的機(jī)械通風(fēng)，進(jìn)入正洞后的巷道式通風(fēng)，稱為單斜井雙正洞的射流通風(fēng)技術(shù)，由于斜井的通風(fēng)模式不同，對單斜井雙正洞的射流通風(fēng)技術(shù)分為2種進(jìn)行分析比較。

1．2．1 斜井壓入式通風(fēng)模式

斜井壓入式通風(fēng)模式如圖2所示，將小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)放在距離斜井口30～40 m的位置，利用大直徑軟風(fēng)管對正洞右線進(jìn)行壓入式通風(fēng)，另外4臺功率相對較小的軸流風(fēng)機(jī)放置在右線隧道內(nèi)，通過軟風(fēng)管對4個開挖工作面進(jìn)行壓入式通風(fēng)，污風(fēng)通過橫通道進(jìn)入左線隧道，再通過斜井排出洞外，形成一個自然流動配合機(jī)械通風(fēng)的閉合通風(fēng)系統(tǒng)。東西兩側(cè)軸流風(fēng)機(jī)后面應(yīng)該放置射流風(fēng)機(jī)，對軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行增壓，防止空氣倒流，造成污風(fēng)循環(huán)，在正對斜井的橫通道設(shè)置風(fēng)門，以防止污風(fēng)循環(huán)。當(dāng)隧道開挖進(jìn)尺延長，可將軸流風(fēng)機(jī)往開挖面方向移動，以

減少隧道獨頭通風(fēng)長度，增大風(fēng)量，節(jié)約風(fēng)管成本和用電成本，軸流風(fēng)機(jī)后面的橫通道應(yīng)該及時封閉。

圖2 斜井壓入式通風(fēng)模式Fig．2 Sketch of forced ventilation through inclined shaft

1．2．2 斜井抽出式通風(fēng)模式

斜井抽出式通風(fēng)模式如圖3所示，將小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)放在隧道右線內(nèi)，將隧道內(nèi)污風(fēng)抽出，新風(fēng)從斜井進(jìn)入隧道左線，壓入式軸流風(fēng)機(jī)放置在隧道左線，對隧道4個開挖工作面進(jìn)行獨頭壓入式送風(fēng)，小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)將污風(fēng)抽出洞外，形成一個自然流動配合機(jī)械通風(fēng)的閉合通風(fēng)系統(tǒng)。其他和斜井壓入式通風(fēng)模式一樣。

圖3 斜井抽出式通風(fēng)模式Fig．3 Sketch of exhaust ventilation through inclined shaft

1．2．3 2 種模式對比

圖3的斜井抽出式通風(fēng)模式，僅適合斜井有軌運(yùn)輸模式，因為新鮮風(fēng)從斜井進(jìn)入，如果是無軌運(yùn)輸，那么內(nèi)燃機(jī)尾氣必然對斜井內(nèi)空氣造成污染，進(jìn)而對4個開挖面的新風(fēng)均造成污染。包家山隧道為斜井有軌提升運(yùn)輸模式，可使用本文研究的單斜井雙正洞射流通風(fēng)模式。但缺點如下:1)應(yīng)用范圍相對斜井壓入式通風(fēng)模式要窄;2)因小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)放置在洞內(nèi)，如果風(fēng)機(jī)消音設(shè)備稍差，容易造成噪音污染，而且隨著使用時間增長，隧道內(nèi)粉塵會將風(fēng)機(jī)消音器上的網(wǎng)孔堵塞，將進(jìn)一步降低消音效果;3)對斜井內(nèi)通風(fēng)管路的維護(hù)要求更高。但是其優(yōu)勢也比較明顯，新鮮風(fēng)從斜井進(jìn)入，可保持整個斜井的空氣狀態(tài)良好，保證了斜井通風(fēng)環(huán)境。

圖2的斜井壓入式通風(fēng)模式，其優(yōu)缺點跟斜井抽出式通風(fēng)模式相反，優(yōu)點如下:1)其應(yīng)用范圍更廣，不但適合斜井有軌運(yùn)輸模式，也適合斜井無軌運(yùn)輸;2)因為風(fēng)機(jī)放置在洞外，不會對隧道造成太大的噪音污染。缺點為斜井污染較重，因為4個開挖面爆破的炮煙、隧道內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣等污染物，均需要從斜井排出洞外，斜井為唯一污風(fēng)排出通道。

2 風(fēng)機(jī)風(fēng)管配套選型

2．1 風(fēng)機(jī)選型計算

風(fēng)機(jī)和風(fēng)管的配套選型主要分2部分，第1部分為斜井的進(jìn)出風(fēng)，即斜井供風(fēng)的設(shè)備配套，為小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)和大直徑軟風(fēng)管配套;第2部分為開挖面的送風(fēng)，即局扇供風(fēng)設(shè)備配套。配置原則為風(fēng)量平衡原理［5］，即小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)配套的大直徑軟風(fēng)管的風(fēng)管出口風(fēng)量Q01必須等于或者大于給開挖面送風(fēng)的風(fēng)機(jī)供風(fēng)量(即局扇的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量Qf2)，即

2．2 風(fēng)機(jī)風(fēng)管配套選型原理

因射流風(fēng)機(jī)選型需考慮隧道各項阻力，具有較多的前人經(jīng)驗可借鑒，這里不再贅述。下面重點介紹軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)管的配套選型，采用反推法，暫時不考慮隧道開挖面需風(fēng)量。首先，選定市場流通的部分風(fēng)機(jī)，按照每種風(fēng)機(jī)固定的性能參數(shù)，得出風(fēng)機(jī)性能曲線;然后，根據(jù)風(fēng)阻因數(shù)，得出某種直徑風(fēng)管在特定長度下的風(fēng)阻曲線圖，2條曲線交點，即為特定的風(fēng)機(jī)，再配置固定直徑和長度風(fēng)管前提下的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量和風(fēng)壓［6］;最后，根據(jù)漏風(fēng)量計算公式，求出風(fēng)管出口風(fēng)量。式(2)和式(3)分別為風(fēng)阻因數(shù)［7］和漏風(fēng)量［8］計算式。

式中:p為風(fēng)管沿程阻力，Pa;λ為風(fēng)管摩阻因數(shù)，0．02;ρ為空氣密度，kg/m3;d為風(fēng)管直徑，m;β為風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率，0．02;L為管路長度，m;Qf為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量，m3/min;Q0為風(fēng)管出口風(fēng)量，m3/min。

根據(jù)計算結(jié)果，針對各個工地的需風(fēng)量，選擇合適的施工通風(fēng)配套方案，供施工現(xiàn)場借鑒。

2．3 風(fēng)機(jī)風(fēng)管配套選型計算

2．3．1 小功率大風(fēng)量風(fēng)機(jī)與大直徑風(fēng)管匹配

在單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)研究中，因為小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)是給斜井供風(fēng)，大部分斜井都較短，幾百m的斜井很多，超過3 000 m的斜井算是超長斜井了，在使用大直徑軟風(fēng)管時，所需克服的風(fēng)管阻力非常小，需要風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓也很低;根據(jù)風(fēng)機(jī)功率原理，風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)量以及風(fēng)壓均有直接正比關(guān)系，在保證盡量大風(fēng)量的前提下，要使風(fēng)機(jī)功率減小，只能盡可能地減小風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。

以浙江上風(fēng)的DTF(R)系列軸流風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行配套計算，曲線選擇風(fēng)機(jī)工況點最高80%效率時候的葉片角度配置，角度為25°時的風(fēng)機(jī)特性曲線，通風(fēng)長度分別按照斜井長度600，1 000，1 500，3 000 m考慮。

根據(jù)式(2)可得出，當(dāng)L為600，1 000 m時，直徑2．8 m風(fēng)管的風(fēng)阻因數(shù)分別為0．06和0．09，根據(jù)風(fēng)阻因數(shù)，即可得出風(fēng)管特性曲線。

圖4為根據(jù)DTF(R)-28-14軸流風(fēng)機(jī)的特性曲線和風(fēng)阻因數(shù)得出的風(fēng)機(jī)風(fēng)管特性曲線，從圖4中可求出風(fēng)機(jī)供風(fēng)量和工況點風(fēng)壓。

圖4 DTF(R)-28-14型軸流風(fēng)機(jī)與2．8 m風(fēng)管特性曲線圖Fig．4 Performance of DTF(R)-28-14 axial fan and 2．8m-diameter ventilation duct

1)當(dāng)送風(fēng)距離L=600 m時，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量為7 920 m3/min;風(fēng)壓為1060Pa，風(fēng)管出口風(fēng)量為7016m3/min。

2)當(dāng)送風(fēng)距離L=1 000 m時，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量為6 100 m3/min;風(fēng)壓為1 160 Pa，風(fēng)管出口風(fēng)量為4 984 m3/min。

因為計算原理相同，計算過程繁雜，下面的配套計算不再贅述，配套結(jié)果見表1。

從表1可以得出斜井供風(fēng)量，也就是風(fēng)管出口風(fēng)量的數(shù)值結(jié)果，其主要影響因素為風(fēng)管長度、風(fēng)機(jī)型號和風(fēng)管直徑，其中風(fēng)管長度取決于斜井長度，匹配時可根據(jù)斜井長度以及隧道需風(fēng)量選擇合適的風(fēng)機(jī)以及風(fēng)管。

2．3．2 向開挖面送風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)管匹配

選擇往開挖面送風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)管直徑主要取決于隧道開挖面的需風(fēng)量和送風(fēng)長度，這里匹配的時候暫不考慮開挖面需風(fēng)量，首先選擇幾種型號的軸流風(fēng)機(jī)與幾種直徑軟風(fēng)管，計算出在通風(fēng)距離分別為1 000，2 000，3 000 m時的風(fēng)量，最后再根據(jù)開挖面需風(fēng)量的要求，選擇適合本工程的風(fēng)機(jī)風(fēng)管匹配。其匹配計算原理同上，計算過程也不再贅述，匹配結(jié)果如表2所示。開挖面同時工作的軸流風(fēng)機(jī)的需風(fēng)量即為隧道需風(fēng)量里考慮隧道內(nèi)有3臺風(fēng)機(jī)同時 滿負(fù)荷運(yùn)行，即Qf2等于3倍的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量。

表1 小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)與大直徑風(fēng)管匹配計算結(jié)果Table 1 Calculation results of matching between small-power large-air-volume axial fan and large-diameter ventilation duct

表2 向開挖面送風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)管匹配計算結(jié)果Table 2 Calculation results of matching between axial fan and ventilation duct used to supply air to excavation face

2．3．3 單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)設(shè)備配套

按照隧道需風(fēng)量的不同，可從表2中選擇適合本工程的往開挖面送風(fēng)的軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)管配套，并且每種配套均對應(yīng)一個隧道需風(fēng)量數(shù)值，從表1中選擇合 適的小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)與大直徑風(fēng)管匹配。表3為部分配套方案，可供不同隧道的通風(fēng)設(shè)計方案參考。

表3 單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)設(shè)備配套表Table 3 Parameters of jet ventilation for twin-tube tunnel accessed from one single inclined shaft

3 單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)在包家山隧道3#斜井的應(yīng)用

3．1 施工通風(fēng)方式的確定

包家山隧道3#斜井工區(qū)［9］由于只有1個斜井，4個作業(yè)面的新風(fēng)和污風(fēng)均由該斜井進(jìn)出，且由于正洞采用無軌運(yùn)輸，需風(fēng)量很大，按照常規(guī)方法通常采用壓入式通風(fēng)，斜井需要布置4趟管路，對斜井?dāng)嗝嬉蠛芨?，難度很大，而且不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用了單斜井雙正洞射流技術(shù)，如圖5所示。小功率大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)(因為考慮盡量利用現(xiàn)場已有的通風(fēng)設(shè)備，用2臺220 kW軸流風(fēng)機(jī)替代)放在隧道右線內(nèi)，將隧道內(nèi)污風(fēng)排出，新風(fēng)從斜井進(jìn)入隧道左線，壓入式軸流風(fēng)機(jī)放置在隧道左線，對隧道4個開挖工作面進(jìn)行獨頭壓入式送風(fēng)，污風(fēng)再從右線隧道的2臺220 kW軸流風(fēng)機(jī)抽出洞外，形成一個自然流動配合機(jī)械通風(fēng)的閉合通風(fēng)系統(tǒng)。東西兩側(cè)軸流風(fēng)機(jī)后面應(yīng)該放置55 kW射流風(fēng)機(jī)，對軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行增壓，防止空氣倒流，造成污風(fēng)循環(huán)，在正對斜井的橫通道設(shè)置風(fēng)門，以防止污風(fēng)循環(huán)。當(dāng)隧道開挖進(jìn)尺延長，可將軸流風(fēng)機(jī)往開挖面方向移動，以減少隧道獨頭通風(fēng)長度，增大風(fēng)量，節(jié)約風(fēng)管成本和用電成本，軸流風(fēng)機(jī)后面的橫通道應(yīng)該及時封閉。

圖5 包家山隧道3#斜井工區(qū)施工通風(fēng)方式示意圖Fig．5 Sketch of ventilation for No．3 inclined shaft lot of Baojiashan tunnel

3．2 應(yīng)用后通風(fēng)效果測試

CO和NO2濃度測點距掌子面30 m，因為大里程方向很早就開挖至分界里程位置，所以分別在左線小里程和右線小里程方向進(jìn)行測試，這里列出左線小里程的測試結(jié)果。

測試時通風(fēng)距離為780m，左線掌子面風(fēng)量為1 206m3/min，右線掌子面風(fēng)量為1 126m3/min，爆破后30 min，距離掌子面30 m處CO濃度降至設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。表4為左線小里程方向開挖爆破后15min開始測試，CO和NO2濃度以及風(fēng)速變化值，從數(shù)據(jù)可以看出，掌子面風(fēng)速和風(fēng)量均滿足施工要求，放炮后60 min，CO濃度降至國家標(biāo)準(zhǔn)(30 mg/m3)，在整個出碴過程中CO濃度值一直為20～30 mg/m3，NO2濃度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/m3)。

圖6為左線小里程方向的CO濃度曲線變化圖，從圖中可以看出，在爆破后30 min以內(nèi)，CO濃度值基本成直線下降，在30 min以后，CO濃度值才趨于平緩，說明當(dāng)時排煙效果良好，進(jìn)一步說明了單斜井雙正洞射流通風(fēng)技術(shù)這種新型的施工通風(fēng)模式能夠滿足現(xiàn)場施工通風(fēng)的要求，可供類似隧道施工通風(fēng)參考借鑒。

表4 左線小里程方向爆破15 min后空氣測試數(shù)據(jù)Table 4 Measured ventilation results in left tunnel tube 15 minutes after blasting

圖6 左線小里程方向CO濃度曲線變化圖Fig．6 Curve of variation of content of CO in left tunnel tube

4 結(jié)論與討論

采用單斜井雙正洞這種新型的通風(fēng)模式，既能成功地解決由斜井進(jìn)入正洞多作業(yè)面同時施工的通風(fēng)難題，又可以保證隧道良好的施工作業(yè)環(huán)境，具有較大的理論價值和實踐價值;風(fēng)機(jī)和風(fēng)管的配套選型列表，可供類似隧道的施工通風(fēng)參考借鑒。目前，在國內(nèi)暫無此類型通風(fēng)方式的研究先例，要真正將單斜井雙正洞射流通風(fēng)方式推廣并應(yīng)用，還需通過更多工程進(jìn)行驗證。

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