劉國(guó)平

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

中國(guó)屬于缺水國(guó)，人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，而且分布不均，大量淡水資源集中在南方，北方淡水資源只有南方淡水資源的1/4［1］。因此，為了科學(xué)合理調(diào)配淡水資源，修建長(zhǎng)大引水隧洞成為目前國(guó)內(nèi)淡水資源調(diào)配的重要基建內(nèi)容。由于引水隧洞的修建具有長(zhǎng)、大、深埋及地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，故無(wú)論采用何種工法，其施工通風(fēng)問(wèn)題均是制約長(zhǎng)大隧洞施工的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)引黃入晉聯(lián)接段7#隧洞TBM獨(dú)頭通風(fēng)最長(zhǎng)距離為13.52 km［2］，錦屏二級(jí)水電站引水隧道鉆爆法無(wú)軌運(yùn)輸施工獨(dú)頭通風(fēng)約4 km。

為了解決長(zhǎng)大隧洞施工通風(fēng)難題，目前國(guó)內(nèi)采用的通風(fēng)方式主要有自然通風(fēng)、壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)、風(fēng)倉(cāng)式通風(fēng)和風(fēng)室接力通風(fēng)等［3－6］，鑒于通風(fēng)設(shè)計(jì)受隧洞長(zhǎng)度、斷面尺寸、設(shè)備配置、施工工藝等影響，每一種通風(fēng)方式都具有一定的唯一性。本工程最長(zhǎng)獨(dú)頭通風(fēng)距離達(dá)6 386 m，且主洞凈空斷面小，需要考慮同步襯砌、車輛通行安全距離和風(fēng)管直徑等因素，采用傳統(tǒng)的通風(fēng)方式已不能滿足施工需要，需要通過(guò)創(chuàng)新來(lái)解決以上通風(fēng)限制條件。在實(shí)施過(guò)程中分析粉塵及有害氣體的來(lái)源，采用工序合理優(yōu)化、降塵及限制尾氣排放等輔助通風(fēng)措施［7－9］，從而最終達(dá)到了預(yù)定施工通風(fēng)效果。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞3#支洞位于陜西省寧陜縣境內(nèi)，斜長(zhǎng)為3 885 m，平距3 872 m，綜合坡度8.18%，最大坡度 9.03%，城門(mén)洞型斷面，凈空尺寸為7.7 m ×6.75 m(寬 × 高)，洞口與交叉口高差約317 m，支洞進(jìn)入主洞后承擔(dān)4 km主洞鉆爆施工任務(wù)，屬于單斜井單正洞雙向掘進(jìn)，上游施工2 500 m，下游施工1 500 m，主洞坡度1/2 500，馬蹄形斷面，凈空尺寸6.76 m×6.76 m，支洞與主洞上游方向夾角37°31'45″，施工任務(wù)見(jiàn)圖1。本工程為支洞進(jìn)入主洞后鉆爆法施工無(wú)軌運(yùn)輸特長(zhǎng)隧洞，通過(guò)斜井獨(dú)頭掘進(jìn)最長(zhǎng)達(dá)到6 385 m，考慮到通風(fēng)長(zhǎng)度、主支洞斷面、襯砌等條件限制，難以為每個(gè)工作面布置2路風(fēng)管，施工通風(fēng)難度較大。

2 獨(dú)頭通風(fēng)方案

綜合考慮本隧洞的工程實(shí)際情況，采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)進(jìn)行隧洞施工通風(fēng)。具體通風(fēng)方案為:在支洞口設(shè)置2臺(tái)2×185 kW大功率軸流風(fēng)機(jī)，通過(guò)2路φ 1 800 mm軟質(zhì)風(fēng)管將新鮮風(fēng)送至小風(fēng)室內(nèi)，小風(fēng)室設(shè)置在主支洞交叉口主洞段擴(kuò)大段上部，采用I16型鋼配合2 mm的鐵皮將風(fēng)室底部及側(cè)面封住，采用瀝青和噴射混凝土將縫隙密封。在小風(fēng)室內(nèi)設(shè)置2臺(tái)2×110 kW軸流風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)送至上下游掌子面(見(jiàn)圖2)。通過(guò)風(fēng)機(jī)接力的形式將主洞通風(fēng)距離由最長(zhǎng)6 385 m減至2 500 m，提高了通風(fēng)的可行性。

圖1 施工任務(wù)平面布置圖Fig.1 Sketch plan of the tunnel

圖2 施工通風(fēng)布置圖Fig.2 Arrangement of construction ventilation system

3 通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)量計(jì)算

施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、一次性爆破所需要排除的炮煙量和內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率分別計(jì)算，取其中最大值作為控制風(fēng)量。

3.1.1 主要計(jì)算參數(shù)

洞內(nèi)同時(shí)工作最多人數(shù)按49人/工作面考慮。根據(jù)TB 10120—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》規(guī)定洞內(nèi)允許最小風(fēng)速vmin=0.25 m/s;洞內(nèi)每人應(yīng)供應(yīng)新鮮風(fēng)3 m3/min;內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備作業(yè)供風(fēng)量3 m3/(min·kW);風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率為β=0.015;風(fēng)管摩阻因數(shù)λ=0.02。

3.1.2 風(fēng)量計(jì)算過(guò)程

1)按人數(shù)計(jì)算時(shí)，所需要風(fēng)量

式中:N為同時(shí)作業(yè)人數(shù)，49人;q為每人供應(yīng)新風(fēng)量，3 m3/min。

經(jīng)計(jì)算需風(fēng)量約為147 m3/min。

2)按最小風(fēng)速計(jì)算時(shí)，所需風(fēng)量

式中:v為最小允許風(fēng)速，取0.25 m/s;S為隧洞斷面積，48.89 m2(最大處斷面)。

經(jīng)計(jì)算需風(fēng)量約為733 m3/min。

3)按稀釋和排出內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算時(shí)，所需風(fēng)量

裝載機(jī)功率為162 kW，出渣汽車功率為214 kW，經(jīng)計(jì)算需風(fēng)量為1 128 m3/min。

4)排出炮煙計(jì)算時(shí)，所需風(fēng)量

式中:t為通風(fēng)時(shí)間，取30 min;m為一次爆破炸藥消耗量，取187.5 kg;F為隧道斷面面積，取48.89 m2;L為通風(fēng)換氣長(zhǎng)度，取100 m。

經(jīng)計(jì)算需風(fēng)量為394.6 m3/min。

通過(guò)以上計(jì)算取最大值1 128 m3/min作為供風(fēng)量。

3.2 通風(fēng)布置

本工程屬于典型的單斜井單正洞雙向掘進(jìn)工程，斜井、正洞都采用無(wú)軌運(yùn)輸方式。斜井到正洞最長(zhǎng)獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)達(dá)6 385 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，施工開(kāi)挖通風(fēng)可分為3個(gè)階段:

1)第1階段。斜井施工前期，在洞口布置1臺(tái)SDF(C)－No12.5型軸流風(fēng)機(jī)和φ 1 600 mm通風(fēng)管路向開(kāi)挖工作面采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)。

2)第2階段。斜井進(jìn)入正洞后，考慮到正洞大里程和小里程同時(shí)開(kāi)挖，而第1階段的施工通風(fēng)方式已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖施工要求，擬采用保持洞口風(fēng)機(jī)不變，在斜井距洞口3 200 m處布置1臺(tái) SDF(C)－No11.5軸流風(fēng)機(jī)作為接力風(fēng)機(jī)，風(fēng)管采用φ 1 600 mm軟風(fēng)管，同時(shí)在斜井與正洞交叉處采用“三叉型”布置方式同時(shí)向大里程和小里程送風(fēng)，通過(guò)計(jì)算，滿足通風(fēng)需求。現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖3。

圖3 第2階段平面布置圖Fig.3 Sketch plan of the tunnel in the second stage

3)第3階段。在大、小里程開(kāi)挖形成安全距離后，在3#洞斜井井口設(shè)置2臺(tái)大功率軸流風(fēng)機(jī)，同時(shí)拆掉斜井的風(fēng)機(jī)，在斜井布置2趟大直徑軟風(fēng)管采取壓入式通風(fēng)，將新鮮風(fēng)送至井底風(fēng)室，在井底風(fēng)室設(shè)置2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)分別向上下游開(kāi)挖面送風(fēng)。具體布置見(jiàn)圖2。

3.3 阻力計(jì)算和風(fēng)機(jī)選型

1)井底風(fēng)室通風(fēng)設(shè)備的選型。通風(fēng)阻力則因選擇的風(fēng)管直徑和風(fēng)機(jī)型號(hào)以及送風(fēng)距離的不同會(huì)有很大差距。通過(guò)理論計(jì)算比較，正洞選擇直徑1 600 mm的通風(fēng)管，其通風(fēng)阻力(Qf為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量)

配備2×110 kW風(fēng)機(jī)和1 600 mm通風(fēng)管配備，無(wú)軌運(yùn)輸按照內(nèi)燃機(jī)計(jì)算。

當(dāng)送風(fēng)距離 L=2 500 m時(shí)，通風(fēng)阻力 p=2.99，供風(fēng)量為1 775 m3/min，風(fēng)管出口風(fēng)量為1 216 m3/min，

通過(guò)風(fēng)阻特性曲線和不同通風(fēng)機(jī)的性能曲線聯(lián)合做圖，選擇合適的風(fēng)機(jī)，從而確定通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，得到通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量和風(fēng)壓。按本風(fēng)機(jī)和風(fēng)管配置的最長(zhǎng)送風(fēng)距離2 500 m比較，在送風(fēng)距離達(dá)到2 500 m時(shí)，風(fēng)管出口風(fēng)量1 216 m3/min，大于掌子面所需最大風(fēng)量1 128 m3/min，風(fēng)量在控制范圍內(nèi)。風(fēng)機(jī)性能曲線和管路阻力曲線見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)機(jī)性能曲線和管路阻力曲線圖Fig.4 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，井底風(fēng)室采用2臺(tái)2×110 kW SDF(C)－No12.5型通風(fēng)機(jī)，風(fēng)管采用φ1.6 m PVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。

2)洞口通風(fēng)設(shè)備的選型。370 kW風(fēng)機(jī)和1 800 mm通風(fēng)管配備，當(dāng)送風(fēng)距離L=3 900 m時(shí)，通風(fēng)阻力P=2.16，供風(fēng)量為 3 539 m3/min，風(fēng)管出口風(fēng)量為1 963 m3/min。風(fēng)機(jī)性能曲線見(jiàn)圖5。

圖5 風(fēng)機(jī)性能曲線和管路阻力曲線圖Fig.5 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，斜井口采用2臺(tái)2×185 kW SDF(C)－No14型軸流通風(fēng)機(jī)，井口風(fēng)機(jī)向井底風(fēng)室供風(fēng)量為2×1 963 m3/min，即3 926 m3/min。滿足風(fēng)室2臺(tái)風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量2×1 775 m3/min。斜井風(fēng)管選擇φ 1.8m PVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。通風(fēng)設(shè)備性能參數(shù)和配置數(shù)量見(jiàn)表1。

3.4 井底風(fēng)室結(jié)構(gòu)

井底風(fēng)室中隔板采用2 mm厚的鋼板分隔，I16型鋼托梁，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6。角鐵托架焊接在既有的支護(hù)拱架上，風(fēng)室容積取170 m3，同時(shí)在風(fēng)室端頭設(shè)置一泄風(fēng)室，為風(fēng)機(jī)檢修和風(fēng)室風(fēng)壓過(guò)大時(shí)泄壓。

4 過(guò)程優(yōu)化及效果

4.1 施工組織優(yōu)化

為了降低通風(fēng)及運(yùn)輸成本，在實(shí)施過(guò)程中，結(jié)合上下游施工特點(diǎn)，將上下游同種工序錯(cuò)開(kāi)，即最大需風(fēng)量為一個(gè)掌子面出渣時(shí)的設(shè)備尾氣排放需風(fēng)量加上另一個(gè)掌子面施鉆時(shí)的人員需風(fēng)量，這樣就可以有效地降低通風(fēng)壓力。

表1 主要通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表Table 1 Parameters of major ventilation equipment

圖6 風(fēng)室斷面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of plenum

4.2 降塵及限制尾氣排放措施

通風(fēng)的目的是為了降塵、稀釋有毒有害氣體等，采用科學(xué)合理的輔助措施可以有效地降低空氣中粉塵含量和減少內(nèi)燃機(jī)車的尾氣排放。本工程現(xiàn)場(chǎng)先后進(jìn)行了水幕降塵，并在內(nèi)燃機(jī)車排氣管安裝外部尾氣凈化裝置。在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在放炮后距掌子面30～40 m位置(在風(fēng)管口至掌子面之間)設(shè)置水幕降塵裝置(在隧洞大跨以上安裝1條直徑5 cm的塑料軟管，在軟管上間隔20 cm設(shè)置一霧化噴頭，軟管與高壓水管相連，放炮前打開(kāi)閘閥，出渣結(jié)束關(guān)閉)除塵效果良好。在放炮后通風(fēng)約20 min后，掌子面附近粉塵含量明顯降低，通視條件較好，從一定程度上改善了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境。為此，多次對(duì)洞內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，有害氣體及粉塵含量遠(yuǎn)低于允許值。

4.3 方案優(yōu)化

通過(guò)施工組織優(yōu)化、降塵措施等通風(fēng)輔助措施試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量得到了有效提高。鑒于此種情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)與方案優(yōu)化進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)空氣質(zhì)量檢測(cè)效果對(duì)通風(fēng)方案進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，將通風(fēng)方案優(yōu)化為支洞口至風(fēng)室的通風(fēng)管路設(shè)置一路φ 1 800 mm的軟質(zhì)風(fēng)管，洞口只設(shè)置1臺(tái)2×185 kW軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)室至上下游掌子面軸流風(fēng)機(jī)優(yōu)化為2×55 kW，目前檢測(cè)效果良好。

4.4 效果檢測(cè)

1)檢測(cè)儀器。見(jiàn)表2。

表2 檢測(cè)儀器配置表Table 2 Measuring apparatus 臺(tái)

2)檢測(cè)效果。以目前工程實(shí)施最大長(zhǎng)度(上游已施工1 829 m，下游已施工1 100 m)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果匯總表Table 3 Measuring result

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)采用小風(fēng)室接力通風(fēng)具有工藝簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，可以很好地解決一定長(zhǎng)度隧洞獨(dú)頭施工通風(fēng)的難題，取得較好的通風(fēng)效果。

2)輔助通風(fēng)措施的應(yīng)用能夠有效地降低洞內(nèi)粉塵、內(nèi)燃機(jī)車尾氣含量，從一定程度上能夠起到改善作業(yè)環(huán)境的作用。

5.2 建議

1)在工程實(shí)踐中，目前國(guó)內(nèi)常規(guī)開(kāi)挖隧洞使用除塵風(fēng)機(jī)的情況較少，而國(guó)外使用較多;因此，建議在長(zhǎng)大隧洞施工中增加除塵風(fēng)機(jī)來(lái)改善施工作業(yè)環(huán)境。

2)結(jié)合國(guó)外長(zhǎng)大隧洞施工情況，一般在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置有低噪音、低能耗、高效等特點(diǎn)的通風(fēng)機(jī)，建議在長(zhǎng)大隧洞施工中通過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及性能和匹配對(duì)比優(yōu)選配備低噪音、低能耗及高效風(fēng)機(jī)。

3)降低內(nèi)燃機(jī)車的尾氣排放量是改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境的有效措施;因此，建議配置隧道專用設(shè)備，并增加燃料添加劑和尾氣過(guò)濾裝置。

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