陳麗敏

(中國鐵建十六局集團(tuán)第一工程有限公司， 北京 101300)

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關(guān)角隧道雙正洞巷道式通風(fēng)及節(jié)能升溫技術(shù)

陳麗敏

(中國鐵建十六局集團(tuán)第一工程有限公司， 北京 101300)

以全長32.645 km的雙洞單線關(guān)角隧道施工為例，針對高原長大隧道施工通風(fēng)的難題及其與保持隧道內(nèi)溫度相矛盾的問題展開研究，以雙正洞巷道式施工通風(fēng)及高寒地區(qū)隧道節(jié)能升溫2項核心專利技術(shù)為背景，介紹了在施工中采取斜井設(shè)置中隔板的方式，充分利用斜井頂部弧形空間，在保證隧道進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)速的同時，為工程運輸和排水管道設(shè)置提供了足夠的空間。在雙正洞內(nèi)形成的運輸、通風(fēng)2個通道，縮短了風(fēng)機(jī)送風(fēng)距離，保障了隧道工作面需風(fēng)量； 同時，根據(jù)市政工程暖氣原理，自主研發(fā)了隧道節(jié)能升溫系統(tǒng)，在關(guān)角隧道施工實踐中得到了成功應(yīng)用，取得了良好效果，為類似工程施工積累了經(jīng)驗。

關(guān)角隧道； 雙正洞巷道通風(fēng)； 節(jié)能升溫系統(tǒng)； 作業(yè)環(huán)境

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高原高寒山區(qū)道路建設(shè)大量增加，公路和鐵路選線以長大隧道方式通過山嶺地段越來越多，國內(nèi)如今已建成的拉脊山隧道、大坂山隧道和大通山隧道[1]，在建的拉林鐵路和格敦及格庫鐵路[2]等，由于地理環(huán)境和工程地質(zhì)環(huán)境的影響，基本以“長隧短打 ”鉆爆法施工為主。在施工中采取何種通風(fēng)形式，保證隧道通風(fēng)量以及保障高寒隧道施工溫度成為高寒隧道施工的主要研究內(nèi)容[3]。在以往的長距離斜井施工通風(fēng)研究中，主要采取壓入式接力通風(fēng)技術(shù)，在工期較長的隧道施工，通風(fēng)設(shè)備維修、更換次數(shù)增加，成本較高，且占用空間較大，對施工干擾較多[4]； 另外一種通風(fēng)方式就是設(shè)置通風(fēng)豎井，位置較為固定，但通風(fēng)時間有限，且成本較高，施工風(fēng)險大[5]?，F(xiàn)有的隧道中隔板通風(fēng)技術(shù)主要以提高通風(fēng)質(zhì)量、降低施工影響[6]和加快施工進(jìn)度為主要目的進(jìn)行研究[7]，而針對隧道需風(fēng)量、風(fēng)速與高原高寒環(huán)境溫度相互影響，以及中隔板與隧道升溫相結(jié)合的技術(shù)研究較少。高寒地區(qū)隧道內(nèi)溫度隨通風(fēng)跟進(jìn)下降過快，難以保證正常的施工需要，而傳統(tǒng)采用洞門架設(shè)門簾和洞內(nèi)加設(shè)火爐等隧道內(nèi)升溫技術(shù)，既耗費能源又增加廢氣排放，影響洞內(nèi)施工環(huán)境，背離施工實際需要。因此，本文擯棄了以前高原隧道通風(fēng)及保溫技術(shù)的不足，創(chuàng)新性地提出雙正洞巷道式通風(fēng)節(jié)能升溫技術(shù)，既可有效解決高原長大隧施工通風(fēng)的難題，又能滿足隧道內(nèi)的溫度控制要求。

1 工程概況

新建關(guān)角隧道位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，全長32.645 km，設(shè)計為2座平行的單線隧道，線間距40 m，采用動態(tài)設(shè)計、鉆爆法施工。工程地處青藏高原，高寒缺氧，通過區(qū)屬亞寒帶半干旱氣候區(qū)，常冬無夏，春秋相連，年均氣溫-0.5 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，最大月平均日溫差24.7 ℃，最大積雪厚度21 cm，最大凍結(jié)深度299 cm。進(jìn)口標(biāo)段由正洞進(jìn)口及6座輔助斜井展開施工，以6#斜井為例，斜井長度2 808 m，海拔3 800 m，斜井進(jìn)入正洞后通過橫通道承擔(dān)4個工作面施工，正洞單線施工任務(wù)3 100 m，最大通風(fēng)長度近5 000 m[8]。

在如此高寒、高海拔地區(qū)修建長距離斜井隧道，施工通風(fēng)及隧道內(nèi)溫度保持尤為重要。根據(jù)以往研究的技術(shù)成果，針對關(guān)角隧道地處高原高寒地區(qū)，斜井通風(fēng)距離長、斷面受限和埋深較深(最深800 m，平均200 m以上)等特點，以關(guān)角隧道項目部自主研發(fā)的分隔式通風(fēng)排煙裝置(201220162154.7)[9]和一種高寒隧道通風(fēng)節(jié)能升溫系統(tǒng)(201210112330.0)[10]2項核心專利技術(shù)為背景，施工中最終采用了斜井分割+雙正洞巷道式通風(fēng)技術(shù)，實現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)道與出風(fēng)道的分離，極大地增加了隧道進(jìn)風(fēng)量，改善了隧道施工作業(yè)環(huán)境； 研發(fā)的通風(fēng)節(jié)能升溫系統(tǒng)，通過熱能轉(zhuǎn)換，提高進(jìn)風(fēng)溫度，在滿足施工要求的同時，保證了工程質(zhì)量。

2 隧道施工通風(fēng)技術(shù)

2.1 有害氣體排放特性及需風(fēng)量

2.1.1 高原環(huán)境下機(jī)械有害氣體排放特性

在高原地區(qū)，空氣中氧含量低，尤其是在負(fù)荷條件下，CO和碳煙排放比平原地區(qū)多，而CO排放量又是衡量隧道施工通風(fēng)效果好壞的依據(jù)。在關(guān)角隧道針對裝載機(jī)、自卸汽車和挖掘機(jī)分別進(jìn)行了“轉(zhuǎn)速與不透光度關(guān)系”和“轉(zhuǎn)速與CO比排放關(guān)系”檢測分析， 最終得出以下結(jié)論[11]：

1)高原環(huán)境下空氣中的氧含量較低，工程機(jī)械實際進(jìn)氣量偏離理論進(jìn)氣量，過量空氣系數(shù)φa遠(yuǎn)小于1，當(dāng)φa減小時排放增加。

2)高原環(huán)境下工程機(jī)械HC排放量以指數(shù)方式變化，隨轉(zhuǎn)速增大而增大。小于工作轉(zhuǎn)速時排煙量較小，排煙變化緩慢； 處于工作轉(zhuǎn)速時排煙量隨著轉(zhuǎn)速增大的幅度加大； 大于工作轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速越大，有害氣體排放越多。

3)高原環(huán)境下工程機(jī)械CO排放量以指數(shù)方式變化，隨轉(zhuǎn)速增大而增大。高轉(zhuǎn)速工況下隨油門加大燃燒室供油量增多，φa減小，燃燒室缺氧，燃燒不充分，導(dǎo)致CO排放濃度高； 在工作轉(zhuǎn)速附近，隨著氧氣進(jìn)量的穩(wěn)定與氣缸和機(jī)器溫度的升高，柴油的燃燒就越來越充分，會使更多CO氧化為CO2。

2.1.2 需風(fēng)量計算

1)按施工隧道內(nèi)的最多人數(shù)計算風(fēng)量。洞內(nèi)每人每分鐘需要新鮮空氣量按q=3 m3/min，風(fēng)量備用系數(shù)k=1.2，同時最多工作人數(shù)按m=50人計算[12]，則Q=k·m·q=1.2×50×3=180 m3/min。

2)按排塵風(fēng)速計算風(fēng)量。取排塵風(fēng)速0.2 m/s，則Q=0.2×67×60=804 m3/min。

3)按最低允許風(fēng)速計算風(fēng)量。按最低允許風(fēng)速0.15 m/s，則工作面風(fēng)量Q=60×0.15×67=603 m3/min。

由各種計算結(jié)果比較可知，按排除炮煙計算風(fēng)量是所有計算風(fēng)量中最大的，工作面的設(shè)計風(fēng)量取排除炮煙風(fēng)量Q=1 032 m3/min。

關(guān)角隧道進(jìn)口6座斜井的平均海拔高度為3 600 m，所以必須要考慮空氣重率高程修正系數(shù)

2.2 施工通風(fēng)方案

2.2.1 斜井分隔

用彩鋼板將隧道分為進(jìn)風(fēng)道及排風(fēng)道2部分(見圖1和圖2)，上部為進(jìn)風(fēng)道，下部為排風(fēng)道及施工通道。根據(jù)隧道寬度采用15mm×15mm方鋼制作橫梁，采用膨脹螺栓橫向錨固在隧道兩側(cè)的支護(hù)上，橫梁中間采用鋼筋和隧道拱部的錨桿相連接，沒有錨桿的采用膨脹螺栓固定在隧道拱部，以防止中間受力過大影響結(jié)構(gòu)安全。橫梁沿隧道縱向間隔2m設(shè)置，將彩鋼板用螺絲固定在橫梁上，形成分割隧道斷面的作用。彩鋼板與墻壁、橫梁等交接部位全部采用乳膠進(jìn)行密封。

圖1 中隔板橫斷面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Sketch diagram of cross-section of intermediate separating plate

圖2 中隔板縱斷面結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過分隔形成上、下斷面，上斷面為新鮮空氣進(jìn)入通道，通過安裝在斜井口端頭的風(fēng)機(jī)吸入新鮮空氣。長距離通風(fēng)時應(yīng)在隧道進(jìn)風(fēng)道(上斷面)內(nèi)設(shè)置風(fēng)機(jī)，并加大進(jìn)風(fēng)速度。下斷面為污濁空氣出風(fēng)道，上斷面的空氣在隧道內(nèi)經(jīng)過循環(huán)后，排出洞外。采用中隔板斜井分隔通風(fēng)技術(shù)，在上部中隔板內(nèi)每隔1 000 m設(shè)置2組110 kW×2風(fēng)機(jī)加快進(jìn)風(fēng)道風(fēng)速，上部進(jìn)風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量 (進(jìn)風(fēng)斷面26.3 m2) 是原設(shè)計采用2條直徑1.8 m風(fēng)管進(jìn)風(fēng)量的5倍，大大增加了隧道進(jìn)風(fēng)量。

2.2.2 雙正洞巷道式通風(fēng)

在斜井中設(shè)置隔板分隔的基礎(chǔ)上，充分利用正洞Ⅰ、Ⅱ線2條隧道，將一條作為主要進(jìn)風(fēng)道，另一條作為回風(fēng)道，實現(xiàn)了雙正洞巷道式通風(fēng)(見圖3)，具體如下：自斜井與正洞交叉口風(fēng)箱位置開始，當(dāng)隧道掘進(jìn)超過2個橫通道位置(橫通道間隔420 m)時，距離掘進(jìn)工作面最遠(yuǎn)的橫通道與Ⅰ線交叉部位利用隔板封堵，使Ⅰ、Ⅱ線分割為2個通道； 當(dāng)Ⅰ線工作面通風(fēng)時，進(jìn)風(fēng)通過正洞安裝的接力射流風(fēng)機(jī)直接送至施工工作面，回風(fēng)流則經(jīng)未封堵的橫通道回流至正洞Ⅱ線，并經(jīng)過斜井隔板底部輸送出洞。

圖3 雙正洞巷道式通風(fēng)示意圖

2.2.3 通風(fēng)效果測試

對關(guān)角隧道6#斜井采取斜井分隔+雙正洞巷道式通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了測試(見表1)，測試數(shù)據(jù)表明測試結(jié)果和工作面工作狀況有較密切的關(guān)系，一般情況均符合隧道施工衛(wèi)生安全環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)[13]。

表1 6#斜井通風(fēng)效果監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：各工區(qū)各工作面的氧含量及氣溫等指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 節(jié)能升溫技術(shù)

青藏高原地區(qū)一年內(nèi)長達(dá)8個月時間處于低溫環(huán)境，溫度在0～-20 ℃，關(guān)角隧道施工區(qū)域極端最低氣溫達(dá)到-35 ℃，低溫環(huán)境對施工建設(shè)影響較大。施工通風(fēng)運行過程中從隧道外吸入洞內(nèi)的新鮮空氣溫度低，導(dǎo)致整個隧道內(nèi)溫度降低，尤其是掌子面位置，對隧道掘進(jìn)、支護(hù)、仰拱及二次襯砌施工影響較大。采用在隧道內(nèi)增設(shè)火爐、洞門設(shè)置門簾等措施可提高隧道內(nèi)溫度，但這些措施消耗煤等燃料較多，門簾及火爐要專人不間斷看管，導(dǎo)致隧道冬季施工成本較高，隧道內(nèi)危險源增加。設(shè)置火爐及門簾均會給運輸車輛帶來很大的不便，降低隧道施工效率。

3.1 整體思路

設(shè)計制作了一種隧道通風(fēng)升溫裝置(見圖4和圖5)，以替代在隧道內(nèi)設(shè)置火爐等隧道升溫措施。在隧道內(nèi)設(shè)置升溫風(fēng)箱，升溫裝置安裝在風(fēng)箱內(nèi)，所有通過通風(fēng)機(jī)進(jìn)入隧道的空氣全部經(jīng)過風(fēng)箱加溫后，送至各個作業(yè)面。升溫裝置采用φ50薄壁無縫鋼管制作，并與空壓機(jī)循環(huán)水管相連接，通過循環(huán)水的溫度給進(jìn)入風(fēng)箱的冷空氣加熱升溫。

圖4 支架連接

圖5 升溫裝置

3.2 具體方案

1)斜井通風(fēng)設(shè)置中隔板或風(fēng)筒布通過斜井底部空壓機(jī)洞室交叉口，在斜井與空壓機(jī)洞室交叉部位設(shè)置風(fēng)箱，風(fēng)箱的設(shè)計需要根據(jù)加熱進(jìn)風(fēng)流所需熱量和單組加熱管所提供的熱量計算來確定，隧道按照4個工作面需要5 000 m3空氣，溫度升高3 ℃，計算得出需要熱量的總能耗為20 752 J，單組加熱管的熱能為3 297 J，因此升溫裝置數(shù)量為L=20 752/3 297=6組(取整數(shù))。另外，升溫裝置利用斜井頂部空間，下部預(yù)留運輸通道(見圖6)，以保證正常運輸通行。

圖6 節(jié)能升溫系統(tǒng)示意圖

2)高寒隧道通風(fēng)節(jié)能升溫技術(shù)，其特征在于長大隧道內(nèi)設(shè)置空壓機(jī)洞室和循環(huán)水管，利用φ50無縫薄壁鋼管制作多組升溫裝置，升溫裝置間采用φ50無縫薄壁鋼管連接，從而形成沿隧道縱向放置的多排升溫裝置組，每組升溫裝置與空壓機(jī)循環(huán)水管相連，形成高溫水循環(huán)水管； 隧道內(nèi)設(shè)置升溫風(fēng)箱，升溫裝置組安裝在風(fēng)箱內(nèi)(見圖7)。

3)利用升溫裝置組兩端的預(yù)留口與空壓機(jī)的循環(huán)水管相連接，管道上安裝循環(huán)水泵，以加強(qiáng)水的循環(huán)速度，這樣就構(gòu)成空壓機(jī)循環(huán)水在該組升溫裝置中循環(huán)，通過循環(huán)水的溫度給進(jìn)入風(fēng)箱的冷空氣加熱升溫，從而達(dá)到隧道通風(fēng)升溫的目的。

圖7 節(jié)能升溫系統(tǒng)正面圖

3.3 升溫效果

采用本專利技術(shù)能夠?qū)⑺淼纼?nèi)作業(yè)環(huán)境溫度升高3～4 ℃，保證了隧道施工作業(yè)能夠在相對恒溫的狀態(tài)下進(jìn)行，有效地改善了隧道施工作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文通過介紹關(guān)角隧道在施工通風(fēng)的過程中，成功應(yīng)用斜井分隔+雙正洞巷道式通風(fēng)方式，充分利用了隧道上弧空間，形成了進(jìn)風(fēng)道與出風(fēng)道分隔、運輸通道與排水管道分離設(shè)置，避免了相互干擾，提高了工作效率，加快了施工進(jìn)度。同時，自主研發(fā)的節(jié)能升溫系統(tǒng)，充分利用了隧道內(nèi)空壓機(jī)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換，在保持隧道內(nèi)溫度的同時，降低了能源消耗，減少了隧道內(nèi)空氣污染，成功解決了高原高寒地區(qū)長大隧道的施工通風(fēng)與保持隧道內(nèi)溫度相矛盾的難題，為改善雙洞單線鐵路特長高寒隧道施工作業(yè)環(huán)境提供了新思路，對類似工程有推廣借鑒的價值。

4.2 建議

采用該技術(shù)應(yīng)注意以下一些問題：在進(jìn)行通風(fēng)時，通過二維、三維模擬及實際效果測試，風(fēng)機(jī)并聯(lián)可比串聯(lián)獲得更高的隧道風(fēng)流； 關(guān)于熱源的問題，在空壓機(jī)系統(tǒng)不運轉(zhuǎn)時，需設(shè)置備用的加熱裝置，設(shè)置電動鍋爐與升溫裝置組連接，必要時采用電動鍋爐加熱； 當(dāng)升溫裝置安裝完成后，應(yīng)對升溫裝置組區(qū)域進(jìn)行封閉形成風(fēng)箱，在靠近洞口段預(yù)留進(jìn)風(fēng)口，并在靠近作業(yè)面一端設(shè)置風(fēng)機(jī)，將進(jìn)入風(fēng)箱經(jīng)過升溫裝置組的熱空氣吹向作業(yè)面。

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Application of Gallery Ventilation Technology and Energy Conservation Heating Technology to Guanjiao Tunnel

CHEN Limin

(FirstEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway16thBureauGroup,Beijing101300,China)

The applications of gallery ventilation technology and energy conservation heating technology to Guanjiao Tunnel (32.645 km long and twin-tube single line) are introduced. The intermediate separating plate is set in the inclined shaft; the space of inclined shaft top can provide space for ventilation, transportation and drainage pipelines. The ventilation distance is shortened and the air needed is guaranteed by setting transportation gallery and ventilation gallery in main tunnel. Meanwhile, energy conservation heating system is developed and good effect has been achieved.

Guanjiao Tunnel; double main tunnel gallery ventilation; energy conservation heating system; working environment

2016-01-06;

2016-03-03

陳麗敏(1974—)，女，內(nèi)蒙古杭錦后旗人，1997年畢業(yè)于上海鐵道大學(xué)，交通土建工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事地下工程施工管理工作。E-mail: 465838478@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.014

U 45

A

1672-741X(2016)07-0857-05