郭樹生

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局， 山西 太原 030002)

深埋小斷面輸水隧洞TBM施工通風(fēng)技術(shù)研究與應(yīng)用

郭樹生

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局， 山西 太原 030002)

本文介紹了山西省大水網(wǎng)東山供水工程輸水隧洞TBM獨(dú)頭施工掘進(jìn)15.5km通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)工程特征參數(shù)計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)功率，并對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化匹配選型。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：采用該通風(fēng)系統(tǒng)滿足工程施工需要，為同類工程通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工提供相關(guān)借鑒和參考。

輸水隧洞； 作業(yè)環(huán)境； TBM; 通風(fēng)方案； 設(shè)計(jì)施工

1 工程概況

山西省東山供水工程是山西大水網(wǎng)“兩縱十橫”的第五橫，是“十二五”為提高山西省水資源合理配置和高效利用的省重點(diǎn)水利工程，輸水線路總長(zhǎng)255km，其中輸水管線178km，隧洞77km。

9號(hào)隧洞全長(zhǎng)22.6km，鉆爆法從進(jìn)口開挖7.1km，采用美國(guó)Robbins生產(chǎn)的雙護(hù)盾TBM，從出口掘進(jìn)15.5km。TBM開挖直徑4.16m，預(yù)制混凝土管片襯砌后隧洞直徑3.4m，縱坡i=1/2700，出口底高程1007.60m。圍巖覆蓋厚度200～560m，V類圍巖占基巖段長(zhǎng)40.7%，在V類圍巖中有53.8%為泥巖洞段，有46.2%為斷層及影響帶。隧洞沿線為三疊系厚層砂巖、厚層泥巖、砂泥巖互層地層，發(fā)育有較大規(guī)模斷層，地下水位一般埋深淺，存在高外水壓力。主要存在軟質(zhì)巖變形擠出、斷層帶涌水、突泥、塌方等工程地質(zhì)問題。

2 通風(fēng)方案

2.1 通風(fēng)方式

隧洞工程施工通風(fēng)方式主要有自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種，當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足施工要求時(shí)，應(yīng)考慮采用機(jī)械通風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)型式主要有管式、巷道式和分道式，管式又有壓入式、抽出式和混合式。根據(jù)洞線布置，洞徑規(guī)模、施工程序、施工方法等施工要素及方案比對(duì)，9號(hào)隧洞TBM施工段通風(fēng)方式采用獨(dú)頭機(jī)械管道壓入式通風(fēng)。壓入式通風(fēng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是將洞外新鮮空氣通過風(fēng)管直接送達(dá)工作區(qū)，可有效改善工作區(qū)的空氣質(zhì)量，并且隨隧洞掘進(jìn)延伸只需接長(zhǎng)風(fēng)管而無(wú)需移動(dòng)風(fēng)機(jī)，最大限度體現(xiàn)TBM施工快速、安全、文明施工的設(shè)計(jì)理念。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)布置

9號(hào)隧洞TBM施工段(YD14+418.86～YD29+879.30)長(zhǎng)15460.44m，圓形襯砌斷面，內(nèi)徑3.4m。在9號(hào)隧洞出口布置一臺(tái)風(fēng)機(jī)F1(樁號(hào)29+929.3)，在隧洞內(nèi)距F1風(fēng)機(jī)5600m布置第二臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)F2(樁號(hào)24+329.3)，距F2風(fēng)機(jī)9460m與TBM后配套系統(tǒng)的輔助風(fēng)機(jī)銜接，后配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為440m。新鮮空氣從風(fēng)機(jī)F1進(jìn)入，經(jīng)通風(fēng)管送到增壓風(fēng)機(jī)F2，再通過通風(fēng)管送達(dá)TBM后配套系統(tǒng)，最后由后配套系統(tǒng)上的輔助風(fēng)機(jī)送達(dá)TBM機(jī)頭附近。通風(fēng)系統(tǒng)布置如下圖所示。

TBM施工通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

風(fēng)管與風(fēng)機(jī)布置應(yīng)遵守以下規(guī)定：為保證通風(fēng)效果最佳，風(fēng)管設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少分管間接頭數(shù)量，風(fēng)管應(yīng)按設(shè)計(jì)要求布設(shè)安裝，吊掛風(fēng)管應(yīng)做到平、直、緊、穩(wěn)、順，風(fēng)管材料應(yīng)根據(jù)通風(fēng)方式選擇。風(fēng)機(jī)應(yīng)布置在洞口30～50m內(nèi)，風(fēng)機(jī)支架要牢固穩(wěn)定，避免運(yùn)行時(shí)震動(dòng)影響通風(fēng)效果，一臺(tái)風(fēng)機(jī)不能滿足風(fēng)壓設(shè)計(jì)要求時(shí)，可數(shù)臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行。

3 隧洞通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)功用

通風(fēng)系統(tǒng)是深埋小斷面輸水隧洞施工的生命線，良好的運(yùn)行環(huán)境是保障作業(yè)人員人身安全前提條件。因此，控制隧洞施工作業(yè)環(huán)境的有害物(氣體、粉塵)和施工作業(yè)環(huán)境的溫度，向工作區(qū)提供足夠的新鮮空氣，保證機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行成為TBM隧洞通風(fēng)系統(tǒng)的主要任務(wù)。

3.2 通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 303—2004)、《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL 378—2007)中規(guī)定：地下洞室開挖施工過程洞內(nèi)氧氣體積不應(yīng)少于20%；平均溫度不應(yīng)高于28℃；工作區(qū)噪音值大于90dB(A)時(shí)，應(yīng)采取消音或其他防護(hù)措施。空氣中有害物質(zhì)(有害氣體、粉塵)允許含量詳見以上規(guī)范中的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

山西省東山供水工程9號(hào)隧洞TBM施工段通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)計(jì)算參數(shù)見下表。

9號(hào)隧洞TBM通風(fēng)計(jì)算系數(shù)表

續(xù)表

4 TBM通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量計(jì)算

4.1 風(fēng)量計(jì)算

TBM正常掘進(jìn)施工時(shí)，主要施工工序和施工人員集中在TBM主機(jī)及其后配套工作區(qū)域，通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量由通風(fēng)系統(tǒng)送達(dá)工作區(qū)。通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量的確定要同時(shí)滿足洞內(nèi)工作人員的新風(fēng)需求以及稀釋、排除隧道內(nèi)產(chǎn)生有害氣體和粉塵的風(fēng)量要求；同時(shí)，還必須考慮附加漏風(fēng)量，因?yàn)轱L(fēng)管制作工藝、安裝質(zhì)量以及維護(hù)水平等影響，運(yùn)行時(shí)通風(fēng)管的漏風(fēng)現(xiàn)象不可避免；因此設(shè)計(jì)風(fēng)量計(jì)算依據(jù)應(yīng)取其中的最大值。

a. 按洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)計(jì)算風(fēng)量。

Q1=qmK[3]

式中q——每人每分鐘所需新鮮空氣量，3m3/人·min；M——洞內(nèi)同時(shí)最高施工人數(shù)，46人；K——風(fēng)量備用系數(shù)，取值1.2。 經(jīng)計(jì)算Q1=165.6m3/min

b. 按稀釋內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生的有害氣體計(jì)算風(fēng)量。

Q2=qwKn

式中q——機(jī)車每千瓦每分鐘消耗空氣量，4m3/(kW·min)；

w——每臺(tái)機(jī)車功率，125kW；

K——風(fēng)量備用系數(shù)，取值1.1；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)利用系數(shù)，取值0.63。

經(jīng)計(jì)算Q2=346.5m3/min。

c. 按洞內(nèi)最低允許風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

Q3=60vS流[3]

式中v——隧洞內(nèi)最小允許風(fēng)速，0.5m/s;S流——洞內(nèi)凈過風(fēng)斷面，S流=7.94m2。

經(jīng)計(jì)算Q3=238.2m3/min。

取以上計(jì)算得到的最大通風(fēng)量作為設(shè)計(jì)通風(fēng)量，設(shè)計(jì)通風(fēng)量為Q總=Q1+Q2=512.1m3/min≥Q3=238.2m3/min。

d. 按允許風(fēng)速校核通風(fēng)量。

式中S流——洞內(nèi)凈過風(fēng)斷面，S流=7.94m2。

經(jīng)計(jì)算v=1.1m3/s，則滿足風(fēng)速大于0.5m/s，小于4m/s的施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范要求[4]。

e. 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量。

式中Q總——工作區(qū)需風(fēng)量，Q總=512.1÷60=8.54m3/s;

P100——通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管百米漏風(fēng)率，0.5%;

L2——風(fēng)機(jī)F2距工作區(qū)距離15500-5600-440=9460m。

經(jīng)計(jì)算Q設(shè)2=16.23m3/s。

式中L1——風(fēng)機(jī)F1距F2距離5600m。

經(jīng)計(jì)算Q設(shè)1=22.56m3/s。

4.2 風(fēng)壓計(jì)算

通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是用來(lái)克服通風(fēng)阻力并保證送風(fēng)管末端的風(fēng)流具有一定動(dòng)壓，以維持通風(fēng)系統(tǒng)的連續(xù)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)TBM施工工作區(qū)的勞動(dòng)作業(yè)環(huán)境符合《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》規(guī)定的勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

a. 動(dòng)態(tài)風(fēng)壓P動(dòng)。

式中ρ——空氣密度，取1.2kg/m3；v——通風(fēng)管末端管口風(fēng)速。

v2=8.54/1.13=7.56m/s，v1=16.23/1.13=14.36m/s。經(jīng)計(jì)算，P動(dòng)2=34.29Pa，P動(dòng)1=123.73Pa。

b. 摩擦阻力P阻。

式中α——管道的摩阻系數(shù)，α=ρλ/8；ρ——空氣平均密度，取1.2kg/m3；λ——管道達(dá)西系數(shù)，取0.0015[5]，α=0.00225kg/m3；

Q——通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量，Q設(shè)2=16.23m3/s，Q設(shè)1=22.56m3/s；

D——風(fēng)管直徑1.2m；

L——通風(fēng)管道長(zhǎng)度，L2=9460m，L1=5600m；

PL——通風(fēng)管道的漏風(fēng)系數(shù)，PL=1/(1-P100L/100)，PL2=1.90，PL1=1.39。

經(jīng)計(jì)算P阻2=7703.20Pa，P阻1=12043.37Pa。

c. 局部阻力P局。

經(jīng)計(jì)算P局2=770.32Pa，P局1=1204.34Pa。

d. 總風(fēng)阻力P總。

經(jīng)計(jì)算P總阻2=8507.81Pa，P總阻1=13371.44Pa。

4.3 通風(fēng)機(jī)的計(jì)算功率

通風(fēng)機(jī)配用電動(dòng)機(jī)的功率按下式計(jì)算：

式中k——功率備用系數(shù)，取1.05；Q——通分風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量，Q設(shè)1=22.56m3/s=1353.6m3/min，Q設(shè)2=16.23m3/s=973.8m3/min;

Pi——通風(fēng)總阻力，Pa，P總阻1=13292.40Pa，P總阻2=8485.89Pa;

n——通風(fēng)機(jī)效率取值0.85。

經(jīng)計(jì)算N1=370.40kW，N2=192.82kW。

4.4 通風(fēng)設(shè)備選型

根據(jù)計(jì)算的通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量和風(fēng)壓，確定風(fēng)機(jī)性能曲線和風(fēng)管阻力特性曲線，其交點(diǎn)作為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn),結(jié)合該工程采用TBM從隧洞出口掘進(jìn)，獨(dú)頭通風(fēng)距離15.5km。比選結(jié)果是選用法國(guó)ECE COGEMACOUSTIC公司生產(chǎn)的隧洞軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)分別為F1選用T2-90-4X90-2，風(fēng)量22.6m3/s，風(fēng)壓293.5daPa；F2選用T2-90-3X90-2，風(fēng)量17.4m3/s，風(fēng)壓346daPa。風(fēng)筒直徑Φ1.2m，單根長(zhǎng)度200m，風(fēng)管與風(fēng)管是拉鏈?zhǔn)竭B接。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)TBM設(shè)備安裝的監(jiān)測(cè)儀器(CH4、CO、O2、CO2、H2S等)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)有害氣體均滿足《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》(SL 378—2007)中規(guī)定的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，使TBM機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行，工作區(qū)施工人員取得舒適工作作業(yè)環(huán)境。山西省東山供水工程9號(hào)隧洞采用美國(guó)Robbins生產(chǎn)的雙護(hù)盾TBM獨(dú)頭掘進(jìn)15.5km，實(shí)踐證明該通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行正常，取得良好通風(fēng)效果。對(duì)解決同類型工程深埋小斷面長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)提供一種新的思路，具有廣泛的借鑒和示范作用。

中國(guó)正在進(jìn)行全流域和跨流域的水資源配置與調(diào)度[6]，隧洞施工已成為世界上發(fā)展最快的國(guó)家。目前，有些施工單位對(duì)隧洞通風(fēng)重視不足，通風(fēng)技術(shù)水平低下，不能滿足隧洞施工作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。建議對(duì)深埋特長(zhǎng)隧洞施工在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，明確要求潛在中標(biāo)人在工程實(shí)施過程要成立專門隧洞通風(fēng)作業(yè)隊(duì)伍，提供通風(fēng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)監(jiān)測(cè)、設(shè)備配套、通風(fēng)系統(tǒng)管理等分包業(yè)務(wù)，切實(shí)改善隧洞施工作業(yè)環(huán)境，以保護(hù)施工作業(yè)人員的身體健康。

[1] 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.SL 303—2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2004.

[2] 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.SL 378—2007水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3] 杜彥良,杜立杰.全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī):系統(tǒng)原理與集成設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2011.

[4] 余學(xué)敏.特長(zhǎng)隧道TBM法施工20km獨(dú)頭通風(fēng)方案研究[J].四川建材,2013,39(2):114-117.

[5] 朱齊平,郭京波,賴滌泉.遼寧大伙房輸水隧洞TBM1段通風(fēng)技術(shù)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,17(4):13-16.

[6] 魯帆,蔣云鐘,王浩,等.水資源綜合調(diào)配概念與關(guān)鍵技術(shù)問題淺析[J].水利水電技術(shù),2010,41(1):11-14.

Research and application of embedded small-section water conveyance tunnel TBM construction ventilation technology

GUO Shusheng

(ShanxiDongshanWaterSupplyProjectConstructionAdministration,Taiyuan030002,China)

In the paper, the plan design of TBM sole-head construction excavating 15.5 ventilation systems in Shanxi major water network Dongshan Water Supply Project is introduced. Air quantity, wind pressure and fan power are calculated according to engineering characteristic parameters. Matching model selection is optimized for equipment of the ventilation systems. Monitoring results show that the ventilation system is adopted for meeting the demand of engineering construction, thereby providing related reference for the design and construction of similar engineering ventilation system.

water conveyance tunnel; working environment; TBM; ventilation plan; design and construction

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.001

TV554

B

1005-4774(2017)07- 0001- 04