特長復雜隧洞掘進施工通風技術研究

韓文起

(中鐵十三局集團公司，長春 130033)

1 工程概況

錦屏二級水電站引水系統采用4洞8機布置形式，2#、4#引水隧洞為鉆爆法施工，1#、3#引水隧洞為TBM施工。已施工1#支洞長度750.76 m，2#支洞長1 041.47 m。實際鉆爆法施工獨頭掘進通風距離達到了12.5 km，TBM獨頭掘進通風距離達到了14.5 km。由于引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線上覆巖體埋深1 500～2 525 m，受高地應力和其他地質因素影響，巖爆日趨頻繁且烈度越來越高，已經嚴重影響所有隧洞掘進施工安全和進度。為確保發電目標的實現，目前正采取增加工作面以及提前釋放應力等一系列可以加快隧洞群掘進進度的措施。這些措施使得錦屏工程隧洞群數量大大增加、隧洞平面和空間布置極為復雜，這就必然使得通風系統在不同階段和空間等方面將發生很大變化，甚至會徹底顛覆原來的通風方案，導致原本就極為困難的通風施工雪上加霜。

本文針對采用鉆爆法施工的錦屏電站4#引水隧洞的通風方式、參數及其布置進行研究，以求確保施工過程中各個工點和地下各個區段具有足夠的新鮮風量和風壓，從而使錦屏工程建設能夠按期順利完成。

2 通風方案分析

依據隧道工程通風理論與技術，對錦屏電站工程地質、隧洞群空間布置、斷面形狀與尺寸、施工方法、施工人員配置、機械設備類型與數量以及通風要求等進行分析，據此提出風管壓入式隧洞通風方案。所有新鮮風從下游通風洞或施工排水洞獲取，通過風機風管接力到達工作面，然后從工作面沿隧洞返回由東引2#施工支洞出風。由此可把工作面爆破后的粉塵、污染風直接排出，不增大已開挖完成洞段的污染，同時各條隧洞也可以獨立通風，互不影響。

3 通風參數計算

3.1 通風量計算

隧洞施工中爆破、運輸等產生的主要污染源見表1，通風風量主要依據內燃機作業廢氣稀釋需要、洞內同時工作最多人數、同時爆破最大炸藥量以及洞內允許最小風速等因素綜合確定。

表1 洞內主要污染源

1)按內燃機作業廢氣稀釋的需要計算

參數計算方法與其他隧洞掘進相同，洞身段的通風量及其他通風參數按交通量另行計算。

考慮掌子面一般有1臺ZL50、1臺CAT 330D和4臺自卸車同時工作，其機械總功率在1 166 kW，見表2。按全負荷的65%效率計算工作時的功率，即有1 166×0.65=758.2 kW，則所需風量

式中，n為洞內同時使用內燃機作業的總功率，kW;Af為洞內同時使用內燃機每 kW所需的風量，計算取4 m3/min。則

表2 4#洞內主要燃油施工機械設備功率一覽

2)按洞內同時工作的最多人數計算需風量為

式中，k為風量備用系數，常取 k=1.1～1.2;m=120，為洞內同時工作的最多人數;q為洞內每人每分鐘需要新鮮空氣量，通常按3 m3/min計算。

3)按同時爆破的最多炸藥量計算

采用管道通風方式中的壓入式，需風量為

式中，A為同時爆破的炸藥量，A=320 kg;S為坑道斷面面積(m2)，按上開挖法高9 m計算，S=99.4 m2;L為坑道長度(m)，L=15+A/5;t為爆破后的通風時間，t=30 min。則需風量為

4)按洞內允許最小風速計算

式中，V為洞內允許最小風速，取值0.25 m/s;S為坑道斷面面積(m2)。

因此，需風量為

綜合上述四個方面，取最大值3 032.8 m3/min。

3.2 漏風計算

通風機的供風量Q供除滿足上述計算的需要風量外，還應考慮漏失的風量，即

式中，Q為計算風量，為前述計算結果的最大值;P為漏風系數，直徑1.4 m的PVC風管百米漏風率取1.4%。

則P=1.091

3.3 風阻計算

通風過程中要克服風流沿途所受阻力，保證將所需風量送到洞內，并達到規定的風速，則必須要有一定的風壓。因此，風壓計算的目的就是要確定通風機本身應具備多大的壓力才能滿足通風需要。

氣流所受到的阻力有摩擦阻力、局部阻力和正面阻力，其計算可用下式表示。

式中，h總阻為風流受到的總阻力;h摩為風流經過各種斷面的管(巷)道時產生的摩擦阻力;h局為氣流經過斷面變化，拐彎、分岔等處分別產生的阻力;h正為巷道通風時受運輸車輛阻塞而產生的阻力。

1)摩擦阻力h摩

摩擦阻力是管道(巷道)周壁與風流互相摩擦以及風流中空氣分子間的擾動和摩擦而產生的阻力，也稱沿程阻力。

式中，α為摩擦阻力系數(N·s2/m4);L為風管長度(m);U為風道周邊長度(m);Q供為風道流量(m3/s);S為風管截面面積(m2)。

擬采用風管直徑1.4 m，風管采用優質通風塑料軟 管，則 S =1.54 m2，U =4.40 m，Q供=3 308.8 m3/min，α =0.0013 N·s2/m4，則有

2)局部阻力h局

風流經過風管的某些局部地點(如斷面擴大、斷面減小、拐彎、交岔等)時，由于速度或方向發生突然變化而導致風流本身產生劇烈的沖擊，由此產生風流阻力即局部阻力。2

式中，ζ為局部阻力系數，ζ=0.853 N·s2/m4;γ=12 N/m3;g為重力加速度，g=9.81 m/s2;v為風流經過局部斷面形狀變化后的速度(m/s)

3)總阻力h總=h摩+h局=3 295.5 Pa

3.4 電動機容量N

式中，Q為總需風量(m3/s);h為 總負壓(Pa);102為功的換算值，102 kg·m=1 kW;η1為靜壓效率;η2為機械效率，計算時一般取0.95;B為電機容量儲備系數，B=1.5。

3.5 通風風機選型及布置

根據通風技術及機械配置方法，采用2×160 kW軸流風機送風至掌子面，送風距離保證在1 500 m之內。

通風系統包括4#引水洞鉆爆段、橫通道及通風洞，構成平行巷道的循環通風和掘進工作面的管道通風兩部分。在4#引水洞引(4)16+129.129處左側開挖一條斷面為6.0 m×5.8 m，長為329.409 m的通風支洞，斜交連接通風主洞(通風主洞斷面為7.0 m×6.5 m，長594.619 m;通風支洞連接通風主洞斷面為5.0 m×6.0 m，長274.569 m)，在洞內布置通風機將污濁空氣抽出洞外。在東引1#施工支洞與2#引水洞交叉口布置通風機，為避免污濁空氣通過東引2#施工支洞向其它洞內擴散，在東引2#施工支洞至通風支洞與4#引水洞交界點之間設兩道風門，車輛通過時交替開啟。

4 結論

1)從隧洞實際施工看，分析得出的特長復雜隧洞施工通風方案可行，能夠滿足隧洞工程施工要求。

2)結合錦屏二級水電站隧洞群實際研究出的通風風量、風壓、風速以及設備配置可確保工程通風需要并能保證施工人員安全。

3)鑒于隧洞工程建設及施工組織異常復雜，且各階段施工方法、施工條件不同，所以其通風方式、取風與排風通道、所需風量及風壓、風阻等參數均要求不同，必須依據實際情況對通風系統隨時作出相應調整、重新布置、分析和論證，以保障施工人員安全和整個工程順利完工。

［1］中華人民共和國電力行業標準.DL/T5099—1999水工建筑物地下開挖工程施工技術規范［S］.北京:水力電力出版社，1999.

［2］肖清華.錦屏二級電站引水隧洞群施工平臺總體規劃研究［J］.鐵道建筑，2008(7):55-57.