小風室接力通風在引水隧洞斜井進主洞施工中的應用

劉國平

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

中國屬于缺水國，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，為了科學合理調配淡水資源，修建長大引水隧洞成為目前國內淡水資源調配的重要基建內容。由于引水隧洞的修建具有長、大、深埋及地質條件復雜等特點，故無論采用何種工法，其施工通風問題均是制約長大隧洞施工的瓶頸。據統計，國內引黃入晉聯接段7#隧洞TBM獨頭通風最長距離為13.52 km［2］，錦屏二級水電站引水隧道鉆爆法無軌運輸施工獨頭通風約4 km。

為了解決長大隧洞施工通風難題，目前國內采用的通風方式主要有自然通風、壓入式通風、抽出式通風、混合式通風、巷道式通風、風倉式通風和風室接力通風等［3－6］，鑒于通風設計受隧洞長度、斷面尺寸、設備配置、施工工藝等影響，每一種通風方式都具有一定的唯一性。本工程最長獨頭通風距離達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管直徑等因素，采用傳統的通風方式已不能滿足施工需要，需要通過創新來解決以上通風限制條件。在實施過程中分析粉塵及有害氣體的來源，采用工序合理優化、降塵及限制尾氣排放等輔助通風措施［7－9］，從而最終達到了預定施工通風效果。

1 工程概況

引漢濟渭秦嶺隧洞3#支洞位于陜西省寧陜縣境內，斜長為3 885 m，平距3 872 m，綜合坡度8.18%，最大坡度 9.03%，城門洞型斷面，凈空尺寸為7.7 m ×6.75 m(寬 × 高)，洞口與交叉口高差約317 m，支洞進入主洞后承擔4 km主洞鉆爆施工任務，屬于單斜井單正洞雙向掘進，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″，施工任務見圖1。本工程為支洞進入主洞后鉆爆法施工無軌運輸特長隧洞，通過斜井獨頭掘進最長達到6 385 m，考慮到通風長度、主支洞斷面、襯砌等條件限制，難以為每個工作面布置2路風管，施工通風難度較大。

2 獨頭通風方案

綜合考慮本隧洞的工程實際情況，采用獨頭壓入式通風進行隧洞施工通風。具體通風方案為:在支洞口設置2臺2×185 kW大功率軸流風機，通過2路φ 1 800 mm軟質風管將新鮮風送至小風室內，小風室設置在主支洞交叉口主洞段擴大段上部，采用I16型鋼配合2 mm的鐵皮將風室底部及側面封住，采用瀝青和噴射混凝土將縫隙密封。在小風室內設置2臺2×110 kW軸流風機將新鮮風送至上下游掌子面(見圖2)。通過風機接力的形式將主洞通風距離由最長6 385 m減至2 500 m，提高了通風的可行性。

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

圖2 施工通風布置圖Fig.2 Arrangement of construction ventilation system

3 通風設計

3.1 風量計算

施工通風所需風量按洞內同時工作的最多人數、洞內允許最小風速、一次性爆破所需要排除的炮煙量和內燃機械設備總功率分別計算，取其中最大值作為控制風量。

3.1.1 主要計算參數

洞內同時工作最多人數按49人/工作面考慮。根據TB 10120—2002《鐵路隧道施工規范》規定洞內允許最小風速vmin=0.25 m/s;洞內每人應供應新鮮風3 m3/min;內燃機械設備作業供風量3 m3/(min·kW);風管平均百米漏風率為β=0.015;風管摩阻因數λ=0.02。

3.1.2 風量計算過程

1)按人數計算時，所需要風量

式中:N為同時作業人數，49人;q為每人供應新風量，3 m3/min。

經計算需風量約為147 m3/min。

2)按最小風速計算時，所需風量

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

經計算需風量約為733 m3/min。

3)按稀釋和排出內燃機廢氣計算時，所需風量

裝載機功率為162 kW，出渣汽車功率為214 kW，經計算需風量為1 128 m3/min。

4)排出炮煙計算時，所需風量

式中:t為通風時間，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為通風換氣長度，取100 m。

經計算需風量為394.6 m3/min。

通過以上計算取最大值1 128 m3/min作為供風量。

3.2 通風布置

本工程屬于典型的單斜井單正洞雙向掘進工程，斜井、正洞都采用無軌運輸方式。斜井到正洞最長獨頭通風距離長達6 385 m，根據現場施工條件，施工開挖通風可分為3個階段:

1)第1階段。斜井施工前期，在洞口布置1臺SDF(C)－No12.5型軸流風機和φ 1 600 mm通風管路向開挖工作面采用獨頭壓入式通風。

2)第2階段。斜井進入正洞后，考慮到正洞大里程和小里程同時開挖，而第1階段的施工通風方式已不能滿足現場開挖施工要求，擬采用保持洞口風機不變，在斜井距洞口3 200 m處布置1臺 SDF(C)－No11.5軸流風機作為接力風機，風管采用φ 1 600 mm軟風管，同時在斜井與正洞交叉處采用“三叉型”布置方式同時向大里程和小里程送風，通過計算，滿足通風需求?，F場布置圖如圖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、小里程開挖形成安全距離后，在3#洞斜井井口設置2臺大功率軸流風機，同時拆掉斜井的風機，在斜井布置2趟大直徑軟風管采取壓入式通風，將新鮮風送至井底風室，在井底風室設置2臺軸流風機分別向上下游開挖面送風。具體布置見圖2。

3.3 阻力計算和風機選型

1)井底風室通風設備的選型。通風阻力則因選擇的風管直徑和風機型號以及送風距離的不同會有很大差距。通過理論計算比較，正洞選擇直徑1 600 mm的通風管，其通風阻力(Qf為風機出口風量)

配備2×110 kW風機和1 600 mm通風管配備，無軌運輸按照內燃機計算。

當送風距離 L=2 500 m時，通風阻力 p=2.99，供風量為1 775 m3/min，風管出口風量為1 216 m3/min，

通過風阻特性曲線和不同通風機的性能曲線聯合做圖，選擇合適的風機，從而確定通風機的工況點，得到通風機的供風量和風壓。按本風機和風管配置的最長送風距離2 500 m比較，在送風距離達到2 500 m時，風管出口風量1 216 m3/min，大于掌子面所需最大風量1 128 m3/min，風量在控制范圍內。風機性能曲線和管路阻力曲線見圖4。

圖4 風機性能曲線和管路阻力曲線圖Fig.4 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根據以上計算結果，井底風室采用2臺2×110 kW SDF(C)－No12.5型通風機，風管采用φ1.6 m PVC拉鏈式軟風管。

2)洞口通風設備的選型。370 kW風機和1 800 mm通風管配備，當送風距離L=3 900 m時，通風阻力P=2.16，供風量為 3 539 m3/min，風管出口風量為1 963 m3/min。風機性能曲線見圖5。

圖5 風機性能曲線和管路阻力曲線圖Fig.5 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根據以上計算結果，斜井口采用2臺2×185 kW SDF(C)－No14型軸流通風機，井口風機向井底風室供風量為2×1 963 m3/min，即3 926 m3/min。滿足風室2臺風機所需風量2×1 775 m3/min。斜井風管選擇φ 1.8m PVC拉鏈式軟風管。通風設備性能參數和配置數量見表1。

3.4 井底風室結構

井底風室中隔板采用2 mm厚的鋼板分隔，I16型鋼托梁，結構形式見圖6。角鐵托架焊接在既有的支護拱架上，風室容積取170 m3，同時在風室端頭設置一泄風室，為風機檢修和風室風壓過大時泄壓。

4 過程優化及效果

4.1 施工組織優化

為了降低通風及運輸成本，在實施過程中，結合上下游施工特點，將上下游同種工序錯開，即最大需風量為一個掌子面出渣時的設備尾氣排放需風量加上另一個掌子面施鉆時的人員需風量，這樣就可以有效地降低通風壓力。

表1 主要通風設備參數表Table 1 Parameters of major ventilation equipment

圖6 風室斷面結構示意圖Fig.6 Structure of plenum

4.2 降塵及限制尾氣排放措施

通風的目的是為了降塵、稀釋有毒有害氣體等，采用科學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燃機車的尾氣排放。本工程現場先后進行了水幕降塵，并在內燃機車排氣管安裝外部尾氣凈化裝置。在實施過程中發現，在放炮后距掌子面30～40 m位置(在風管口至掌子面之間)設置水幕降塵裝置(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設置一霧化噴頭，軟管與高壓水管相連，放炮前打開閘閥，出渣結束關閉)除塵效果良好。在放炮后通風約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作業環境。為此，多次對洞內空氣質量進行了檢測，有害氣體及粉塵含量遠低于允許值。

4.3 方案優化

通過施工組織優化、降塵措施等通風輔助措施試驗，現場空氣質量得到了有效提高。鑒于此種情況，現場對空氣質量檢測與方案優化進行動態管理，通過空氣質量檢測效果對通風方案進行調整。

通過現場實際檢測，將通風方案優化為支洞口至風室的通風管路設置一路φ 1 800 mm的軟質風管，洞口只設置1臺2×185 kW軸流風機，風室至上下游掌子面軸流風機優化為2×55 kW，目前檢測效果良好。

4.4 效果檢測

1)檢測儀器。見表2。

表2 檢測儀器配置表Table 2 Measuring apparatus 臺

2)檢測效果。以目前工程實施最大長度(上游已施工1 829 m，下游已施工1 100 m)進行現場檢測，檢測結果匯總見表3。

表3 現場檢測結果匯總表Table 3 Measuring result

5 結論與建議

5.1 結論

1)采用小風室接力通風具有工藝簡單、可靠、經濟等特點，可以很好地解決一定長度隧洞獨頭施工通風的難題，取得較好的通風效果。

2)輔助通風措施的應用能夠有效地降低洞內粉塵、內燃機車尾氣含量，從一定程度上能夠起到改善作業環境的作用。

5.2 建議

1)在工程實踐中，目前國內常規開挖隧洞使用除塵風機的情況較少，而國外使用較多;因此，建議在長大隧洞施工中增加除塵風機來改善施工作業環境。

2)結合國外長大隧洞施工情況，一般在通風系統設計配置有低噪音、低能耗、高效等特點的通風機，建議在長大隧洞施工中通過經濟、技術及性能和匹配對比優選配備低噪音、低能耗及高效風機。

3)降低內燃機車的尾氣排放量是改善洞內作業環境的有效措施;因此，建議配置隧道專用設備，并增加燃料添加劑和尾氣過濾裝置。

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