對螺旋曲線公路隧道施工通風的研究

李 洲

(中鐵十七局集團上海軌道交通公司,上海 200135)

對螺旋曲線公路隧道施工通風的研究

李 洲

(中鐵十七局集團上海軌道交通公司,上海 200135)

通過全長2 332 m的老店子1#螺旋曲線公路隧道施工中的通風方案的比選,揭示了在長大隧道無軌運輸施工方案中,計算通風機總供風量方法,并大膽進行了高壓送風的設想,在這一領域進行了一些探討。

隧道; 無軌運輸; 通風

云南省水富至麻柳灣高速公路老店子1#螺旋曲線隧道位于云南省水富縣境內,全長2 332 m,為上下行分離式雙線公路隧道,隧道有效凈寬9.75 m,有效凈高5.0 m。其右幅隧道起止樁號為K40+025～K41+ 153,全長1 128 m,右幅位于R=537.818 m和R=253.977 m的卵形曲線上,縱坡采用+0.72%單向坡,最大埋深約為349 m;左幅隧道起止樁號為K40+125～K41+329,全長1 204 m,左幅位于R=561.902 m和R=312.531 m的卵形曲線上,縱坡采用+0.44%單向坡,最大埋深約為335 m。隧道出口端與該合同段控制工期性工程的一座大橋相連,且出口施工場地狹小,無法進行橋隧共同作業,故該隧道只能在進口端進行單口作業施工。

由于既有設備、工期及投資等諸多因素的影響,該隧道施工組織設計采用無軌運輸施工方案。由于該隧道獨頭掘進1 km以上,且又位于卵形曲線上,因此,隧道的通風排煙問題便成為首要解決的難題。

1 總供風量的計算

1.1 隧道內有害氣體的構成及通風排煙衛生標準

根據國內外研究資料表明,采用無軌運輸掘進方案施工中,隧道內有害氣體的主要來源有兩個,即鉆爆掘進時爆破作業產生的有害氣體及出碴時工程機械不完全燃燒時產生的有害氣體,其余的污染主要來自于工程機械作業時產生的有害氣體。隧道內有害氣體的主要成分為一氧化碳、氧化氮、碳化氫、氧化硫、醛等,同時,柴油機械還排出大量的煤煙,再加上隧道掘進時產生的粉塵,相互影響,嚴重威脅人體健康。迄今為止,解決隧道施工作業中有害氣體的唯一辦法仍然是加強通風排煙。

1.2 不同的供風總量計算理論

長期以來,隧道作業中所需要的通風總風量,全世界尚無合適的公式可計算,始終停留在根據經驗來推斷,或采取不同的公式計算后取最大值作為通風量選擇的依據。

1)按隧道內最小風速計算風量

鐵路部門常采用“在規定的時間內將同一時間爆炸的最多炸藥產生的有害氣體降低到允許濃度之下”的計算理念來計算風量,即Q≥VminS。

該種計算方法在衡廣鐵路復線大瑤山隧道、成昆鐵路烏斯河隧道等長大鐵路隧道施工中取得成功,但上述幾座隧道均采用有軌運輸,隧道掘進時爆破作業產生的有害氣體占據絕對主導。隨著隧道掘進方式方法及隧道施工機械的進步更新,越來越多的隧道(尤其是斷面較大的公路隧道)將無軌運輸作為首選方法。由工程機械在施工過程中不完全燃燒產生的有害氣體已遠遠超過隧道爆破作業時產生的有害氣體,占據隧道內有害氣體總量的主體,采用上述方法驗算所得出的結論顯然不符合施工現場的客觀實際,明顯偏小。

2)按隧道內作業的最多總人數所需的新鮮空氣計算風量

廣大鐵路施工部門長期實踐證明,當每分鐘供應新鮮空氣滿足3 m3/(人·min),即可保證工人的身體健康,即總供風量為Q總≥3S。

隨著隧道掘進方法、施工科技的進步,直接在現場從事施工作業的一線員工日益減少,而機械設備作業所排放的有害氣體及機械自身耗費的氧氣越來越多,仍按隧道中施工人員的數量計算所需新鮮空氣的數量,顯然偏少。

3)按施工中坑道內空氣的最小流速來計算風量

施工坑道內空氣的流動是一個較為復雜的過程,不僅涉及到通風空間的大小、斷面形式,還涉及到隧道內作業車輛往來造成的“活塞風”、隧道內外溫度差引起的氣壓差,從而直接影響到隧道內外空氣的自然對流速度。因此,縱然嚴格按計算的風量提供新鮮空氣,但隧道內空氣的實際流速與計算流速相差甚遠,該理論的前提條件完全建立在一個與事實差別較大的假設的基礎上,僅可供參考。

4)按內燃機作業的總功率計算所需的風量

在無軌運輸施工方案中,由工程機械在出碴時產生的廢氣約占整個隧道全部廢氣總量的75%,通常,采用每千瓦功率機械設備的供應風量不少于3 m3/min來計算總供風量。公式為:Q=μ1∑qi。

顯然,對于長大隧道的無軌運輸方案來講,利用該方法得出的結論相對而言比較切合實際。但由于工程機械發展的不均衡性,不同種類和同一種類的工程機械在新舊不同時期以及機械設備在不同的保養狀態,其做相同功所排放的有害氣體截然不同,必須進行調整;同時,機械設備在隧道施工中,決不是始終處于滿負荷工作狀態,決不能僅依靠機械設備的額定總功率來計算所需要的供風量,而應引入機械設備的狀態系數μ2及同時工作系數μ3的概念,具體情況具體分析,才能得出最切合實際的數據。

從表1可以得出,采用前三項計算所得的總風量結果明顯偏小,與該方案理論上存在的誤差相吻合,上三項只能作為總需供風量的下限;第四項由于未采用系數進行折減,因此計算結果偏大,只能作為總需求供風量的上限;而第五項采用系數折減后,計算結果比較符合實際情況,應作為選擇通風機的重要依據。

2 風壓計算

在進行通風排煙設計時,常常有一個誤區,認為只要所選擇通風機的總供風量滿足設計要求即可,事實上,通風機所提供的供風量僅僅是在未接風管時的理論進風量(相當于機械設備的空載狀態),通風機在接通風管后,經過長距離輸送后,實際到達作業面的風量是經過漏風折減并克服沿途各種阻力后出口數值。

沿途風壓損失:hf=9.8λu LQ2/S3

計算風量:Q=PQ計,

其中,L為通風管長度(m);d為通風管直徑(m);u為通風管周邊長度;S為通風管過流斷面積(m2);λ為沿途阻力系數,取3×10-4;P為漏風系數,取1.85;Q計為設計供風量(m3/s)。

3 隧道通風方案實施情況及優化方案的設想

該方案初步實施階段,隧道通風效果較好,洞內空氣質量各項指標均能滿足規范標準要求,但隨著隧道掘進尺度的不斷增加,洞內空氣狀況不斷惡化,掘進深度達到800 m以后,洞內空氣質量已明顯不能滿足標準要求。要徹底改善隧道掘進時隧道內的空氣狀況,及時有效地排出工程內燃機械產生的廢氣及爆破作業時產生的有害氣體,必須進一步增大作業面的總供風量。

3.1 加大通風機總供風量的常規方法

增大通風機總供風量的方法有:增大主機功率;加大通風管直徑;改變風管的材質與結構,以減少風管漏風率及阻力系數等。

3.2 采用高壓供風的設想

鑒于空氣具有可高度壓縮的特征,參照遠距離供電的做法,先采用空氣壓縮機,將新鮮空氣高度壓縮,并采用無縫鋼管輸送到作業面附近,然后,再采用壓力容器,將高壓空氣降為常壓,并通過消聲處理后,釋放到作業面(主要出口處風速不大于10 m/s即可)。

4 結 語

隨著科技進步,地下工程及公鐵路隧道的長度不斷延伸,施工過程中的通風這一古老的難題,越來越制約著人們前進的步伐,僅僅依靠常規方法已無法徹底有效地改變這一局面,必須引入全新的方法和觀念。該文通過對施工過程中常規通風理念及通風方式的詳盡分析,提出了高壓供風的設想,值得今后在施工生產過程中進一步研究與探討。

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Research on Construction Ventilation in Spiral Curve of Road Tunnels

LI Zhou
(China Railway 17th Bureau Group Co Ltd,Shanghai 200135,China)

The comparison between the ventilation schemes of old 1#spiral curve in high tunnel construction of fulllength 2 332 m revealed the total computation fan air supply method in the tunnel without rail transport construction scheme,and proposed a possible thought of high pressure air supply.Some discussions on tunnel construction ventilation are also carried out.

tunnel; trackless transport;ventilation

2014-04-18.

李 洲(1979-),工程師.E-mail:drzhouqiang@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.021