深埋小斷面輸水隧洞TBM施工通風技術研究與應用

郭樹生

(山西省東山供水工程建設管理局， 山西 太原 030002)

深埋小斷面輸水隧洞TBM施工通風技術研究與應用

郭樹生

(山西省東山供水工程建設管理局， 山西 太原 030002)

本文介紹了山西省大水網東山供水工程輸水隧洞TBM獨頭施工掘進15.5km通風系統方案設計，根據工程特征參數計算風量、風壓和風機功率，并對通風系統設備進行了優化匹配選型。監測結果表明：采用該通風系統滿足工程施工需要，為同類工程通風系統設計施工提供相關借鑒和參考。

輸水隧洞； 作業環境； TBM; 通風方案； 設計施工

1 工程概況

山西省東山供水工程是山西大水網“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水利工程，輸水線路總長255km，其中輸水管線178km，隧洞77km。

9號隧洞全長22.6km，鉆爆法從進口開挖7.1km，采用美國Robbins生產的雙護盾TBM，從出口掘進15.5km。TBM開挖直徑4.16m，預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，發育有較大規模斷層，地下水位一般埋深淺，存在高外水壓力。主要存在軟質巖變形擠出、斷層帶涌水、突泥、塌方等工程地質問題。

2 通風方案

2.1 通風方式

隧洞工程施工通風方式主要有自然通風和機械通風兩種，當自然通風不能滿足施工要求時，應考慮采用機械通風。機械通風型式主要有管式、巷道式和分道式，管式又有壓入式、抽出式和混合式。根據洞線布置，洞徑規模、施工程序、施工方法等施工要素及方案比對，9號隧洞TBM施工段通風方式采用獨頭機械管道壓入式通風。壓入式通風系統的主要優點是將洞外新鮮空氣通過風管直接送達工作區，可有效改善工作區的空氣質量，并且隨隧洞掘進延伸只需接長風管而無需移動風機，最大限度體現TBM施工快速、安全、文明施工的設計理念。

2.2 通風系統布置

9號隧洞TBM施工段(YD14+418.86～YD29+879.30)長15460.44m，圓形襯砌斷面，內徑3.4m。在9號隧洞出口布置一臺風機F1(樁號29+929.3)，在隧洞內距F1風機5600m布置第二臺增壓風機F2(樁號24+329.3)，距F2風機9460m與TBM后配套系統的輔助風機銜接，后配套系統設計長度為440m。新鮮空氣從風機F1進入，經通風管送到增壓風機F2，再通過通風管送達TBM后配套系統，最后由后配套系統上的輔助風機送達TBM機頭附近。通風系統布置如下圖所示。

TBM施工通風系統布置圖

風管與風機布置應遵守以下規定：為保證通風效果最佳，風管設計應盡可能減少分管間接頭數量，風管應按設計要求布設安裝，吊掛風管應做到平、直、緊、穩、順，風管材料應根據通風方式選擇。風機應布置在洞口30～50m內，風機支架要牢固穩定，避免運行時震動影響通風效果，一臺風機不能滿足風壓設計要求時，可數臺風機串聯運行。

3 隧洞通風標準及設計參數

3.1 通風系統功用

通風系統是深埋小斷面輸水隧洞施工的生命線，良好的運行環境是保障作業人員人身安全前提條件。因此，控制隧洞施工作業環境的有害物(氣體、粉塵)和施工作業環境的溫度，向工作區提供足夠的新鮮空氣，保證機電設備正常運行成為TBM隧洞通風系統的主要任務。

3.2 通風標準

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2004)、《水工建筑物地下開挖工程施工規范》(SL 378—2007)中規定：地下洞室開挖施工過程洞內氧氣體積不應少于20%；平均溫度不應高于28℃；工作區噪音值大于90dB(A)時，應采取消音或其他防護措施。空氣中有害物質(有害氣體、粉塵)允許含量詳見以上規范中的衛生標準[1-2]。

3.3 設計參數

山西省東山供水工程9號隧洞TBM施工段通風系統通風計算參數見下表。

9號隧洞TBM通風計算系數表

續表

4 TBM通風系統通風量計算

4.1 風量計算

TBM正常掘進施工時，主要施工工序和施工人員集中在TBM主機及其后配套工作區域，通風系統的通風量由通風系統送達工作區。通風機設計風量的確定要同時滿足洞內工作人員的新風需求以及稀釋、排除隧道內產生有害氣體和粉塵的風量要求；同時，還必須考慮附加漏風量，因為風管制作工藝、安裝質量以及維護水平等影響，運行時通風管的漏風現象不可避免；因此設計風量計算依據應取其中的最大值。

a. 按洞內最多作業人數計算風量。

Q1=qmK[3]

式中q——每人每分鐘所需新鮮空氣量，3m3/人·min；M——洞內同時最高施工人數，46人；K——風量備用系數，取值1.2。 經計算Q1=165.6m3/min

b. 按稀釋內燃機車產生的有害氣體計算風量。

Q2=qwKn

式中q——機車每千瓦每分鐘消耗空氣量，4m3/(kW·min)；

w——每臺機車功率，125kW；

K——風量備用系數，取值1.1；

n——發動機利用系數，取值0.63。

經計算Q2=346.5m3/min。

c. 按洞內最低允許風速計算風量。

Q3=60vS流[3]

式中v——隧洞內最小允許風速，0.5m/s;S流——洞內凈過風斷面，S流=7.94m2。

經計算Q3=238.2m3/min。

取以上計算得到的最大通風量作為設計通風量，設計通風量為Q總=Q1+Q2=512.1m3/min≥Q3=238.2m3/min。

d. 按允許風速校核通風量。

式中S流——洞內凈過風斷面，S流=7.94m2。

經計算v=1.1m3/s，則滿足風速大于0.5m/s，小于4m/s的施工組織設計規范要求[4]。

e. 通風系統風機設計風量。

式中Q總——工作區需風量，Q總=512.1÷60=8.54m3/s;

P100——通風系統風管百米漏風率，0.5%;

L2——風機F2距工作區距離15500-5600-440=9460m。

經計算Q設2=16.23m3/s。

式中L1——風機F1距F2距離5600m。

經計算Q設1=22.56m3/s。

4.2 風壓計算

通風系統風機的風壓是用來克服通風阻力并保證送風管末端的風流具有一定動壓，以維持通風系統的連續流動，實現TBM施工工作區的勞動作業環境符合《水工建筑物地下開挖工程施工規范》規定的勞動衛生標準。

a. 動態風壓P動。

式中ρ——空氣密度，取1.2kg/m3；v——通風管末端管口風速。

v2=8.54/1.13=7.56m/s，v1=16.23/1.13=14.36m/s。經計算，P動2=34.29Pa，P動1=123.73Pa。

b. 摩擦阻力P阻。

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

Q——通風機設計風量，Q設2=16.23m3/s，Q設1=22.56m3/s；

D——風管直徑1.2m；

L——通風管道長度，L2=9460m，L1=5600m；

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

經計算P阻2=7703.20Pa，P阻1=12043.37Pa。

c. 局部阻力P局。

經計算P局2=770.32Pa，P局1=1204.34Pa。

d. 總風阻力P總。

經計算P總阻2=8507.81Pa，P總阻1=13371.44Pa。

4.3 通風機的計算功率

通風機配用電動機的功率按下式計算：

式中k——功率備用系數，取1.05；Q——通分風機設計風量，Q設1=22.56m3/s=1353.6m3/min，Q設2=16.23m3/s=973.8m3/min;

Pi——通風總阻力，Pa，P總阻1=13292.40Pa，P總阻2=8485.89Pa;

n——通風機效率取值0.85。

經計算N1=370.40kW，N2=192.82kW。

4.4 通風設備選型

根據計算的通風機設計風量和風壓，確定風機性能曲線和風管阻力特性曲線，其交點作為風機工作點,結合該工程采用TBM從隧洞出口掘進，獨頭通風距離15.5km。比選結果是選用法國ECE COGEMACOUSTIC公司生產的隧洞軸流風機，型號分別為F1選用T2-90-4X90-2，風量22.6m3/s，風壓293.5daPa；F2選用T2-90-3X90-2，風量17.4m3/s，風壓346daPa。風筒直徑Φ1.2m，單根長度200m，風管與風管是拉鏈式連接。

5 結論及建議

根據TBM設備安裝的監測儀器(CH4、CO、O2、CO2、H2S等)實時監測洞內有害氣體均滿足《水工建筑物地下開挖工程施工規范》(SL 378—2007)中規定的衛生標準，使TBM機電設備安全運行，工作區施工人員取得舒適工作作業環境。山西省東山供水工程9號隧洞采用美國Robbins生產的雙護盾TBM獨頭掘進15.5km，實踐證明該通風系統運行正常，取得良好通風效果。對解決同類型工程深埋小斷面長距離輸水隧洞TBM獨頭掘進施工通風提供一種新的思路，具有廣泛的借鑒和示范作用。

中國正在進行全流域和跨流域的水資源配置與調度[6]，隧洞施工已成為世界上發展最快的國家。目前，有些施工單位對隧洞通風重視不足，通風技術水平低下，不能滿足隧洞施工作業環境衛生標準要求。建議對深埋特長隧洞施工在招標設計階段，明確要求潛在中標人在工程實施過程要成立專門隧洞通風作業隊伍，提供通風設計、通風監測、設備配套、通風系統管理等分包業務，切實改善隧洞施工作業環境，以保護施工作業人員的身體健康。

[1] 中水東北勘測設計研究有限責任公司.SL 303—2004水利水電工程施工組織設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,2004.

[2] 中水東北勘測設計研究有限責任公司.SL 378—2007水工建筑物地下開挖工程施工規范[S].北京：中國水利水電出版社,2007.

[3] 杜彥良,杜立杰.全斷面巖石隧道掘進機:系統原理與集成設計[M].武漢：華中科技大學出版社,2011.

[4] 余學敏.特長隧道TBM法施工20km獨頭通風方案研究[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段通風技術研究[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2004,17(4):13-16.

[6] 魯帆,蔣云鐘,王浩,等.水資源綜合調配概念與關鍵技術問題淺析[J].水利水電技術,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