大瑞鐵路大柱山隧道獨(dú)頭掘進(jìn)7500m以上通風(fēng)技術(shù)研究

中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712000

正文：

長(zhǎng)大隧道施工中，通風(fēng)是一切工序可以安全高效展開(kāi)的前提，也是各種機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。通風(fēng)效果的好壞直接左右隧道的施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量。長(zhǎng)大隧道在獨(dú)頭掘進(jìn)的過(guò)程中，尤其是有平行導(dǎo)坑的長(zhǎng)大隧道，通風(fēng)組織要提前籌劃、合理安排，伴隨隧道施工深度的不斷增加，每個(gè)施工階段都要設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)方案,以此來(lái)保證通風(fēng)方案的可行性,保證其經(jīng)濟(jì)上的合理性[2]。因此，研究大柱山隧道獨(dú)頭掘進(jìn)7500m以上的通風(fēng)技術(shù)，可以提高通風(fēng)效率和施工進(jìn)度，為以后長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)提供可靠的經(jīng)驗(yàn)。

1、工程概況

大瑞鐵路大理至保山段站前工程第三標(biāo)段始于大理州永平縣杉陽(yáng)鎮(zhèn)仁壽村，終于保山市隆陽(yáng)區(qū)小青村，線路全長(zhǎng)31.566km（里程樁號(hào)為D1K104+100～D1K135+666），其中保山段25.418km，大理段 6.148 km。其中大柱山隧道是全線的控制性工程。

大柱山隧道出口位于云南省保山市山保村，穿越著名的橫斷山南段，隧道全長(zhǎng)14484m，其中出口段承擔(dān)平導(dǎo)8400m和正洞8308m施工任務(wù)，隧道最大埋深為1010m。隧道洞內(nèi)縱坡設(shè)計(jì)為“人”字坡，最大縱坡23.5‰。其整體地勢(shì)北高南低，所在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，穿越6條斷裂帶，巖溶地質(zhì)較為突出，地下水源豐富，預(yù)計(jì)全隧最大涌水量大達(dá)120000m3/d，實(shí)際開(kāi)挖揭示，涌水量比設(shè)計(jì)大兩倍左右，局部地段可能出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、突然涌水、巖爆、巖溶、放射性、地?zé)岬炔涣嫉刭|(zhì)，施工難度極大[3]。

2、通風(fēng)方案

大柱山隧道出口施工通風(fēng)主要采用分階段管道壓入式及混合巷道式通風(fēng)，通風(fēng)管選用正洞φ1400mm（平導(dǎo)φ1400mm）滌綸軟式通風(fēng)管，風(fēng)管出風(fēng)口至掌子面距離L=60m。主風(fēng)機(jī)安裝在距離平導(dǎo)掌子面最近的正洞貫通面。其中為正洞進(jìn)風(fēng)通道，平導(dǎo)為排煙通道。

鑒于平導(dǎo)及正洞高溫施工情況，待正洞相互兩橫通道貫通后需及時(shí)風(fēng)機(jī)向前移動(dòng)，使平導(dǎo)及正洞掌子面有效風(fēng)量達(dá)到最大，以確保隧道達(dá)到降溫目的。主風(fēng)機(jī)主要供應(yīng)平導(dǎo)掌子面，正洞施工面采用軸流風(fēng)機(jī)直接壓入新鮮風(fēng)，保證施工作業(yè)面空氣質(zhì)量。

3、通風(fēng)布置

第一階段：

軸流風(fēng)機(jī)安裝在19#輔助正洞大里程端，供用平導(dǎo)2495m施工通風(fēng)任務(wù)，正洞為新鮮空氣進(jìn)入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，滿足進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口附近安裝射流風(fēng)機(jī)一臺(tái)，隧道洞身每400～500m安裝一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。19#至洞口其余貫通橫通道封堵。

第二階段：

軸流風(fēng)機(jī)安裝在19#輔助正洞大里程端，供應(yīng)平導(dǎo)2495m施工通風(fēng)任務(wù)，此時(shí)19#橫通道輔助正洞小里程與18#橫通道輔助正洞大里程已貫通，在18#橫通道輔助正洞大里程端安裝兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，分別供應(yīng)18#橫通道輔助正洞小里程及17#橫通道輔助正洞大里程施工通風(fēng)任務(wù)。19#至洞口所有橫通道均臨時(shí)封堵，正洞施工作業(yè)面為17#、18#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進(jìn)入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，滿足進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風(fēng)機(jī)，洞身每400～500m安裝一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。

第三階段：

軸流風(fēng)機(jī)安裝在17#輔助正洞大里程端，分別供應(yīng)平導(dǎo)1658m的通風(fēng)任務(wù)，此時(shí)17#至洞口所有橫通道均臨時(shí)封堵，正洞施工作業(yè)面為17#、16#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進(jìn)入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，滿足進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風(fēng)機(jī)，洞身每400～500m安裝一臺(tái)射流風(fēng)機(jī),平導(dǎo)于洞內(nèi)通風(fēng)死角處安裝射流風(fēng)機(jī)輔助排出污濁空氣。

第四階段：

軸流風(fēng)機(jī)安裝在17#輔助正洞大里程端，供應(yīng)平導(dǎo)1685m施工通風(fēng)任務(wù)，此時(shí)17#橫通道輔助正洞小里程與16#橫通道輔助正洞大里程已貫通，在16#橫通道輔助正洞大里程端安裝兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，分別供應(yīng)16#橫通道輔助正洞小里程及15#橫通道輔助正洞大里程施工通風(fēng)任務(wù)。17#至洞口所有橫通道均臨時(shí)封堵，正洞施工作業(yè)面為16#、15#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進(jìn)入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)，滿足進(jìn)風(fēng)側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風(fēng)機(jī)，洞身每400～500m安裝一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。

4、壓入式通風(fēng)計(jì)算

⑴通風(fēng)控制條件

隧道在整個(gè)施工過(guò)程中,作業(yè)環(huán)境符合下列衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn):

①隧道內(nèi)氧氣含量：按體積計(jì)不得小于20%。

②粉塵允許濃度：每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg；含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6mg；二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物質(zhì)的礦物性和動(dòng)植物性的粉塵為10mg。

③有害氣體濃度：一氧化碳不大于30mg/m3，當(dāng)施工人員進(jìn)入開(kāi)挖面檢查時(shí)，濃度為100mg/m3，但必須在30min 內(nèi)降至30mg/m3；二氧化碳按體積計(jì)不超過(guò)0.5%;氮氧化物（換算為NO2）5mg/m3以下。

④洞內(nèi)溫度：隧道內(nèi)氣溫不超過(guò)28℃，洞內(nèi)噪聲不大于90dB。

⑤洞內(nèi)風(fēng)量要求：隧道施工時(shí)供給每人的新鮮空氣量不應(yīng)低于3m3/min，采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)供風(fēng)量不應(yīng)低于3m3/(min·kw)。

⑥洞內(nèi)風(fēng)速要求：全斷面開(kāi)挖時(shí)不小于0.15m/s，在分部開(kāi)挖的坑道中不小于0.25m/s。

⑵風(fēng)量計(jì)算

①按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量：

Q=q·m·k(m3/min)

q——每人每分鐘呼吸所需空氣量q=3m3/min

m——同時(shí)工作人數(shù)，m=50人

k——風(fēng)量備用系數(shù)，取k=1.15

由此得Q1=qmk=3×50×1.15=172.5m3/min

②按允許最低平均風(fēng)速計(jì)算工作面供風(fēng)量：

Q=60AV（m3/min）

V—按允許最低平均風(fēng)速平導(dǎo)取0.25m/s；

A—隧道斷面積。平導(dǎo)斷面為6.0×5.9（寬×高），設(shè)面積為35.4㎡。由此得

平導(dǎo)：Q2=60AV=60×35.4×0.25=531m3/min

正洞：Q2=60AV=60×40.4×0.25=606m3/min

③按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計(jì)算：

t--通風(fēng)時(shí)間，取t=30min。

G--同時(shí)爆破炸藥用量，平導(dǎo)、正洞均按Ⅱ級(jí)圍巖考慮,每循環(huán)最大進(jìn)尺取3.5m。

平導(dǎo)單位裝藥量取1.27kg/m3，則G=35.4×3.5×1.27=157.4kg；

正洞單位裝藥量取1.27kg/m3，則G=40.4×3.5×1.27=179.6kg；

L——掌子面滿足下一循環(huán)施工的長(zhǎng)度，取200m。

則采用壓入式通風(fēng)段落，平導(dǎo)工作面需要風(fēng)量；

正洞工作面需要風(fēng)量；

④按稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量

采用無(wú)軌運(yùn)輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，計(jì)算可按下式計(jì)算：

式中: K——功率通風(fēng)計(jì)算系數(shù),我國(guó)暫行規(guī)定為3.0m3/min

Ni——各臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備的功率

Ti——利用率系數(shù)

計(jì)算正洞（出口共2個(gè)工作面）Q4=（1×0.6×110＋0.5×1×145＋0.45×5×150＋2×0.5×85）×2＝1122m3/min。

一個(gè)工作面（平導(dǎo)）內(nèi)燃設(shè)備配置表

計(jì)算平導(dǎo)（出口共1個(gè)工作面）Q4=（1×0.6×110+1×0.5×125＋0.45×4×150＋2×0.5×85）×1＝484 m3/min。

取上述四種計(jì)算中的最大值作為通風(fēng)設(shè)計(jì)量，單線線正洞風(fēng)量取Q4=1122 m3/min，平導(dǎo)風(fēng)量取Q4=531 m3/min。

隧道出口和平導(dǎo)：

綜合隧道通風(fēng)的各個(gè)階段，平導(dǎo)和正洞單管路獨(dú)頭壓入式通風(fēng)各種最長(zhǎng)通風(fēng)距離：正洞壓入式通風(fēng)距離1400m，平導(dǎo)壓入式通風(fēng)距離3235m。

通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Q供=PcQ4；

則Q供=1.24×1122=1391.3m3/min。

通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Q供=PcQ4；

則Q供=1.63×531=865.5m3/min。

⑶風(fēng)機(jī)風(fēng)壓

①管道阻力系數(shù)

根據(jù)以前的施工經(jīng)驗(yàn)、隧道斷面以及目前常用性能穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)選定通風(fēng)管直徑，為便于管理和維修，通風(fēng)軟管統(tǒng)一采用直徑D=1.4m。求值Rf見(jiàn)管道阻力系數(shù)Rf計(jì)算表:

Rf正洞=6.5αL/D5=6.5×0.00225×1400/1.45=3.81；

Rf平導(dǎo)=6.5αL/D5=6.5×0.00225×3573/1.45=9.72。

管道阻力系數(shù)Rf計(jì)算表

②管道阻力損失

管道阻力損失Hf=RfQjQi/3600+HD+H

式中:

Qj——通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，m3/min；

Qi——管道末端流出風(fēng)量，m3/min；

HD——隧道內(nèi)阻力損失取50；

H其他——其他阻力損失取60；

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)全壓H=Hf=RfQjQi/3600+110。

風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算如下：

正洞通風(fēng)：

H正洞=(3.81×1391.3×1122)/3600＋110=1762Pa；

平導(dǎo)通風(fēng)：

H平導(dǎo)=(9.72×865.5×531)/3600＋110=1350.9Pa；

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算：

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式：W=QHK/（60η）

式中：Q—風(fēng)機(jī)供風(fēng)量

H—風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓

η—風(fēng)機(jī)工作效率，取80%

K—功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.05

W正洞=1391.3×1762×1.05/(60×η)/1000=53.62KW

W平導(dǎo)=865.5×1350.9×1.05/(60×η)/1000=25.57KW

5、巷道式通風(fēng)計(jì)算

⑴射流通風(fēng)段通風(fēng)阻力計(jì)算

通風(fēng)阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和。

①隧道摩擦阻力

式中:

α——摩擦阻力系數(shù), 對(duì)于噴錨支護(hù)巷道,α=(78.5～118)×10-4 ,取α=0.011

L——射流通風(fēng)全長(zhǎng),根據(jù)車(chē)行通道位置,最長(zhǎng)距離為2×5772=11544m；

U——隧道周長(zhǎng),23.5m；

Q——通風(fēng)量, 2257m3/min÷60=37.6m3/s；

A——已襯砌段面積,35.4m2。

由此計(jì)算:Pf1=93.1Pa

②通過(guò)車(chē)行通道時(shí)的摩擦阻力

式中:

α——摩擦阻力系數(shù),對(duì)于噴錨支護(hù)巷道,α=(78.5～118)×10-4 ,取α=0.011；

L——車(chē)行通道長(zhǎng)度,30m；

U——隧道周長(zhǎng),20.9m；

A——車(chē)行通道面積,30m2。

故Pf2=0.35Pa

③局部阻力

式中：

ξ——局部阻力系數(shù),出洞口取1,進(jìn)入加寬段取0.04,出加寬段取0.1,右線進(jìn)車(chē)通取2.8,出車(chē)通道左線取0.92,總阻力系數(shù)=0.6+1+8×(0.1+0.04)+2.8+0.92=6.44；

ρ——空氣容重,1.2kg/m3。

其它參數(shù)已知, 故局部阻力Pi=8.5Pa

總的通風(fēng)阻力P=Pf1+Pf2+Pi=101.9Pa

⑵射流風(fēng)機(jī)風(fēng)力計(jì)算

式中:

Pj——風(fēng)壓,Pa；

K——噴流系數(shù),0.85；

Vj——為射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速,27.7m/s；

Fj——射流風(fēng)機(jī)的出口面積,0.5m2；

FS——隧道橫斷面積,35.4m2；

VS——為隧道內(nèi)風(fēng)速,1.80m/s。

經(jīng)計(jì)算, Pj=10.2Pa

⑶射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)計(jì)算

每?jī)膳_(tái)之間的距離為不大于L=（8400-3253）÷（10+1）=468m

6、通風(fēng)設(shè)備選擇

正洞風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足總風(fēng)量Q＝1391.3m3/min，風(fēng)壓1762Pa，功率53.62KW的要求。

平導(dǎo)風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足總風(fēng)量Q＝865.5m3/min，風(fēng)壓1233.4Pa，功率23.35KW的要求。

綜合考慮后風(fēng)機(jī)配備如下：

大柱山隧道出口風(fēng)機(jī)配備表

為了防止平導(dǎo)污風(fēng)進(jìn)入正洞，貫通段橫通道一律進(jìn)行封堵，部分橫通道預(yù)留風(fēng)門(mén)方便后期正洞風(fēng)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)工作。為保證效果，橫通道采用漿砌水泥磚進(jìn)行封堵，確保平導(dǎo)污風(fēng)無(wú)法進(jìn)入正洞。

本通風(fēng)方案考慮目前高溫施工，根據(jù)計(jì)算后在軸流風(fēng)機(jī)選型時(shí)都充分考慮了施工安全儲(chǔ)備系數(shù)，射流風(fēng)機(jī)布置間距目前考慮按照正洞450m/臺(tái)，平導(dǎo)500m/臺(tái)，考慮在將來(lái)實(shí)施過(guò)程中，將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體施工情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保施工通風(fēng)效果，保證施工安全、正常、高效進(jìn)行。

7、結(jié)語(yǔ)

1、施工期間，應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)主風(fēng)機(jī)送風(fēng)口和掌子面出風(fēng)口位置風(fēng)速和風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)，根據(jù)通風(fēng)距離、出風(fēng)口到掌子面距離，改善通風(fēng)條件。

2、由于隧址區(qū)屬于高原地?zé)崴淼溃L(fēng)不僅要保證正常的施工環(huán)境，還要確保通風(fēng)效果對(duì)掌子面的降溫情況，建議對(duì)高原地?zé)崴淼劳L(fēng)降溫等方面開(kāi)展相關(guān)專(zhuān)題研究，篩選優(yōu)化通風(fēng)方案，為同類(lèi)工程施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。