小直徑長距離泥水平衡盾構施工通風技術研究

裘水根

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海市天然氣崇明島——長興島段過江隧道采用盾構法施工，線路起始于長興島北過江井。線路走行在長江大橋東側，與長江大橋基本平行（圖1），出過江井后，線路穿越長興島北子江堤、長江北港水域、崇明島主江堤后上行接入崇明島過江井（在崇明清管站內）。

圖1 隧道線路設計示意

江中隧道段中心線全線距離長江大橋規劃紅線187～200 m。全線在江中設置3個平曲線半徑，半徑分別為7 770、7 230、3 000 m，越江隧道長約8237m。

圓隧道的襯砌結構內徑為3.4m，外徑為3.96 m，環寬為1.35 m，裝配式襯砌環全環分成6塊，由1塊小封頂塊F、2塊鄰接塊L和3塊標準塊B構成。采用通用楔形襯砌環形式，錯縫拼裝。采用塊間鑄鐵預埋件＋短直螺栓和環間彎螺栓接頭形式。隧道運營階段采用水填充，填充水位高于洞口約1 m。

2 通風方式選擇

本工程隧道內徑只有3400mm，掘進距離長且縱坡面呈“V”形，特別是當盾構進入上坡推進時，工作面產生的熱量和潮氣無法自然排出，不僅對盾構設備和工作人員的身體帶來不良的影響，而且也會嚴重影響測量工作的順利進行。

為了保證通風質量，采用壓入式通風，通風長度為8 250 m，通風管采用較大直徑軟管。由于本隧道送風距離長，獨頭通風困難，因此擬采用接力方案。因隧道空間有限，故通風管直徑按700 mm設計，布置于洞頂，利用管片內預埋螺栓連接懸掛（圖2）。

圖2 隧道風管布置示意

1）方案一：洞內二次接力通風。長距離接力通風時，每臺風機應保證其供應的風管出風口風量大于接力風機所需風量，因此風機放置距離應逐漸加大。初步設計地面放置1臺軸流式送風機F1，經深約22 m的豎井拐2個90°彎頭后進入TBM洞（此階段建議采用φ800 mm鋼制風管及彎頭），通過高強度PVC風管將新鮮空氣送2 000 m至洞內接力風機F2，接力風機F2送風約2 750 m至接力風機F3，接力風機F3送風約3 500 m至盾構機尾部（圖3）。

圖3 洞內二次接力通風布置示意

2）方案二：洞內一次接力通風。初步設計地面放置1臺軸流式送風機F1，經深約22 m的豎井拐2個90°彎頭后進入TBM洞（此階段建議采用φ800 mm鋼制風管及彎頭），通過高強度PVC風管將新鮮空氣送3 500 m至洞內接力風機F2，接力風機F2送風約4 750 m至盾構機尾部。

進一步分析，本隧道空間有限，因此配套風管直徑為700 mm，如采用洞內一次接力，則風機壓力過大（17 700 Pa），而所需風機體積過大也會造成洞內安裝困難。因此本隧道選擇二次接力，即由3臺風機供風的方案一。

3 隧道施工通風系統設計

3.1 風量的計算

風量計算按壓入式通風考慮，確定工作面需風量，需計算出滿足洞內除塵要求風速所需空氣量Q1，滿足洞內工作人員呼吸所需空氣量Q2，取其最大者即為壓入式通風系統出風口的所需風量Q需。經計算，Q1=157 m3/min，Q2=108 m3/min，故Q需=157 m3/min，為隧道工作面所需新鮮風量即F3風機風管出風口的風量。

1）由于采用接力通風，故應先計算F3風機所需的風量，供風長度為3 500 m，考慮風管漏風，經計算，F3風機提供的風量應為QF3=223 m3/min。

2）考慮接力通風方式，容易造成接力點風機吸入部分污風循環。因此F2風機風管出風口所供的風量應滿足1.05倍的F3風機所需的風量，即234 m3/min，供風長度為2 750 m，考慮風管漏風，則F2風機提供的風量應為QF2=308 m3/min。

3）同理，F 1風機風管出風口所需的風量為323 m3/min，供風長度為2 000 m，考慮風管漏風，則F1風機提供的風量應為QF1=395 m3/min。

3.2 各接力段通風阻力的計算

各接力段通風阻力的計算為摩擦阻力與局部阻力之和。經計算，F3通風阻力為6 171 Pa，F2通風阻力為9 240 Pa，F1通風阻力為11 055 Pa。

3.3 機械設備的選型

根據以上計算，風機應滿足風量、風壓要求，通風機性能參數選型如表1所示。

表1 通風機性能參數

需要說明的是，以上風機是按最長通風距離計算的，實際通風長度是漸進的，因此當通風距離較短時，變頻控制采用低頻頻率運行即可，待下一個接力風機工作時，再全負荷運行。此方案通風總功率為222 kW。

3.4 隧道焊接煙塵處理

結合本項目隧道口徑小、線路長、焊接點多、涉及范圍廣等特點，擬采用設置機械排煙系統的方式進行焊接煙塵的處理。通過設置機械排煙系統，利用一種吸除管道焊接煙塵的專用吸煙口（我公司已申請專利），通過排煙風機產生的負壓作用，將煙氣吸入管道，再由風機接力將煙塵通過排煙風管排送至不影響人員工作的區域外，使之自然飄散。同時將移動式煙塵凈化器作為現場零星焊接及局部焊縫返修焊接作業時的煙塵處理設備。

4 通風系統布置

隧道施工期間，整體的布置如下：隧道右側為掘進附屬管路，包括循環水管路，進、排漿管路，高壓風管，排污管及高壓線等；隧道左側每50 m設一避車臺供人躲避管片運輸車，每100 m安裝1個VMT導向系統的激光站支架。隧道正中間設軌道，供運輸管片電瓶車進出，風管設于最頂端（圖4）。

圖4 隧道施工主道的通風布置示意

此外，由于隧道施工工藝較復雜，隧道內設備、管路較多，施工期間車輛運行需要有交會，同時隧道內每隔1 000 m左右設有排漿泵站。在車輛交會區與排漿泵站處空間更是狹窄。風管設于最頂端，既不影響交通，也不遮擋VMT導向激光站所發出的激光。

5 結語

本文針對上海市天然氣崇明島—長興島—浦東新區跨長江管道工程的小直徑、長距離等特點，分析與研究了隧道施工的通風方式，主要結論與建議如下：

1）在小斷面、長距離盾構隧道施工中，通風計算以滿足作業人員的呼吸要求和洞內最小風速為主要控制指標。

2）經過計算，采用壓入式洞內二次接力通風的方案可以滿足長距離隧道施工的需要。

3）實際上在最前端的作業面——盾構機操控室和管片安裝區是通風效果最差的位置，由于隧道斷面小、設備復雜的特點，風管有可能不能延伸到作業面，從而降低通風的效果，這需要在現場施工中進一步優化方案。

4）對于小直徑、長距離隧道的通風，最理想的是采用“長壓短抽式”的混合式通風方式，即主要采用壓入式通風，將新風壓送至掘進面，同時盡量將掘進面區域的污濁氣體使用抽出式風機抽走。這種改進的通風方式，不僅可將盾體處的高溫空氣或由渣土帶出的有毒氣體迅速抽出，且能更好地改善施工人員的工作環境，值得進一步研究。這將會是今后小直徑、長距離隧道施工通風的主要方式。