基于能量理論隧道盾構(gòu)施工階段通風(fēng)技術(shù)的研究

徐昕

（昆山登云科技職業(yè)學(xué)院 215300）

引言

盾構(gòu)法是采用自動化施工作業(yè)的方法，施工速度快，勞動強度低，施工中不影響地面交通，能夠在復(fù)雜環(huán)境下施工，所以在隧道工程施工中得到廣泛的運用[2]。盾構(gòu)法施工主要是在推進過程中，盾體前端切削設(shè)備掘土，通過運土設(shè)備將掘土運出洞外，利用千斤頂裝置在盾體后端頂推盾構(gòu)前進，同時進行預(yù)制混凝土管片的拼裝，施工過程中依靠盾殼和管片支撐巖體避免坍塌。

圖1 盾體

圖2 推進系統(tǒng)油缸分組控制

圖3 泡沫及膨潤土系統(tǒng)示意圖

圖4 注漿系統(tǒng)示意圖

盾構(gòu)機既是施工設(shè)備，同時也是巖體的支護設(shè)施，是集挖土、注漿、導(dǎo)向、支護多種施工工藝的施工機具。隧道盾構(gòu)施工主要由盾體和后配套量大部分組成。盾構(gòu)機主要由盾體、刀盤、管片安裝機、螺旋輸送機、排土機構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備等幾部分組成，其各組成結(jié)構(gòu)件圖 1～4[3]。

盾構(gòu)機的基本工作原理：盾構(gòu)機的掘進→掘進中控制排土量與排土速度→管片拼裝[4]。

盾構(gòu)機的施工工藝為：在始末端分別開挖一個施工井，并在起始端井進行盾構(gòu)機的組裝，組裝完成后，盾構(gòu)機在千斤頂?shù)淖饔孟聫钠鹗级司诘貙友匾?guī)劃路線被推進，出土的同時安裝預(yù)制襯砌管片并注漿，終了盾構(gòu)機在末端井拆除。盾構(gòu)作業(yè)的施工流程見圖5。

圖5 盾構(gòu)作業(yè)的施工流程圖

從隧道盾構(gòu)施工的流程可以看出，隧道盾構(gòu)的施工起點和終點之間不相互貫通，隧道盾構(gòu)施工處于半封閉空間，施工過程中不能形成有效穩(wěn)定的風(fēng)向流動，在這種狀態(tài)下施工，工作環(huán)境比較差，施工的工作效率較低，針對于這種情況，就有必要對隧道盾構(gòu)施工過程中通風(fēng)技術(shù)進行研究，找出合適的隧道盾構(gòu)施工的通風(fēng)方式，營造良好的工作環(huán)境，提高工作效率，保障施工人員的身體健康，降低工程事故，提高工程質(zhì)量。

2 隧道盾構(gòu)施工階段主要污染源研究

隧道工程盾構(gòu)施工時，主要的污染源主要有有害氣體、各種粉塵以及溫濕度等其他有害污染源。這些污染源會破壞空氣質(zhì)量，嚴重危害著施工人員的健康。

2.1 各種有害氣體

在隧道盾構(gòu)施工過程中，會有各種有害氣體的產(chǎn)生。各種有害氣體主要包括：①盾構(gòu)運作過程中內(nèi)燃機工作產(chǎn)生的有害氣體；②在堅硬巖石爆破過程中使用的爆破燃料產(chǎn)生的有害氣體；③施工場地地下含有的有毒氣體，如CO、CO2、瓦斯和天然氣等等。這些有害氣體彌散在施工環(huán)境中，如不能及早的消除，對施工人員的身體健康產(chǎn)生很大的影響，甚至可能造成爆炸中毒等安全事故，所以要加強隧道盾構(gòu)施工的通風(fēng)，盡量降低空氣中有害氣體的濃度。隧道盾構(gòu)工程有毒有害氣體的濃度參考值見表1[5]。

表1 有毒有害氣體的濃度參考值

2.2 顆粒粉塵

在隧道盾構(gòu)施工過程中同時也伴隨著鉆孔、爆破、運咋、挖土等一系列的相關(guān)動作，這些過程同樣也會產(chǎn)生各種顆粒粉塵，比如鉆孔產(chǎn)生的巖塵、爆破產(chǎn)生的煙塵、碰混凝土產(chǎn)生的水泥粉塵、石棉粉塵、滑石粉塵、韓塵等等。這些有害氣體彌散在施工環(huán)境中，如不能及早的消除，同樣也會對施工人員的身體健康產(chǎn)生很大的影響。隧道盾構(gòu)工程粉塵濃度參考值見表2[5]。

表1 有毒有害氣體的濃度參考值

2.3 溫濕度等其他危害

在隧道盾構(gòu)施工過程中溫濕度、噪聲以及氣壓等條件不合適同樣也會對施工人員的身體健康產(chǎn)生很大的影響，施工的工作效率下降。一般要求隧道盾構(gòu)施工時，施工空間的溫度不超過30℃，噪音不能超過80dB。

3 隧道盾構(gòu)施工階段主要的通風(fēng)方法研究

隧道盾構(gòu)施工要求通風(fēng)的主要目的就是通過通風(fēng)換氣帶走有毒有害氣體或粉塵，降低其在空氣的含量以滿足施工的要求，營造良好的工作環(huán)境。通風(fēng)是利用自然能量或機械能量推動空氣流動，從而進行空氣的交換[5]。所以通風(fēng)的方式通常又自然通風(fēng)和機械通風(fēng)兩種，隧道盾構(gòu)施工由于環(huán)境的復(fù)雜以及施工距離較長，利用施工區(qū)域自然環(huán)境通風(fēng)是不可能達到上述環(huán)境要求，所以隧道盾構(gòu)施工一般都是采用機械通風(fēng)，主要有壓入式通風(fēng)、吸出式通風(fēng)、巷式通風(fēng)、混合通風(fēng)幾種方法[5]。

圖6 壓入式通風(fēng)

圖7 吸出式通風(fēng)

圖8 混合式通風(fēng)

圖9 巷式通風(fēng)

3.1 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)的方案見圖6。風(fēng)機工作后通過風(fēng)管將新鮮空氣輸送到隧道盾構(gòu)施工空間，風(fēng)管出口處形成正壓，在新舊空氣壓力差的作用下將污染空氣排出施工空間。壓入式通風(fēng)方式能在短時間排出施工空間的污染空氣，布置過程中選用的是柔性風(fēng)管，拆裝方便，造價低，但壓入式通風(fēng)由于在排氣時污濁空氣要經(jīng)過整個隧道，污染了隧道里的潔凈空氣，對施工人員的健康造成一定的影響。壓入式通風(fēng)適用于無軌運輸施工的隧道。

3.2 吸出式通風(fēng)

吸出式通風(fēng)的方案見圖7。風(fēng)機工作后隧道中的污濁空氣被風(fēng)機吸入通過風(fēng)管排出，隧道內(nèi)形成負壓，新鮮空氣通過隧道流入到施工空間。吸出式通風(fēng)方式同樣能在短時間較好的凈化施工空間的污染空氣，污染的空氣通過風(fēng)管排出，能夠保持隧道潔凈空氣不被污染，對施工人員不造成傷害，但吸出式通風(fēng)在布置過程中選用的是剛性風(fēng)管，拆裝不方便，造價相對較。吸出式通風(fēng)適用于有軌運輸施工的隧道。

3.3 混合通風(fēng)

混合式通風(fēng)的方案見圖8。混合式通風(fēng)結(jié)合了壓入式和吸出式通風(fēng)的優(yōu)點，克服了兩者的缺點，在施工空間附近布置壓入式通風(fēng)，在已完工作空間布置吸出式通風(fēng)，既能夠快速高效的凈化施工空間，有保護了隧道內(nèi)部潔凈空氣不被污染，有效的改善施工環(huán)境，提高施工人員的舒適度，提高工作效率，但混合式通風(fēng)在布置過程中風(fēng)機和風(fēng)管數(shù)量增加，造價高，排風(fēng)噪音大，布置對施工空間有一定的要求。混合式通風(fēng)適用于空間大距離長的施工隧道。

3.4 巷式通風(fēng)

巷式通風(fēng)的方案見圖9。巷式通風(fēng)在通風(fēng)排氣過程中充分運用隧道斜井和導(dǎo)洞等輔助坑道為通排風(fēng)路徑，既保證了排氣過程中隧道中潔凈空氣不被廢氣污染，又能縮短獨頭巷道局部空間通風(fēng)的距離，保證新鮮空氣快速有效的到達施工空間。但巷式通風(fēng)施工難度增加，對工期有一定的影響。巷式通風(fēng)適用于空間大距離長具備輔助坑道的施工隧道。

4 隧道盾構(gòu)施工階段需風(fēng)量及通風(fēng)設(shè)備的選擇研究

在隧道盾構(gòu)施工過程中通風(fēng)是首要考慮的安全問題，施工過程中具有良好的通風(fēng)，能夠為施工空間提供新鮮的空氣，營造良好的工作環(huán)境，不但能夠有效的提高工作效率，保障施工人員的身體健康，降低工程事故，提高工程質(zhì)量，而且還能確保施工機械和設(shè)備不被腐蝕，提供設(shè)備的機械效率。在隧道盾構(gòu)施工過程中，對于風(fēng)量的需求主要涉及到人員、設(shè)備、有害氣體等幾個方面。

4.1 施工人員需氣量Q1

隧道盾構(gòu)施工人員需氣量按公式（1）計算。

式中：Q-工作面風(fēng)量（m3/min）；q-單位時間內(nèi)人每需氣量通常q取3m3/min；m-同一時間參與工作總?cè)藬?shù)；k1-儲備系數(shù)，通常取1.1-1.15；K-需風(fēng)系數(shù)，通常取2.8～3.0m3/min。

4.2 凈化內(nèi)燃機廢氣需氣量Q2

隧道盾構(gòu)施工內(nèi)燃機產(chǎn)生廢氣需要凈化，使有害氣體降至允許濃度以下，凈化內(nèi)燃機廢氣需氣量按公式（2）計算：

式中：Ti-設(shè)備利用率。

4.3 允許最低平均風(fēng)速需風(fēng)量計算Q3

允許最低平均風(fēng)速需風(fēng)量按公式（3）計算：

式中：A-隧道斷面積，m2；V-最低平均風(fēng)速，m/s。

4.4 凈化爆破產(chǎn)生的廢氣需氣量Q4

凈化爆破產(chǎn)生的廢氣需氣量分壓入式通風(fēng)、吸入式通風(fēng)和混合式通風(fēng)分別計算。

（1）壓入式通風(fēng)需風(fēng)量按公式（4）計算

式中：G-同時爆破的炸藥量（kg）；φ-淋水系數(shù)；L-隧道長度或臨界長度，取兩者最小值。

通過計算分析上述幾種公式的計算結(jié)果，取計算最大值作為設(shè)計需氣量。

4.5 風(fēng)機工作風(fēng)量和風(fēng)壓的計算

（1）風(fēng)機的工作風(fēng)量Qn

風(fēng)機的工作風(fēng)量按按公式（7）計算：

式中：η-漏風(fēng)系數(shù)；Q-計算風(fēng)量。

（2）風(fēng)機工作風(fēng)壓的計算

風(fēng)機的工作風(fēng)量按按公式（8）計算：

4.6 通風(fēng)設(shè)備的選擇

通風(fēng)設(shè)備的選擇，工作風(fēng)量和風(fēng)壓要滿足上述公式計算的要求，同時要注意工作風(fēng)壓應(yīng)小于設(shè)備的允許工作壓力。在選擇通風(fēng)設(shè)備時要注意通風(fēng)設(shè)備的額定風(fēng)量不能低于上述公式的計算風(fēng)量，風(fēng)機和風(fēng)管的選擇要注意連接口徑一致性，選擇要合理，通風(fēng)機滿負荷壓力要大于風(fēng)管的總阻力。在選擇通風(fēng)設(shè)備時也要考慮到環(huán)保節(jié)能的要求盡量選用高效節(jié)能無級變速的風(fēng)機，選擇風(fēng)機是盡可能選擇風(fēng)量風(fēng)壓稍高于計算風(fēng)量風(fēng)壓的機型，避免風(fēng)機長期全負荷運轉(zhuǎn)，加速風(fēng)機的損壞，同時也能確保隧道盾構(gòu)施工通風(fēng)的需求。

5 隧道盾構(gòu)施工階段通風(fēng)管理的研究

加強隧道盾構(gòu)施工階段通風(fēng)管理，不但有利于隧道盾構(gòu)施工的順利進行，而且能夠有效的提高施工人員的工作效率和機械設(shè)備的機械利用率，降低能耗和施工成本，提高工程的經(jīng)濟效益。在隧道盾構(gòu)施工過程中就通風(fēng)管理還在一系列的問題，主要體現(xiàn)在管理工作不到位、專業(yè)技術(shù)和管理人員能力缺失、監(jiān)管制度不完善，這些問題的存在必然會對隧道盾構(gòu)工程施工過程中通風(fēng)效果產(chǎn)生影響，嚴重時會對施工人員和機械設(shè)備造成傷害，導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。為了避免上述問題的發(fā)生，必須對通風(fēng)管理人員、監(jiān)管技術(shù)人員進行嚴格的要求和通風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)進行合理的優(yōu)化。

5.1 加強通風(fēng)管理人員和專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)

充分利用空閑時間對通風(fēng)管理人員進行管理方面的理論知識、安全知識和思想素質(zhì)教育，提高管理人員的管理理念和安全意識。對于新入崗的專業(yè)技術(shù)人員必須進行崗前培訓(xùn)，學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)的安全操作規(guī)程，考核合格后方可上崗工作，并且不定期的對隧道盾構(gòu)施工各崗位的施工人員、管理人員以及專業(yè)技術(shù)人員進行安全教育和培訓(xùn)，做到人人懂安全，人人抓安全，積極參與通風(fēng)管理工作中來，努力提高通風(fēng)管理水平和通風(fēng)技術(shù)處理能力。

5.2 加強通風(fēng)設(shè)備的管理

通風(fēng)設(shè)計過程中認真驗算管道和風(fēng)機設(shè)計是否合理，是否滿足隧道盾構(gòu)施工空氣量的需求。通風(fēng)管道和風(fēng)機布置過程中確保風(fēng)管接頭連接嚴密，風(fēng)管安裝平順無障礙。在通風(fēng)設(shè)備工作運行過程中要定期不定期的檢查通風(fēng)設(shè)備運轉(zhuǎn)是否正常，檢查過程中發(fā)現(xiàn)風(fēng)管損壞或者接頭漏氣、風(fēng)機出現(xiàn)故障及時維修或更換，做到定期對通風(fēng)設(shè)備進行維護保養(yǎng)，確保通風(fēng)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

5.3 加強通風(fēng)效果的監(jiān)測

制定完善的通風(fēng)監(jiān)測制度，定期不定期對隧道盾構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果進行動態(tài)監(jiān)測，嚴格按照要求和步驟觀察記錄通風(fēng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析比對，發(fā)現(xiàn)異常及時通知相關(guān)管理人員和專業(yè)技術(shù)人員對通風(fēng)系統(tǒng)檢修檢查維修，確保通風(fēng)系統(tǒng)的良好運行，有效提高通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果，為隧道盾構(gòu)施工營造良好工作環(huán)境和空間，提高工作效率，加快工程建設(shè)進度。

6 總結(jié)

合理選擇通風(fēng)方式和通風(fēng)設(shè)備，能夠有效的提高隧道盾構(gòu)工作空間的環(huán)境，提高施工人員的工作效率和施工機械的利用率，保證施工人員的身體健康不受到傷害，加快工程建設(shè)進度，提高工程質(zhì)量，降低施工成本。隧道盾構(gòu)施工通風(fēng)技術(shù)的研究，能夠提高通風(fēng)管理人員的安全意識和管理水平，對合理優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)具有一定的推進作用。