引漢濟渭工程嶺北TBM 通風系統改造

簡江濤

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安710024）

隨著我國基礎建設的快速推進，TBM在引水、公路、地鐵等隧道開挖中得到了廣泛應用。TBM集隧道開挖、支護、出渣、通風除塵于一體，具有快速、安全、優質、環保等施工特點。通風系統作為TBM施工的重要保障，是影響TBM掘進效率和人員作業環境的決定性因素。

1 工程概況

引漢濟渭工程又稱陜西南水北調工程項目，用以滿足西安市、咸陽市、渭南市、楊凌區4 個重點城市及沿渭河兩岸的12 個縣級城市和6 個工業園的調輸配水工程。該項目是解決陜西關中、陜北缺水的戰略性水資源配置工程。引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，穿越秦嶺主脊的TBM施工段全長約34 km，是引漢濟渭調水工程的控制性項目。

TBM嶺北施工段全長16.13 km，分為第一階段和第二階段施工，輔助洞段包括5 號支洞、6 號支洞。項目采用從德國海瑞克引進的一臺敞開式硬巖掘進機（TBM S-795）進行施工，TBM刀盤開挖直徑為8020 mm，整機全長209 m，采用連續皮帶機出渣。

2 TBM 通風系統的重要性

TBM通風是隧道開挖的重要保障措施，其重要性主要體現在以下幾點：

（1）TBM開挖需要新鮮風供給氧氣，缺少通風會導致工人缺氧，嚴重時甚至昏迷。

（2）掘進施工產生大量灰塵，柴油機車也會排出大量油煙。灰塵和油煙聚集在TBM 區域會對作業人員造成身體損害，TBM通風可將灰塵和油煙壓出洞外。

（3）TBM 變壓器、電機、空壓機等會散發大量的熱，刀盤切削巖石、混凝土凝固也會產生大量的熱。熱氣集中在TBM區域會惡化作業環境、損害各項設備，且熱量會產生水霧影響電氣元件的絕緣。TBM 通風可帶走大部分的熱量和水霧。

3 前期通風存在問題

第一階段TBM施工最遠通風距離為11.7 km，通風方案為洞口獨頭壓入式通風。

第二階段前期施工利用5 號、6 號支洞形成的自然循環風，采用洞內采風方式。前期通風方式見圖1。

圖1 前期通風示意圖

掘進至5000 m 時，TBM 區域溫度已達39℃，濕度達到95%。工人作業環境極端惡劣，雖采取多種措施，環境溫度依然無法降低（見圖2 TBM區域冰塊降溫）。

圖2 TBM 區域冰塊降溫

高溫高濕環境還造成了20 KV 變壓器擊穿（見圖3）以及大量電氣元件損壞，由此導致TBM故障率高居不下，嚴重影響了TBM的施工生產。

圖3 20 KV 變壓器擊穿

4 通風系統問題分析

4.1 數據采集

為了解決TBM 通風問題，對整個隧道內的風向、風速、溫度、濕度、粉塵進行了測定，隧道內風向及測點布置見圖4。

圖4 隧道風向及測點布置圖

采用測量儀器對各測點的風速、溫度、濕度進行測定，其結果見表1。

表1 TBM 隧道內風速、溫度、濕度數據測量結果

4.2 數據分析

數據采集以后，邀請專業人士對隧道內回風風向、風速、溫度和濕度進行了分析。

（1）熱源分析：隧道內主要熱源有刀盤切削巖石發熱、TBM設備（變壓器、空壓機、電機等）散熱、襯砌混凝土凝固放熱、車輛排熱、巖溫等。

（2）風向分析：經測定，隧道內的風向主要為6 號洞口的進風通過主洞第一階段從5 號洞口溢出，第二階段的TBM回風也從5 號洞溢出。

（3）回風風速分析：6 號支洞與5 號支洞之間有少量風速，5 號支洞交叉口到TBM段的回風風速基本為0，襯砌斷面前方尚有少量風流動。

（4）進風風速分析：進風到達TBM 尾部時只有2.6 m/s，風速較小。風機功率較小且沿途風阻較大。

（5）溫度分析：隧道內高溫區域主要為TBM 區域、襯砌區域；隧道內任何部位風的溫度都高于洞外環境溫度。

（6）濕度分析：經分析數據可得出溫度高的區域濕度較大。

4.3 數據結論

對分析結果進行深入研究后得出以下結論：

（1）洞外環境為15℃時，洞內采集風的溫度已經為21℃，再經過沿途升溫后，到達TBM尾部的溫度已達29℃。對系統改造時需采用洞外取風方式。

（2）風送至TBM尾部時只有2.6 m/s 的風速，風量較小，必須加大供風量。

（3）襯砌臺車前部尚有少量風速，襯砌臺車后整個掘進段的風速都為0 m/s。襯砌臺車阻礙了隧道內的回風，必須加快襯砌臺車部位的回風速度。

（4）TBM第二階段回風會被第一階段的風進行阻隔，造成回風困難，見圖5 回風阻隔示意圖。

圖5 回風阻隔示意圖

5 通風系統改造措施

嶺南接應施工期間，TBM將進入高巖溫、大埋深施工區段，通風距離將達到16.5 km（5 號支洞4620 m+第二階段主洞段8920 m+嶺南接應段3000 m），超過現有通風設備通風能力，加上高地溫和高濕度影響，需要對現有通風方案進行優化，從而保證施工現場用風需要。

5.1 洞外取風

洞外取風的主要方式是在5 號支洞洞頂并行懸掛兩條Φ1.5 m 軟質風筒，主洞采用Φ2.2 m 的風筒由接力風機供風至TBM 上的二次風機上；5 號支洞洞口安裝軸流風機，5 號支洞交叉口向內1000 m 處增加接力風機以及DCR 系統，具體供風方案見圖6。

圖6 洞外取風示意圖

5.1.1 洞口主驅動風機的安裝

為了節約成本，洞外取風使用洞內的原風機。將5 號支洞與主洞交叉口的風機進行拆卸，然后采用平板車運至5 號支洞口。在5 號支洞口焊接風機托架，風機托架采用門架形式。利用25T 汽車吊車吊運到風機托架上進行定位安裝（見圖7 洞外風機安裝）。鋪設電纜并清理風機扇葉、電機、變頻器、控制柜等進行安裝。

圖7 洞外風機安裝

5.1.2 5 號支洞風筒的安裝

5 號支洞洞徑較小，安裝Φ2200 mm 的風筒會與行走車輛干涉。支洞風筒選用Φ1500 mm 的雙排軟風管，采用鋼絲繩并排懸掛于洞頂（見圖8 支洞雙排風筒）。施工前需對支洞內與風筒的懸掛干涉處進行清理，軟風筒的懸掛通過改造后的裝載機與南駿車配合進行。

圖8 支洞雙排風筒

5.1.3 洞口及喇叭口風筒變徑的安裝

在5 號支洞口和接力風機前端分別安裝Y 型接口，實現風機和雙排風筒的連接。Y 型風筒接口采用鋼板焊接而成（見圖8支洞雙排風筒）。

5.2 進風增速

5.2.1 增加接力風機

為了增加進風的速度，在5 號交叉口TBM方向1 km 處增加接力風機一臺，風機采用變頻器進行控制，風機安裝后效果見圖9 接力風機安裝效果圖。安裝工序安排如下：

（1）通過在地基上制作地錨以及利用現場的拱架，用20A工字鋼焊接制作接力風機的安裝托架。

（2）加工制作4 個吊耳，焊接在現場的拱頂拱架上，并安裝4 個5T 的倒鏈。

（3）將現有的風筒在此處切斷，然后通過4 個倒鏈將接力風機吊運至與現有風筒同一標高處。

（4）在風機下部焊接橫梁，橫梁完成后風機放于托架上并加固完成。

（5）風機機械部件安裝完成后，進行風機變頻器的安裝，并進行電源電纜和風機電纜的敷設和安裝。

（6）調試接力風機系統，然后連接Y 型風筒。

圖9 接力風機安裝效果圖

5.2.2 DCR 的應用

為了保證接力風機的供風充足，本次通風改造應用了DCR系統。DCR 風箱左右兩側各有一扇門，可根據供風量的大小來自動開合。風筒內的風量能滿足接力風機供給時，風門是閉合狀態；當風筒內的風量無法滿足接力風機抽取時，風門會打開采用隧道內的空氣進行補充；DCR 風箱安裝于接力風機的尾部，與Y 型接口進行連接。

5.2.3 降低風阻

為了降低風筒內的風阻，改造期間將風筒彎曲部位進行了順直，并對破損的風筒進行了修補和更換。

5.3 回風增速

在對風速數據分析后發現，TBM掘進主洞段回風速度基本為0 m/s。增加回風速度主要采取了以下措施：

（1）在襯砌臺車上安裝軸流風機

在襯砌臺車的空隙處安裝軸流風機，減少襯砌臺車對回風的阻礙，襯砌臺車前端和后端各安裝軸流風機4 臺，其安裝方式見圖10 襯砌臺車上軸流風機布置圖。

圖10 襯砌臺車上軸流風機布置圖

（2）在主洞段安裝射流風機

在主洞段每隔1 km 安裝一臺射流風機，射流風機將回風吹向出洞方向，可加快TBM掘進段的回風速度。

（3）阻隔5 號洞來風

據前面的數據分析得知，5 號洞的來風會阻礙TBM掘進第二階段的回風，因此需把5 號洞的來風進行阻隔，讓回風可順利的從5 號支洞溢出。回風采用條狀橡膠風簾進行阻隔，風簾固定于洞頂，使用鐵環與洞底鉤掛。機車和人員通行時將風簾底部掛鉤摘掉。

5.4 質量保證措施

通風系統的改造采取“合理布局，優化方案，工序控制，嚴格管理”的綜合管理措施以達到“防漏降阻”保證施工質量的目的。需采取的措施：

（1）風機的支架要求所有橫梁在同一平面且水平、焊接堅固、地錨≥25 cm。

（2）風機與支架之間增設橡膠緩沖墊，采用螺栓及拉筋焊接連接。

（3）風機進風口、出風口安裝防護網。

（4）做好裝載機腳手架的防護避免將風筒劃傷，懸掛風筒盡量縮短風筒與吊點距離，不得出現風筒吊點漏掛。

（5）需保證接頭的連接牢固、風筒安裝順直。

（6）電纜、控制柜鋪設及安裝位置可靠，風機接線盒的防水防潮處理。

（7）風機試運行期間，進行不間斷的風筒巡查。

5.5 安全保證措施

認真落實“安全第一，預防為主”的工作方針，嚴格執行“安全施工規范”和“安全規章制度”，落實“安全生產責任制”及“第一責任人制度”。

力求施工安全達到《水利水電工程建設安全標準》，杜絕特大、重大安全事故，杜絕人身傷亡事故和重大機械設備事故。

安全員配合好工班長來進行現場的管理，發現隱患及時提出整改。各工班上班前必須召開班前安全教育、提醒工人注意各項安全隱患。各工班需配備醫藥箱及應急藥品。有人受傷時，配合辦公室積極做好急救工作。安全員每天到現場值班，及時發現各部位的安全隱患,對安全違規行為及時制止并處罰。

6 通風改造效果

通風系統改造完成后，依照改造前的測點對風速、溫度和濕度進行了檢測。改造后與改造前的數據測定在不同日期的同一時間點進行，并進行了比較，比較結果如下：

（1）風速

改造以后TBM區域、襯砌臺車區域、主洞第二階段的風速增大較多；主洞第一階段和6 號支洞的風速減小（見圖11 改造前后風速比較）。因主洞第一階段開挖及襯砌作業已經完成，無人員作業，風速減小后對其影響較小。

圖11 改造前后風速比較

（2）溫度

改造以后TBM區域和襯砌臺車區域溫度下降5℃左右，主洞第二階段的溫度下降較小（2℃）；主洞第一階段和6 號支洞的溫度增加（見圖12 改造前后溫度比較）。

圖12 改造前后溫度比較

（3）濕度

由數據比較得知，隧道內濕度隨著風速的增大和溫度的降低而減小；溫度越高，則濕度越大。風速較低時，濕度將會凝聚在TBM區域無法排出。改造以后，TBM區域和襯砌臺車位置的濕度降低20%左右。

7 結語

本次通風改造歷時20 天，實現了洞外取風，降低了環境溫度和濕度；還提高了氧氣供應量，改善了工人作業環境。對TBM掘進效率和項目效益的提升具有積極作用，可為后續類似TBM施工提供有益借鑒。