緩傾角長斜洞獨頭式軟管通風技術

韋慶華，余金鳳

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

1 概述

某水電站壓力引水隧洞橫穿阿萊瓦河谷與印度河谷之間的山脈，由阿萊瓦河修建混凝土重力壩蓄水，經壓力隧洞引水至發電廠房，尾水流入印度河，總水頭約670 m。引水隧洞全長2366 m，坡比為0.384的斜洞段長度為1720 m，馬蹄形斷面，斷面大小根據現場地質工程師確定的圍巖巖石級別來定，巖石級別由A到F類變化時，支護類型變化或初襯厚度的變化導致洞徑為2.8～3.2 m，典型斷面面積為7.2 m2。

鉆爆、柴油機車輛運輸及開挖支護等工作，會造成大量有害氣體[1]：一是毒害氣體，主要來源于爆破炮煙、無軌運輸車輛柴油機不完全燃燒產生的廢氣[2]；二是粉塵，主要來源于巖塵、炮煙、水泥塵、煙塵等。常規緩傾角（6°～48°）斜井開挖施工中通常采用正井法、反井法或爬灌法施工，常利用反井鉆機施工導井，打通小截面導井后作為排渣和自然通風的通道[3]。導井開挖方法一般適用于長度為300 m以內的斜井，因為導孔超過300 m后容易出現塌孔、卡埋鉆以及孔的偏斜難以控制等[4]。而本工程斜洞段高差約670 m，斜洞長度約1720 m，遠超目前可實現的導井孔深，再加上山體陡峻，斜洞段洞頂覆蓋層厚度大，地形條件不適合另設施工支洞。在未設施工支洞，也無法實現導井自然通風的情況下，本工程斜洞段只能采用常規的鉆爆法進行開挖，必須使用機械通風方案。在引水隧洞通風施工中，傾角大于20°的斜洞尚未超過575 m，所以大高差長斜洞的通風問題是急待解決的一個難題，也成為緩傾角斜洞能否實現快速開挖施工的關鍵。

2 通風方案選擇

初步確定施工采用鉆爆法全斷面開挖，分上下游兩頭掘進。在平洞段和10%下坡段采用P-30B耙碴機配合柴油自卸車出碴方案；坡比為0.384的斜洞段，采用卷揚機接力牽引礦斗車、有軌運輸出碴至斜洞上游斜坡起點（樁號約CHA.0+525.902）或下游斜坡終點（樁號約CHA.2+245.481）處的卸渣平臺，再用柴油自卸車運至洞外堆渣點。

隧洞機械通風方式主要有壓入式、吸出式和混合式。壓入式是通過在新鮮空氣處安裝風機和風管將風送到工作面附近，同時壓迫污濁空氣向洞外排出，缺點是排煙過程煙塵將污染整個煙道；吸出式通風是在工作面附近安裝風機和風管，設置煙簾集中將污濁空氣抽出洞外，缺點是采用剛性通風管道和逐段移動風機，剛性管相對軟管安裝較為困難，移動風機費時費力；混合式通風是將壓入式和吸出式兩者結合，以較長距離抽風為主，短距離送入新鮮風。本工程隧洞斷面小，斜洞段無支洞無導井，單頭通風距離達到1200 m，且斜洞段落差大，洞內作業工種多，材料運輸十分不便。根據前述，選擇壓入式通風方案有利于提高工效和便于施工管理。

3 隧洞通風所需風量和風壓的確定

3.1 基本參數

通風量和風壓計算的基本參數按表1取用。

表1 計算參數表

3.2 風量的計算

根據《水利水電工程施工組織設計手冊第2卷》[5]（以下簡稱手冊）和《水工建筑物地下開挖工程施工規范》[6]（以下簡稱規范）要求，確定工作面需風量，需分別計算出滿足洞內最小風速所需空氣量Q1需、滿足施工人員需風量Q2需、爆破散煙所需風量Q3需和稀釋內燃機廢氣所需風量Q4需，取其最大者即為壓入式通風系統出風口的所需風量Q需。本隧洞工程上游最高高程為1 222.80 m，按規范均要對下述的Q2、Q3和Q4進行高程修正，查規范確定修正方法為分別乘以1.4、除以0.89和乘以1.3。

（1）按洞內最小風速計算風量Q1，Q1需=Q1=60Vmin×Sd=60×0.25×7.2=108（m3/min），式中：Vmin為洞內所需最小風速，查手冊取Vmin=0.25 m/s。

（2）按洞內最多施工人員計算風量Q2，Q2=Vp×M×Kp，式中：Vp為洞內人均最小風量，查規范取為3 m3/min；Kp為風量備用系數取1.2。則Q2需=1.4×Q2=1.4×3×30×1.2=151.2（m3/min）。

（3）爆破散煙所需風量Q3。①純稀釋炮煙需風量Q31。查手冊得Q31=（5GB）/t，式中：B為炸藥爆炸時折合產生的CO體積，選為40 L/kg。Q31=（5×26×40）/30=173.3（m3/min）；② 采用壓入式通風進行爆破散煙進行計算風量Q32。查手冊得Q32=21.4/t（GSdLf）1/2，式中：Lf為風管長度和稀釋炮煙到安全濃度的距離兩者取小，m。

從開挖面至稀釋炮煙到安全濃度的距離L′=400G/Sd=400×26/7.2=1 444.4（m）＞L=1200 m，故取Lf=L=1200 m，則Q32=21.4/30×（26×7.2×1200）1/2=338.1（m3/min）＞Q31，所以Q3=Q32，Q3需=Q3/0.89=338.1/0.89=379.9（m3/min）。

（4）稀釋內燃機廢氣所需風量Q4。根據規范規定，洞內使用柴油機械時，可按每千瓦每分鐘消耗4 m3風量計算，并與工作人員所需風量相疊加。拖拉機內燃機總瓦數為17.6 kW，未修正的稀釋內燃機廢氣計算風量Q4=4×17.6+30×3=160.4（m3/min），則Q4需=1.3Q4=1.3×160.4=208.5（m3/min）

比較以上Q1需、Q2需、Q3需和Q4需，取其中的最大值為需要風量，則Q需=Q3需=379.9 m3/min=6.33 m3/s。考慮風管漏風，則風機提供的風量應為：

Q機=Q需/（1-β）L/100=Q需P=379.9×1.20=455.9（m3/min）。

3.3 風壓計算

為將所需風量送入指定位置，并達到規定的風速，必須克服沿途阻力，并在出口保持一定的風速和風壓，則通風機應有足夠的風壓h機以克服管道系統阻力h阻，即h機＞h阻=h動+h局+h沿，h動為管口動壓，h局為局部壓力損失，h沿為沿程摩擦阻力。

（1）管口動壓h動取50 Pa。

（2）沿程摩擦阻力h沿計算采用達西公式：

式中：h沿為沿程摩擦阻力，Pa；λ為沿程摩阻系數，參考經驗取0.02；ρ為空氣密度，kg/m3；V管為管內風速，m/s。

h沿=1.2×0.02×（1 200×6.332）/（2×0.63×0.31 162）=9 432.7（Pa）

（3）局部壓力損失h局按沿程摩擦阻力的10%計算，即h局=0.1h沿。

因此，h阻=h動+h局+h沿=50+（1.1×9 432.7）=10 426 Pa，通風機總風壓能力應不低于10 426 Pa。

4 隧洞通風設備選型和布置

4.1 通風設備的選型

（1）風機選擇。根據計算風機應提供的風量、風壓，結合導流洞開挖時已購買的風機進行設備選型，現有數臺45 kW軸流風機和2×11 kW軸流風機，額定風量分別為760～480、390～250 m3/min，全壓分別為8000、3500 Pa，轉速均為2900 r/min。顯然，利用現有單風機，無法滿足獨頭供風需求，勢必影響到出風口的風速，此情況下常采用兩臺或多臺風機相串聯以提高全壓。串聯全壓一般略低于所有單風機的全壓之和，大風量風機宜作為第一級風機，運行中應適當調節風機以達到最佳的通風效果和合理的能耗。

（2）風管選擇。由式（1）可知，風管直徑與壓力沿程損失成反比，選擇大直徑風管通風有利于減小設備成本和能源消耗。一般情況下，取開挖面積的1/25～1/20為柔性風管過風面積，但考慮到隧洞斷面較小，盡量避免出現洞內運輸時風管被劃破等損壞現象，據此選配Φ630 mmPVC柔性風管，并能與風機相匹配。

4.2 通風布置

采用45 kW風機作為主力風機，通過后續2×11 kW風機串聯接力增壓，接力風機間隔距離不大于單機供風極限長度，按式（1）和h阻=h動+h局+h沿可反算出兩規格風機的理論極限供風長度分別為900 m和390 m，則兩級風機接力即可滿足通風。實際施工中隧洞風機布置分別如圖1和圖2所示。平洞段進尺150 m以內依靠自然通風，之后分別在上游段洞口處即樁號CHA.0+040.392和下游段交通洞口處各安裝一臺45 kW通風機往工作面提供新鮮空氣。在到達坡比為0.384的斜洞中施工后，隨著進深增加，上下坡式排煙所消耗時間也越來越長。為保證施工進度，在距離第一級風機約700 m處串聯第二級風機以提高風壓的方式來保持散煙需要的風速，第三級風機距離第二級風機約250 m。開挖進深越大，卷揚機接力牽引的礦斗車往返所需時間越多，而上下游平洞段使用的農用柴油機進出洞頻次大為減少，綜合現有設備考慮，第二和第三級接力風機全部采用2×11 kW軸流式通風機。掘進過程中，風筒出風口距離掌子面不超過15 m，隨進尺延伸。風筒選用Φ600 mm柔性管，牢固懸掛在洞壁一側。

圖1 引水斜洞上游段風機布置示意圖

圖2 引水斜洞下游段風機布置示意圖

5 加強隧洞通風的主要技術措施

（1）工種人員崗前培訓。各工種人員在上崗前，集中進行管道安裝、調試、維修、保養技術和操作規則等技能學習和安全操作培訓，不合格者不得上崗。

（2）落實責任，定機定人。通風機有專人值守，按規程要求操作風機，定期檢修和潤滑風機，使通風機始終保持良好的狀態。強化運輸設備維修保養，堅持燃油沉淀過濾制度，減少廢氣排放量。

（3）風管全程維護。施工中常檢查、勤維護，保證風管接頭嚴密。控制爆破藥量，藥孔堵塞密實。防止洞內運輸刮破風管和爆控制破飛石頭。輕微破損的管節，采用快干膠水粘補，粘補后30 min不得送風；嚴重破損的管節，要及時更換，降低漏風系數。

（4）自制水幕降塵器，最大限度降低炮煙、粉塵污染。在距離工作面約300 m處設置集水坑，安裝高壓水泵，用小鉆頭在Φ20 mm的鍍鋅鋼管鉆小孔，加工自制水幕降塵器閘閥裝設在靠近集水坑一側。水幕鋼管距離掌子面約20 m，在起爆前10 min開閘，起爆后持續噴水霧30 min，加速粉塵濕潤降落，最大限度地降低炮煙、粉塵等污染。

（5）設置隔煙簾。隧洞貫通后的通風主要為自然通風，風速和風量均能滿足要求。冬季時，隧洞內氣溫較高而氣壓低，容易將上平段的廢煙倒灌進斜洞段，必要時在CHA.0+525.0附近加設隔煙簾，以保證斜洞段混凝土澆筑和鋼管襯砌正常施工。

6 結語

（1）緩坡長斜隧洞采用多臺通風機接力通風，經詳細計算并結合現有通風設備選型，確保施工中排煙時間不超過30 min，有效提高工效。

（2）施工過程加強通風設備的維護，減少供風能量損失，采取水幕降塵器和隔煙簾等額外措施做好降塵防煙工作，保證通風效果，保障進洞施工人員的職業健康。

（3）無施工支洞和無導井條件下，實現超長距離斜井正洞通風，為其他類似隧洞工程提供借鑒。