長大引水隧洞TBM施工通風方案設計

楊 剛

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本工程為新疆某在建的引水隧洞，隧洞直徑7.8 m，采用北方重工生產的敞開式TBM掘進，共計34.751 km的主洞段，引水隧洞具有施工距離長、開挖斷面大的工程特點。其中TBM施工段為26.021 km，分三段進行施工，分別為TBM5-1、TBM5-2和TBM5-3，最長段為TBM5-1，施工距離為8.846 km，縱坡為1/2310。自隧洞出口向進口方向掘進，分別通過隧洞出口、10#支洞和6#支洞。在10#支洞和6#支洞設置TBM組裝洞，組裝洞段長80 m，斷面型式為蘑菇型，斷面尺寸13.2 m×16.9 m。

工程區域地形地貌為低山丘陵區，地形開闊、起伏。海拔高程698 m～1410 m，相對高差712 m，最大埋深為718 m，隧洞圍巖巖性為華力西期變質黑云母斜長花崗巖、花崗班巖，次塊狀～塊狀構造。局部洞段節理裂隙發育，裂隙多以黑云母、石英充填，沿裂隙面以線狀水為主，裂隙中云母遇水軟化。巖石中石英合量一般25%～30%，巖石堅硬，隧洞設計圍巖級別以Ⅱ類和Ⅲ類圍巖為主。鑒于引水隧洞施工距離長，并包括三段TBM施工段和人工鉆爆段施工，引水隧洞通風情況復雜，需對引水隧洞通風方案進行精細設計，以保證一線生產人員的施工安全。

2 通風方案設計

2.1 隧洞通風標準

通風采用壓入式通風方式，根據設計要求，尾部回風速度不小于0.5 m/s，并滿足TBM二次通風風量、風壓要求。風機為高效變頻軸流風機，3 m處噪音≤85 dB；通風軟管單節長度不小于300 m，拉鏈連接[1-2]。

2.2 總體通風方案

本研究區域TBM掘進段采用軸流風機獨頭壓入式通風方案。風管采用2.2 m、單節長度300 m的低泄漏、無縫、拉鏈式軟風管。人工鉆爆段采用軸流風機獨頭壓入式通風方案，風管采用1.5 m，在各施工支洞分別安裝一臺2×75 W型軸流風機。

第一掘進段開始前，在3#勘探試驗洞洞口安裝1臺壓入式軸流通風機(2×90 kW)，為TBM5-1段施工通風。

TBM5-1段掘進貫通后，TBM5-1段通風改為自然通風，通風系統轉場至TBM5-2段，將風機安放在10#支洞洞口，通過風管將新鮮風壓入TBM后配套尾部，再利用TBM后配套上的二次風機向主機前部壓風。

TBM5-2段掘進貫通后，TBM5-2段通風改為自然通風，通風系統轉場至TBM5-3段，將風機安放在6#支洞洞口，通過風管將新鮮風壓入TBM后配套尾部，再利用TBM后配套上的二次風機向主機前部壓風。

將軸流風機順序安裝在3#勘探試驗、10#支洞、6#支洞洞外20 m～30 m，上方設防雨棚，采用門架式支架，滿足抗側風要求。將新鮮空氣通過風管壓入至TBM后配套尾部，與風管儲存筒相連，再通過后配套上的二次增壓風機繼續將風前壓，給工作面供風，污風從主洞斷面流出，再經過支洞排除洞外。風筒懸掛于隧洞中線頂部，每隔2 m設固定掛鉤。隧洞頂部設置2排錨固點，間距10 m，錨固點間利用Φ8鋼筋或鋼絲繩連接，TBM掘進時風筒延伸后拉直固定于Φ8鋼筋或鋼絲繩。其中，正洞與支洞轉彎處設置特制風管。

各施工段通風布置圖，見圖1～圖3。

圖1 TBM5-1施工段通風圖

圖2 TBM5-2施工段通風圖

圖3 TBM5-3施工段通風圖

2.3 隧洞通風計算

進行通風量的計算，以壓入式通風方式考慮，由于隧洞掘進距離很長，在風量計算時，隧洞通風長度應取炮煙稀釋安全長度，再分別通過計算整個通風系統的動壓、靜壓來確定系統所需要的風壓，以作為選擇風機的供風風壓標準。

2.3.1 TBM段風量計算

設計規定TBM尾部最小回風速度，TBM段按此要求計算風量：

Qmax=60·s·v=1432.8 m3/min

式中：s為隧洞斷面47.76 m2；v為允許最小風速，根據設計要求為0.5 m/s。

2.3.2 人工鉆爆段風量計算

根據《水工建筑物地下開挖工程施工技術規范》，在地下工程建筑物爆破開挖時需要風量Qr，應根據施工時多工序要求分別計算后取最大值[3-4]，即：

Qr=max(Qr1，Qr2，Qr3，Qr4)

(1)按作業人數計算：

Qr1=qmk=4×30×1.2=144 m3/min

(2)按最小風速計算[5]：

Qr2=60sv=60×0.15×60=540 m3/min

(3)按排除爆破煙塵計算[6]

(4)按稀釋和排除內燃機廢氣計算

采用無軌運輸，洞內內燃設備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應足夠將內燃設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，計算按下式計算[7]：

式中：t為通風時間，取30 min；b為炸藥爆炸時有害氣體生成量，取40 m3/kg；Φ為淋水系數，取0.3；l為循環進尺，1.5 m；q為單位耗炸藥量，1.26 kg/m3；G為同時爆破的炸藥消耗量，G=A×l×q，得113 kg；P為漏風系數，P=1/(1-L×P100/100)，得P=1.72；k為風量備用系數，k取1.2；l臨界為隧洞爆破臨界長度，l臨界=12.5×Gbk/Ap2，得l臨界=332 m；s為根據設計圖紙取平均值60 m3；m為根據以往同類隧洞施工經驗，m取30人；v為根據設計要求，v取0.15 m/s；K為功率通風計算系數，我國暫行規定為2.8 m3/min～3.0 m3/min；Ni為各臺柴油機械設備的功率；Ti為利用率系數。

根據漏風系數P=1.72，計算實際風量見表1。

表1 實際風量計算表

根據表1最大實際風量為1766.44 m3/min，采用2×75 kW軸流風機(風機風量2040 m3/h)，經計算得，選用直徑1.5 m的風管。

2.4 通風機選型及配置

鉆爆開挖時擬采用壓入式通風，新鮮空氣通過風管直接送到掌子面，污濁空氣通過洞身排出洞外。

根據設計，TBM施工期間的通風系統由主通風機、二次通風機、除塵風機組成，風管采用直徑2200 mm、每節300 m長的低泄漏、無縫、拉鏈式軟風管。主風機安裝在洞口附近(距洞口約30 m左右)，通過風管將新鮮風壓入至TBM后配套尾部，與風管儲存筒相連，再通過后配套上的二次風機繼續將風前壓。利用后配套上的除塵風機，經TBM主梁和管路，將掌子面的濁風，經除塵器過濾后向后排放[8-9]。

TBM施工段洞口主風機采用2×90 kW型，鉆爆施工段洞口主風機采用2×75 kW型。具體數量見表2。隧洞出口鉆爆完成后拆除2×75 kW風機至10#支洞口使用，并更換2×90 kW風機，待10#支洞及主洞鉆爆段完成后拆除2×75 kW風機至隧洞進口使用，并更換上2×90 kW風機。

表2 通風系統主要設備表

3 通風系統使用維護

考慮到本工程的特殊性和重要性，在引水隧洞通風方案具體實施過程中應成立專門的通風作業班組，負責不斷向前接長風管和風管的維修和更換。

(1)吊掛風管應“順直、挺直、緊扎、安穩”，以減少風阻和漏風。通風過程中，發現分管破損應及時修補，以確保隧洞通風順暢。

(2)引水隧洞外部風機啟動時，嚴禁一次啟動，至少分三次啟動，每次啟動均要間歇一段時間，時間間隔以5 s～10 s為宜，直至完全通電。風機啟動開/關次數視隧洞掘進距離長短而定，0 m～1500 m范圍內開/關3次，之后每延伸500 m須增加一次。

(3)引水隧洞在軟風管鋪設時，應當先將裝好軟風管的儲存筒運進洞內，再將軟風管全部拉出。更換軟風管的儲存筒前，必須關閉引水隧洞外部風機，待更換完畢檢查無誤后，再通知隧洞外部開啟風機，進行送風。

(4)隧洞停止通風時風管處于松弛狀態，其下部通行的車輛應引起注意，防止對風管造成刮傷。當水隧洞再次通風時，當管內風速大于10 m/s時會對管路產生很大的瞬時張力，通風電機應采用變頻電機。修補和接長通風管時，應關閉風機[10]。

(5)因本標段地處新疆北部，冬季氣溫低，洞口到洞內一定距離風管內外容易出現冷凝水，并結冰，應對洞口段的通風管做相應處理。

4 結論

(1)隨著我國基礎設施建設的快速發展，TBM已成為長距離引水隧洞的首選工法。TBM施工過程中的通風設計是隧洞總體設計的重要環節之一，隧洞通風的技術水平直接關系到一線生產人員的施工安全。長大引水隧洞合適的通風方案設計應綜合考慮到通風效果、施工難度、設備投入等因素。

(2)依據新疆某引水工程隧洞的工程特點，計算設計了相應的隧洞通風方案，現場應用證明，該隧洞所采用的通風方案效果良好。根據施工情況分階段進行通風設計，通風風量大，稀釋快，排煙時間短，充分滿足了排除煙塵的通風要求。隧洞施工作業環境好，極大提高了工作效率，保證了隧洞的施工質量、進度和施工安全。