引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞施工通風(fēng)測(cè)試及特征分析

趙 力，王 琪，王 博，魏軍政，邵北濤

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

在水利水電、鐵路、公路等隧洞工程建設(shè)中，施工通風(fēng)至關(guān)重要，不僅為洞內(nèi)施工地點(diǎn)供給新鮮空氣、排除粉塵及有毒有害氣體，從而保障施工人員的健康與安全；也是維持機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件[1-2]。常見(jiàn)的施工通風(fēng)方法有壓入式、抽出式、混合式以及巷道式通風(fēng)等。通風(fēng)距離和環(huán)境質(zhì)量往往會(huì)對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工組織、建設(shè)工期等產(chǎn)生重要影響。隨著長(zhǎng)大隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)施工技術(shù)的發(fā)展，通風(fēng)面臨著需風(fēng)量動(dòng)態(tài)變化、通風(fēng)強(qiáng)度大、設(shè)備安裝維護(hù)復(fù)雜等諸多挑戰(zhàn)[3-5]。因此，為有效判別通風(fēng)距離并及時(shí)調(diào)整通風(fēng)方案，開(kāi)展施工環(huán)境通風(fēng)測(cè)試及特征分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在隧洞施工通風(fēng)方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作。金珍宏[6]通過(guò)分析地下洞室群施工特性，探討了通風(fēng)計(jì)算的方法和參數(shù)選擇；孫會(huì)想等[7]通過(guò)研究白鶴灘水電站尾水隧洞施工通風(fēng)，得出爆破散煙為大埋深獨(dú)頭隧洞施工通風(fēng)各影響因素中的關(guān)鍵因素，也是風(fēng)機(jī)選型的控制性因素；薛永慶[8]以引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞TBM工程為依托，利用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)不同送風(fēng)風(fēng)速、不同送風(fēng)管位置下的洞內(nèi)除塵效果進(jìn)行了研究；馮璐等[9]創(chuàng)新性地引入了無(wú)損接力風(fēng)機(jī)連接片以減少連接風(fēng)機(jī)風(fēng)量損失；楊照明等[10]介紹了新疆阿拉山口供水與生態(tài)建設(shè)工程采用的長(zhǎng)距離混合式分散供風(fēng)方式；此外，朱學(xué)賢、鐘為、常曉珂等[11-13]分別采用數(shù)值模擬研究隧洞內(nèi)有害氣體排放特性及驗(yàn)證通風(fēng)方案的可行性及可靠性；提出對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞工程，可統(tǒng)一考慮隧洞運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和施工通風(fēng)，條件允許時(shí)可增設(shè)通風(fēng)豎井，以減輕長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)難度。

本文分別以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段和鉆爆法施工段為研究對(duì)象，綜合采用溫濕度儀、氣體檢測(cè)儀等對(duì)洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析了正常通風(fēng)條件下洞內(nèi)不同工序、不同位置的溫度、濕度、氣體含量、粉塵分布等特征規(guī)律，可為通風(fēng)效果評(píng)估和通風(fēng)方案優(yōu)化提供參考依據(jù)和支撐。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是“十三五”期間國(guó)家加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程之一，對(duì)于破解陜西省全局性水資源瓶頸制約、實(shí)現(xiàn)水資源配置空間均衡具有重要意義。秦嶺隧洞是引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，聯(lián)通漢江和渭河流域，全長(zhǎng)98.3km，最大埋深2012m，設(shè)計(jì)流量70m3/s，縱比降1/2500。隧洞起點(diǎn)接黃金峽水利樞紐泵站出水池，出口位于渭河一級(jí)支流黑河金盆水庫(kù)下游右側(cè)支流黃池溝，沿線共布設(shè)14條施工支洞。隧洞采用鉆爆法和TBM法施工，其中鉆爆段采用6.76m×6.76m(寬×高)的馬蹄型斷面，TBM段采用直徑8.02m的圓形斷面。

隧洞位于亞熱帶季風(fēng)氣候與溫帶季風(fēng)氣候的分界線(南北方分界線)，氣象條件復(fù)雜。山體寬厚，埋深在1500m以上洞段長(zhǎng)達(dá)25km，輔助坑道選取異常困難。斜井?dāng)?shù)量多，最長(zhǎng)斜井5820m，斜井間的距離多數(shù)在5000m以上，多斜井貫通后易誘發(fā)部分煙氣“倒灌”。隧洞施工通風(fēng)距離長(zhǎng)，TBM段獨(dú)頭通風(fēng)距離超過(guò)12km，鉆爆法段獨(dú)頭通風(fēng)距離超過(guò)6km，同時(shí)隧洞地溫高，預(yù)測(cè)最高地溫41℃。以上都會(huì)對(duì)隧洞施工產(chǎn)生一定影響，也對(duì)施工通風(fēng)提出更高的要求。

2 TBM施工段通風(fēng)測(cè)試及特征分析

測(cè)試段選取TBM施工段5#斜井及主洞區(qū)間，各斜井位置關(guān)系如圖1所示。TBM由6#斜井始發(fā)向4#斜井方向掘進(jìn)，已完成5#-6#斜井之間區(qū)段的開(kāi)挖，目前掘進(jìn)4#與5#斜井之間的主洞區(qū)段。為了獲得隧洞正常通風(fēng)條件下洞內(nèi)不同位置處的溫度、濕度、巖溫、污染物濃度等環(huán)境參數(shù)，采用溫濕度儀、氣體檢測(cè)儀等對(duì)洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。

圖1 TBM施工段各斜井位置示意圖

掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度與洞壁溫度分布如圖2所示。掘進(jìn)時(shí)，在距掌子面約1000m的范圍內(nèi)，洞內(nèi)溫度為33.5～35.5℃，洞壁溫度在31.5～35.5℃；在距掌子面2000m以外，洞內(nèi)溫度降至30℃以下，洞壁溫度降至約31℃以下。非掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度和隧洞側(cè)壁溫度分布如圖3所示。非掘進(jìn)時(shí)，在距掌子面約1000m的范圍內(nèi)，洞內(nèi)溫度在31～35℃，洞壁溫度在30～35.5℃；在距掌子面約2000m外，洞內(nèi)溫度降至30℃以下，洞壁溫度降至28℃以下。

對(duì)比圖2和圖3可以看出：掘進(jìn)時(shí)，在掌子面附近，洞內(nèi)溫度高于洞壁溫度，TBM掘進(jìn)產(chǎn)生的熱量是洞內(nèi)溫度較高的主要原因。非掘進(jìn)時(shí)，在掌子面附近，洞壁溫度高于洞內(nèi)溫度，高巖溫是導(dǎo)致洞內(nèi)溫度較高的重要原因，隧洞壁溫在34～35.5℃，屬于高地溫隧洞段。高溫段主要集中在開(kāi)挖掌子面至一號(hào)鋼筋臺(tái)車(chē)約1000m的范圍內(nèi)。在TBM機(jī)頭末端，即距開(kāi)挖掌子面約200m處，為了給TBM噴射混凝土?xí)r提供壓縮空氣，設(shè)置有一臺(tái)水冷式空壓機(jī)，功率較大，產(chǎn)熱較多，因此在此處洞內(nèi)溫度和隧洞側(cè)壁溫度均較高。

圖2 掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度與洞壁溫度分布圖

圖3 非掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度與洞壁溫度分布圖

掘進(jìn)和非掘進(jìn)時(shí)，隧洞內(nèi)的濕度分布如圖4所示。隧洞內(nèi)濕度較大，掌子面附近相對(duì)濕度超過(guò)82%；隧洞中部相對(duì)濕度超過(guò)90%。這是由于掘進(jìn)時(shí)為降低TBM刀盤(pán)的溫度及降低隧洞內(nèi)的粉塵濃度，采用冷卻水冷卻刀盤(pán)，濕潤(rùn)石碴；同時(shí)由于隧洞內(nèi)部分區(qū)段裂隙水的存在，隧洞內(nèi)有較多的積水。隧洞處于相對(duì)封閉的環(huán)境，因此溫度升高時(shí)，隧洞內(nèi)的相對(duì)濕度會(huì)下降，溫度降低時(shí)，隧洞內(nèi)的相對(duì)濕度會(huì)增大。掘進(jìn)時(shí)段隧洞內(nèi)的溫度高于非掘進(jìn)時(shí)段，因此掘進(jìn)時(shí)段隧洞內(nèi)的相對(duì)濕度低于非掘進(jìn)時(shí)段；隧洞掌子面附近溫度較高，相對(duì)濕度較低，距掌子面較遠(yuǎn)的位置洞內(nèi)溫度下降，隧洞內(nèi)的相對(duì)濕度上升，隧洞內(nèi)的濕度縱向分布規(guī)律與隧洞內(nèi)的縱向溫度分布規(guī)律相匹配。

圖4 濕度分布圖

隧洞內(nèi)的CO含量分布如圖5所示。掘進(jìn)時(shí)隧洞內(nèi)CO含量高于非掘進(jìn)時(shí)。距掌子面約100m處為救生艙所在位置，作業(yè)機(jī)械設(shè)備較少，同時(shí)此處設(shè)置有負(fù)壓的除塵風(fēng)機(jī)，能夠去除較多的污風(fēng)，使得隧洞內(nèi)CO含量下降。在接近支洞口與主洞交叉處2000m的范圍內(nèi)，風(fēng)管內(nèi)的壓力大，漏風(fēng)量大，隧洞內(nèi)的風(fēng)速增大，通風(fēng)效果明顯，CO含量有所下降。掘進(jìn)時(shí)CO的含量較高，初步分析是源于TBM后部的鋼筋及混凝土臺(tái)車(chē)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生；同時(shí)，掘進(jìn)時(shí)有軌機(jī)車(chē)運(yùn)輸仰拱和鋼筋網(wǎng)片等材料，進(jìn)出洞次數(shù)增多，導(dǎo)致隧洞內(nèi)CO含量較高。

圖5 隧洞內(nèi)CO含量縱向分布圖

隧洞內(nèi)的氧氣含量分布情況如圖6所示。掘進(jìn)時(shí)隧洞內(nèi)的氧氣含量低于非掘進(jìn)時(shí)。在非掘進(jìn)時(shí)，掌子面附近的氧氣含量較低；在距離掌子面約200m的范圍內(nèi)有所上升；在距離掌子面約2000m至支洞口的位置，隧洞的氧氣含量有所下降；支洞口附近隧洞內(nèi)的氧氣含量最低，為19.8%。TBM掘進(jìn)時(shí)，掌子面附近施工人員較多，耗氧量增大，空氣中氧氣含量降低。距掌子面3000m左右的位置，隧洞內(nèi)進(jìn)行清淤作業(yè)的人員較多，氧氣含量下降。在隧洞與支洞交叉位置，設(shè)置有臨時(shí)施工設(shè)施用于調(diào)度，同時(shí)作為材料、人員無(wú)軌與洞內(nèi)有軌運(yùn)輸轉(zhuǎn)換的部位，氧氣含量不高。

圖6 氧氣含量分布圖

隧洞內(nèi)的粉塵分布情況如圖7所示。掌子面附近，掘進(jìn)時(shí)風(fēng)速大于非掘進(jìn)時(shí)，因此掘進(jìn)時(shí)隧洞內(nèi)的粉塵濃度低于非掘進(jìn)時(shí)。隧洞內(nèi)的粉塵未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的2mg/m3。

圖7 隧洞內(nèi)粉塵分布圖

3 鉆爆法施工段通風(fēng)測(cè)試及特征分析

對(duì)引漢濟(jì)渭出口段鉆爆法進(jìn)行測(cè)試，掘進(jìn)方向?yàn)閺某隹谙?#洞方向，隧洞內(nèi)采用壓入式通風(fēng)，采用2×132kW的軸流風(fēng)機(jī)，在距離洞口3000km的位置設(shè)置一處風(fēng)倉(cāng)，測(cè)試工區(qū)的位置如圖8所示。引漢濟(jì)渭出口段鉆爆法隧洞主要施工工序有鉆孔、爆破、出渣、架拱、噴混，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度為2天3個(gè)循環(huán)。

圖8 鉆爆法施工測(cè)試段位置圖

在鉆孔、爆破、出渣、架拱、噴混各個(gè)工序下，對(duì)掌子面、仰拱和二襯臺(tái)車(chē)(二襯臺(tái)車(chē)緊臨鋼筋臺(tái)車(chē))3個(gè)有人員施工作業(yè)的隧洞斷面以及風(fēng)管末端污染物的分布情況進(jìn)行了測(cè)試，獲得了溫度、濕度、CO、氧氣含量以及粉塵等在不同工序不同斷面下的變化情況。

洞內(nèi)溫度的分布如圖9所示。洞內(nèi)溫度低于27℃，符合多數(shù)施工規(guī)范規(guī)定的28℃的標(biāo)準(zhǔn)。出渣階段，由于掌子面附近較多大型機(jī)械聚集，洞內(nèi)溫度較其他工序高。噴混和架拱階段的溫度較為接近。鉆孔階段，采用濕鉆工藝噴水鉆孔，掌子面附近溫度較其他位置和工序低。

圖9 溫度沿隧洞分布圖

洞內(nèi)濕度的分布如圖10所示。鉆孔和噴混階段，由于采用濕鉆和濕噴工藝進(jìn)行施作，因此，掌子面附近濕度較大。在掌子面后部的斷面，由于溫度降低，空氣中的飽和水蒸氣壓力減小，即單位體積空氣溶解水的質(zhì)量下降，在單位體積空氣中的水分質(zhì)量不變的情況下，相對(duì)濕度有所上升。

圖10 濕度沿隧洞分布圖

隧洞內(nèi)CO的分布如圖11所示。可以看出，在鉆孔階段，隧洞內(nèi)的一氧化碳濃度較低；在出渣階段，洞內(nèi)的一氧化碳濃度顯著增大，但仍低于100ppm；在架設(shè)鋼拱架和噴混階段，洞內(nèi)的一氧化碳濃度較鉆孔階段偏高，這是受到前道工序出渣時(shí)洞內(nèi)CO含量較高的影響。在仰拱施作斷面處，由于鋼棧橋處車(chē)輛需在倒車(chē)行駛的狀態(tài)下爬高，導(dǎo)致此處一氧化碳濃度增大。

圖11 CO含量沿隧洞分布圖

隧洞內(nèi)SO2的分布如圖12所示。在各個(gè)工序中，SO2主要為爆破和電焊產(chǎn)生。在架拱和噴混階段，隧洞內(nèi)的SO2濃度較高；在出渣階段，隨著爆破產(chǎn)生的SO2逐漸擴(kuò)散到仰拱以后，且受隧洞內(nèi)仰拱和二襯臺(tái)車(chē)處鋼筋焊接的影響，SO2濃度在仰拱后的斷面顯著升高。

隧洞內(nèi)氧氣含量的分布如圖13所示。在鉆孔和出渣階段，掌子面附近的人員機(jī)械較多，導(dǎo)致掌子面附近的氧氣含量較低。在架拱和噴混階段，掌子面施工人員較少，同時(shí)空壓機(jī)向掌子面壓入空氣，因此掌子面處氧氣含量較高；仰拱處施工人員較多，隧洞內(nèi)的氧氣含量在仰拱處有一定程度的下降。洞內(nèi)氧氣含量滿(mǎn)足JTG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》要求氧氣含量不低于19.5%的標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 氧氣含量沿隧洞分布圖

隧洞內(nèi)粉塵濃度的分布情況如圖14所示。在鉆孔階段，隧洞內(nèi)的粉塵濃度較低，掌子面附近洞內(nèi)粉塵濃度低于2mg/m3。隧洞內(nèi)的粉塵濃度在噴混階段最高，其次為出渣階段。各工序階段粉塵均主要集中在掌子面至風(fēng)管末端的區(qū)段。洞內(nèi)其他部分的粉塵濃度主要是受到電焊和運(yùn)輸車(chē)輛尾氣煙塵的影響。

圖14 粉塵含量沿隧洞分布圖

4 結(jié)論

(1)TBM機(jī)械做功發(fā)熱是掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度較高的重要原因；非掘進(jìn)時(shí)洞內(nèi)溫度較高主要是受到高巖溫影響。高溫段主要集中在距離開(kāi)挖掌子面約1000m范圍內(nèi)；在距開(kāi)挖掌子面約200m附近，由于設(shè)置有空壓機(jī)，洞內(nèi)溫度和洞壁溫度均有提高。隧洞內(nèi)濕度較大，掘進(jìn)時(shí)隧洞內(nèi)的相對(duì)濕度低于非掘進(jìn)時(shí)段。

(2)TBM掘進(jìn)時(shí)，隧洞內(nèi)CO含量高于非掘進(jìn)時(shí)，氧氣含量低于非掘進(jìn)時(shí)。掘進(jìn)時(shí)，掌子面附近施工人員較多，氧氣含量較低。距掌子面約3000m處，清淤作業(yè)的人員較多，氧氣含量下降。掘進(jìn)時(shí)，掌子面附近的粉塵濃度低于非掘進(jìn)時(shí)。

(3)采用鉆爆法施工，洞內(nèi)溫度低于27℃，濕度高于80%。出渣階段，由于掌子面附近較多大型機(jī)械聚集，洞內(nèi)溫度較高。鉆孔和噴混階段，由于采用濕鉆濕噴工藝，掌子面附近濕度較大。

(4)鉆孔階段，隧洞內(nèi)一氧化碳濃度較低；出渣階段，一氧化碳濃度顯著增大。架拱和噴混階段，隧洞內(nèi)二氧化硫濃度較高；出渣階段，二氧化硫濃度在仰拱后的斷面顯著升高。鉆孔和出渣階段，掌子面附近人員機(jī)械較多，氧氣含量較低。架拱和噴混階段，掌子面處氧氣含量較高，仰拱處有一定程度的下降。鉆孔階段，隧洞內(nèi)的粉塵濃度較低，掌子面附近洞內(nèi)粉塵濃度低于2mg/m3。噴混階段隧洞內(nèi)的粉塵濃度最高，其次為出渣階段。粉塵主要集中在掌子面至風(fēng)管末端的區(qū)段。在爆破后需加大通風(fēng)量再進(jìn)行出渣作業(yè)。