白龍江引水工程六盤山深埋長(zhǎng)隧洞通風(fēng)散煙設(shè)計(jì)研究

張 恒

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

對(duì)于深埋長(zhǎng)隧洞，解決施工期長(zhǎng)距離通風(fēng)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，既保證施工期通風(fēng)效果又能使隧洞經(jīng)濟(jì)合理是施工過程中比較難解決的矛盾。

六盤山隧洞是白龍江引水工程較長(zhǎng)的深埋隧洞，隧洞進(jìn)口位于水洛河左岸莊浪縣李家坪村，線路穿越六盤山主峰后到達(dá)華亭市策底鎮(zhèn)附近出洞，隧洞全長(zhǎng)55.929km，采用無壓輸水，斷面為圓形，襯砌后直徑為4.6m。該隧洞采用“TBM+鉆爆法+懸臂掘進(jìn)機(jī)”的組合施工方案，TBM掘進(jìn)段獨(dú)頭通風(fēng)距離19430m，鉆爆法施工段獨(dú)頭通風(fēng)距離2500m，由于隧洞海拔高、獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)及施工工期長(zhǎng)等因素，對(duì)隧洞斷面尺寸擬定、通風(fēng)方案、風(fēng)機(jī)設(shè)備選擇都帶來了一定難度。

六盤山隧洞施工支洞布置如圖1所示。

圖1 六盤山隧洞施工支洞布置圖

2 六盤山隧洞通風(fēng)方案分析

根據(jù)該隧洞施工布置和施工方案選擇，隧洞全線共布設(shè)9條施工支洞，主要用于隧洞施工期出渣、材料運(yùn)輸兼通風(fēng)散煙，初步擬定隧洞通風(fēng)方案為：隧洞進(jìn)口段采用鉆爆法處理，通過進(jìn)口工作面獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度2.5km，隧洞進(jìn)口作為通風(fēng)口；1#施工豎井控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1.97km，1#施工豎井作為通風(fēng)口；2#施工豎井控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1.74km，2#施工豎井作為通風(fēng)口；3#施工豎井控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為2.04km，3#施工豎井作為通風(fēng)口；4#施工豎井控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為2.22km，4#施工豎井作為通風(fēng)口；5#施工平洞控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為3.915km，5#施工平洞作為通風(fēng)口；6#施工豎井控制段獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1.29km，6#施工豎井作為通風(fēng)口；7#施工平洞控制段為TBM1和鉆爆綜合施工段，鉆爆法獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1.0km，TBM1掘進(jìn)最大獨(dú)頭通風(fēng)距離為19.43km，7#施工平洞作為通風(fēng)口；8#施工斜井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1.92km，TBM2掘進(jìn)最大獨(dú)頭通風(fēng)距離為5.94km，8#施工斜井作為通風(fēng)口；9#施工豎井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨(dú)頭最大通風(fēng)長(zhǎng)度為0.167km，TBM2掘進(jìn)最大獨(dú)頭通風(fēng)距離為8.567km，9#施工豎井作為通風(fēng)口；隧洞出口段采用TBM2和鉆爆法施工，最大獨(dú)頭通風(fēng)距離為7.38km，隧洞出口作為通風(fēng)口。六盤山隧洞通風(fēng)散煙均采用壓入式通風(fēng)方式。

六盤山隧洞通風(fēng)方案見表1。

表1 六盤山隧洞通風(fēng)方案 單位：m

3 六盤山隧洞通風(fēng)公式選擇

3.1 百米漏風(fēng)率公式

風(fēng)機(jī)供風(fēng)量按日本青函隧道公式計(jì)算：

(1)

式中，Qf—通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，m3/min；Q0—TBM工作面需風(fēng)量，m3/min；β—風(fēng)管百米漏風(fēng)率平均值，取0.6%；L—通風(fēng)管長(zhǎng)度，m。

3.2 通風(fēng)機(jī)全壓公式

風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算公式如下:

(2)

式中，Hf—風(fēng)機(jī)全壓，Pa；λ—摩擦系數(shù)，選用S級(jí)風(fēng)管，λ=0.015；d—通風(fēng)管直徑，m；β—風(fēng)管百米漏風(fēng)率平均值；ρ—空氣密度(與洞口高程相關(guān))，kg/m3；L—風(fēng)管長(zhǎng)度，m；Q0—風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量，m3/s。

3.3 通風(fēng)機(jī)功率公式

通風(fēng)機(jī)輸入功率計(jì)算公式如下：

(3)

式中，N—通風(fēng)機(jī)輸入電功率，kW；ηt—風(fēng)機(jī)全壓效率，取0.82；ηm—電動(dòng)機(jī)效率，取0.93；ηtr—傳動(dòng)效率，直聯(lián)時(shí)取1.0；其余變量含義同前文所述。

4 六盤山隧洞通風(fēng)計(jì)算

4.1 鉆爆法施工段通風(fēng)計(jì)算

4.1.1通風(fēng)計(jì)算原則

鉆爆法施工段通風(fēng)計(jì)算中，參數(shù)選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)按照爆破后，30min內(nèi)稀釋一氧化碳濃度至最高允許范圍考慮爆破排煙需風(fēng)量。

(2)應(yīng)滿足洞內(nèi)施工人員對(duì)風(fēng)量的需要，施工期通風(fēng)施工人員需風(fēng)量按3m3/(min·人)計(jì)。

(3)主洞內(nèi)采用鉆爆法施工時(shí)，掌子面考慮采用挖掘機(jī)扒渣，裝載機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)渣的出渣方式，洞內(nèi)通風(fēng)需滿足施工機(jī)械對(duì)新鮮風(fēng)量的需要，根據(jù)規(guī)范，結(jié)合本工程實(shí)際，隧洞內(nèi)柴油機(jī)械需風(fēng)量按4.08m3/(min·kW)考慮；

(4)為保證通風(fēng)質(zhì)量，掌子面處最小回風(fēng)速度按0.15m/s考慮。

4.1.2工作面需風(fēng)量計(jì)算

洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所用的需風(fēng)量計(jì)算公式為：

Qp=kpqpN

(4)

式中，Qp—隧洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所需要的總風(fēng)量，m3/min；qp—作業(yè)人員需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)，取3m3/(min·人)；kp—施工人員所需風(fēng)量修正系數(shù)，取1.35；N—洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)，取60人。

經(jīng)計(jì)算，洞內(nèi)作業(yè)人員需風(fēng)量為：Qp=243m3/min。

洞內(nèi)采用無軌運(yùn)輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)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，工作面考慮施工高峰期需要的內(nèi)燃機(jī)械使用情況為：挖掘機(jī)1臺(tái)(功率110kW)，裝載機(jī)裝載機(jī)1臺(tái)(功率為162kW)，汽車5臺(tái)(每臺(tái)功率為180kW，洞內(nèi)同時(shí)工作3臺(tái))，總功率為812kW。按稀釋洞內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車廢氣計(jì)算需風(fēng)量，柴油機(jī)械需風(fēng)量計(jì)算公式為：

Qm=∑βP/K

(5)

式中，Qm—柴油機(jī)械需風(fēng)量，m3/min；β—內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害氣體，按照有凈化裝置機(jī)械產(chǎn)生的CO氣體為9×10-5(m3/min·kW)；P—柴油機(jī)械總功率，kW；K—允許濃度，取0.008%。

經(jīng)計(jì)算，掌子面處的需風(fēng)量為：Qm=914m3/min。

按爆破后稀釋CO濃度至一次性允許范圍計(jì)算需風(fēng)量：

(6)

式中，Qb—稀釋CO濃度所需的需風(fēng)量，m3/min；t—爆破排煙所需的時(shí)間，取t=30min；G—同時(shí)爆破炸藥用量，圍巖級(jí)別按Ⅲ級(jí)考慮，每循環(huán)最大進(jìn)尺按3.5m計(jì)，正洞單位裝藥量取0.95kg/m3；A—隧洞橫斷面面積，m2；L—掌子面滿足下一循環(huán)施工的長(zhǎng)度，取L=300m。

經(jīng)計(jì)算，掌子面爆破排煙需風(fēng)量為：Qb=656m3/min。

洞內(nèi)允許最低風(fēng)速所需風(fēng)量計(jì)算公式為：

Qv=Av

(7)

式中，Qv—按允許最低風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量，m3/min；v—允許最低風(fēng)速，0.5m/s；其余變量含義同前文所述。

經(jīng)計(jì)算，滿足洞內(nèi)最小風(fēng)速要求的需風(fēng)量為：Qv=793m3/min。

4.1.3通風(fēng)計(jì)算結(jié)果

鉆爆法施工，洞內(nèi)最終需風(fēng)量Q=max{Qp、Qm、Qb、Qv}=914m3/min，按照壓入式供風(fēng)方式，計(jì)算得六盤山隧洞鉆爆法施工時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和功率結(jié)果見表2。

4.2 TBM施工段通風(fēng)計(jì)算

4.2.1風(fēng)管直徑擬定

六盤山長(zhǎng)隧洞樁號(hào)22+272.77m～37+272.77m段采用TBM1施工，樁號(hào)37+272.77m～57+951.44m段采用TBM2施工。內(nèi)燃機(jī)車、電瓶機(jī)車尺寸寬×高按1.2m×1.8m考慮，錯(cuò)車道岔選擇加利福尼亞道岔，道岔高度按500mm(自隧洞軌面至道岔軌面的距離)考慮，錯(cuò)車處相鄰列車間距不小于250mm，列車與兩側(cè)洞壁、頂部風(fēng)筒的間距不小于300mm，通風(fēng)管懸吊及下垂高度按200mm考慮，通風(fēng)管安全距離按300mm考慮，以此確定通風(fēng)管直徑為1.6m。

六盤山隧洞斷面布置如圖2所示。

圖2 六盤山隧洞斷面布置(單位：mm)

4.2.2通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

(1)主洞內(nèi)擬采用內(nèi)燃機(jī)車牽引列車時(shí)，每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車功率取150kW，采用電瓶車牽引列車時(shí)不考慮需風(fēng)要求。

(2)支洞擬采用MSV多功能運(yùn)輸車運(yùn)輸，施工期應(yīng)考慮支洞柴油機(jī)械設(shè)備的通風(fēng)需求。

(3)施工期通風(fēng)施工人員需風(fēng)量按m3/(min·人)計(jì)。

(4)根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本工程實(shí)際，隧洞內(nèi)柴油機(jī)械需風(fēng)量按4.08m3/(min·kW)考慮。

(5)為保證通風(fēng)質(zhì)量，洞內(nèi)最小風(fēng)速取0.50m/s。

(6)施工期施工人員需風(fēng)量、柴油機(jī)械通風(fēng)量高程修正系數(shù)。六盤山隧洞進(jìn)出口高程分別為1552.24和1525.37m，施工支洞進(jìn)口高程為1650～1875m，根據(jù)SL 642—2013《水利水電地下工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，工程大于1000m時(shí)，施工人員需風(fēng)量高程修正系數(shù)為1.3～1.5。

綜合考慮工程區(qū)高程，計(jì)算確定施工人員需風(fēng)量高程修正系數(shù)為1.34，洞內(nèi)柴油機(jī)械需風(fēng)量高程修正系數(shù)為1.66。

4.2.3工作面處需風(fēng)量計(jì)算

洞內(nèi)施工作業(yè)人員需風(fēng)量計(jì)算公式同鉆爆法，洞內(nèi)按70人考慮，經(jīng)計(jì)算，洞內(nèi)作業(yè)人員需風(fēng)量為284m3/min。

TBM施工主洞主要運(yùn)輸車輛為可以采用全內(nèi)燃機(jī)車或內(nèi)燃機(jī)車與電瓶車混合運(yùn)輸，內(nèi)燃機(jī)車每臺(tái)功率按150kW考慮，電瓶車不存在排煙問題，不必考慮通風(fēng)。洞內(nèi)柴油機(jī)械需風(fēng)量計(jì)算公式為：

Qd=∑qdkePdi

(8)

式中，Qd—柴油機(jī)械需風(fēng)量，m3/min；qd—單位功率需風(fēng)量指標(biāo)，4.08m3/(min·kW)；Pdi—柴油機(jī)械功率，kW；ke—柴油機(jī)械高程系數(shù)，取1.61。

考慮到內(nèi)燃機(jī)車為移動(dòng)柴油機(jī)械，故不能簡(jiǎn)單地作為工作面需風(fēng)機(jī)械，因其尾氣沿程排放，因此，主洞通風(fēng)需要的是洞內(nèi)風(fēng)的流動(dòng)。同時(shí)考慮列車在洞內(nèi)運(yùn)輸時(shí)的活塞作用，此通風(fēng)量可計(jì)入工作面需風(fēng)量。采用全內(nèi)燃機(jī)車牽引列車運(yùn)輸時(shí)，每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)功率取150kW，工作面處按2臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車考慮，功率利用系數(shù)取0.6，同時(shí)工作系數(shù)取0.6，以此計(jì)算工作面處內(nèi)燃機(jī)車需風(fēng)量。經(jīng)計(jì)算，工作面處的需風(fēng)量為709m3/min。

滿足洞內(nèi)最小風(fēng)速要求的需風(fēng)量計(jì)算公式同鉆爆法，隧洞開挖襯砌完之后的內(nèi)徑按擬定的4.6m考慮，經(jīng)計(jì)算，最低需風(fēng)量為520m3/min。

4.2.4通風(fēng)方案選擇

方案一：全內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸，施工供風(fēng)一次供至工作面處，風(fēng)機(jī)不接力

洞內(nèi)運(yùn)輸全采用內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸，供風(fēng)機(jī)布置在TBM始發(fā)的主洞洞口或施工支洞洞口，中間不采用風(fēng)機(jī)接力，通過風(fēng)機(jī)將洞內(nèi)需風(fēng)從洞口直接壓至掌子面附近，以滿足洞內(nèi)施工要求。工作面處需風(fēng)量按兩臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車同時(shí)工作考慮，內(nèi)燃機(jī)功率利用系數(shù)取0.6，同時(shí)工作系數(shù)取0.6，洞內(nèi)TBM運(yùn)行機(jī)制和運(yùn)輸方式暫按同一標(biāo)準(zhǔn)考慮，洞內(nèi)工作面處的需風(fēng)量取工作人員需風(fēng)量+內(nèi)燃機(jī)車需風(fēng)量與最小回風(fēng)速度需風(fēng)量二者最大值，工作人員需風(fēng)量+內(nèi)燃機(jī)車需風(fēng)量為993m3/min，以最小回風(fēng)速度計(jì)算的需風(fēng)量為520m3/min，因此，工作面處的最小需風(fēng)量為993m3/min。

方案一風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)計(jì)算成果見表3。

表3 方案一風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)計(jì)算成果

方案二：1臺(tái)內(nèi)燃機(jī)+1臺(tái)電瓶車雙機(jī)車運(yùn)輸，供風(fēng)一次供至工作面處，風(fēng)機(jī)不接力

該方案除洞內(nèi)牽引機(jī)車由兩臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車變?yōu)橐慌_(tái)內(nèi)燃機(jī)車+一臺(tái)電瓶車雙機(jī)車牽引列車外，其余條件均與方案一中保持一致。工作面處全部采用蓄電池機(jī)車卸車、組車，工作面處不考慮內(nèi)燃機(jī)車需風(fēng)量。工作面處施工人員需風(fēng)量為284m3/min，以洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量為520m3/min，取二者的最大值520m3/min作為洞內(nèi)總需風(fēng)量。

方案二風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)計(jì)算成果見表4。

表4 方案二風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)計(jì)算成果

國內(nèi)長(zhǎng)距離引水隧洞采用TBM施工工藝中，多采用雙機(jī)車進(jìn)行洞內(nèi)材料運(yùn)輸，六盤山隧洞通風(fēng)推薦采用方案二。

4.2.5通風(fēng)風(fēng)機(jī)配置

風(fēng)機(jī)安裝在主洞或施工支洞口外距洞口30m以上，以避免洞內(nèi)排出的污風(fēng)循環(huán)進(jìn)入風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)出口設(shè)30～50m鋼風(fēng)管與柔性風(fēng)管過渡，以避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊損壞風(fēng)管。

六盤山隧洞TBM段施工通風(fēng)系統(tǒng)配置見表5。

表5 六盤山隧洞TBM段施工通風(fēng)系統(tǒng)配置

5 結(jié)語

對(duì)長(zhǎng)距離TBM施工隧洞而言，通風(fēng)散煙既是施工難點(diǎn)，也是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因此，確定合理的通風(fēng)參數(shù)尤為重要。白龍江引水工程六盤山隧洞由于受環(huán)境制約，中間無法布置通風(fēng)支洞，TBM掘進(jìn)段獨(dú)頭最大通風(fēng)距離達(dá)19.43km，為降低了工作面需風(fēng)量，洞內(nèi)運(yùn)輸采用了電瓶車和內(nèi)燃機(jī)車的雙機(jī)車運(yùn)輸方案，并經(jīng)過計(jì)算，工作面需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和功率均能得到解決，最終達(dá)到安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)合理的目的。該工程目前為可研論證階段，尚未實(shí)施，六盤山隧洞的施工布置和通風(fēng)散煙設(shè)計(jì)將隨著項(xiàng)目的推進(jìn)進(jìn)一步細(xì)化論證，逐步達(dá)到最佳效果。