特長隧道TBM法施工通風設計與設備安裝

胡洪菊 廖有林

（1.四川職業技術學院，四川 遂寧 629000；2.華電金沙江上游水電開發有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041）

0 引言

新疆某工程施工標段長距離隧道開挖工程是由支洞與主洞洞室等構成，主要采用TBM法施工。隧道內存在作業環境條件差、空氣流動性差、埋深大、隧道距離長、施工作業條件復雜及施工洞內布置難度高等特點，因此在隧道工程施工中，通風起著舉足輕重的作用。隧洞通風的好壞程度直接影響整個工程施工進度的快慢，關系到工程的完成質量，最重要的是涉及到隧道作業人員的人身安全、機械設備的工作穩定性，以及項目目標實現的可能性[1]。本文在充分考慮現場氣候、海拔等自然環境，綜合考慮降低通風系統長期運營成本的基礎上，研究分析特長隧道TBM法施工需風量、工作面回風速度需風量、風機出口風量、風機總風壓等，計算通風設備的供風量及設備功率，并提供設備選型、安裝方案等內容。

1 工程概況

新疆某工程施工標段隧道開挖工程，支洞長約6.243km，鉆爆法施工已經完成；主洞采用兩臺國內鐵建重工TBM上下游同時施工，洞徑7.0m，坡率1/2583，上游TBM掘進長度20.635km，下游TBM掘進長度19.635km[2]。為保證施工通風，在上游主洞距支洞7.873km處和下游主洞距支洞7.427km處，分別設立通風豎井各一座。

2 通風設計

2.1 方案比選

通風方式的優缺點見表1。

表1 通風方式的優缺點

鑒于本工程隧道長，考慮成本及實用性，結合TBM掘進及輔助工序開展時，可能產生粉塵、施工廢氣等情況，需向隧道內及時輸送新鮮空氣，保證工作面空氣質量達標。就上述3種通風方式的優缺點進行比較分析，宜選用隧道施工常用且通風效率高的壓入式送風方式[3]。

2.2 分段通風

隧道獨頭掘進長，通風難度較大，根據總體布局安排，將隧道施工期間通風分為二個階段[4]。

（1）第一階段施工通風。

TBM過豎井前：施工通風采用壓入式通風，上游TBM通風距離長度為14.136km（支洞6.243km+，主洞7.873km+，風機進風口距洞口距離20m）,下游TBM通風距離13.690km（支洞6.243km+，主洞7.427km+，風機進風口距洞口距離20m）,在支洞口處設置兩套壓入式風機，通過風管將隧道外的新鮮空氣送到TBM工作面。根據相關規范要求，壓入式風機供風量及風機功率宜保證隧道斷面風速不小于0.5m/s[5]。

（2）第二階段施工通風。

TBM過豎井后：上游TBM通風距離長度為12.762km，下游TBM為12.208km。TBM施工至豎井之后，將各自的風機轉場至通風豎井的風機硐室內，通過風管將新鮮空氣送到TBM工作面。若豎井與主洞段通風產生回流，在風機洞室內安裝風門，風門上只預留風筒位置，阻止豎井與主洞段的通風產生回流。

2.3 通風風量計算

通風計算主要以最長通風距離（即第一階段施工通風14.136km）計算，需要計算的內容為隧道施工需風量、工作面回風速度需風量、風機出口風量、風機總風壓，由此進行設備選型。

2.3.1 通風計算基本參數

通風計算基本參數見表2。

表2 隧道通風計算基本參數

2.3.2 風量計算

通過計算確定隧道供風量，風量計算公式：

式中：

Q人——按洞內最多工作人數計取；

Q風——按洞內允許最小回風風速計取；

Q機——按稀釋內燃機車廢氣風量計取。

（1）按洞內最多工作人數計算風量。

同時按工作的最多人數60人計算，則：

式中：

Q

人——施工人員所需風量；

q——洞內每一工作人員所需新鮮空氣，取3m3/min；

m——作業面同時作業的最多人數，取60人；

k——風量備用系數，1.1～1.2，取1.2。

（2）按洞內允許最小回風風速計算風量。

根據規范，工作面附近的最小風速不應小于0.15m/s，最大風速應不大于4m/s，綜合考慮隧道內人員、機械、設備等作業環境的要求，當采用壓入式通風，新鮮風通過風管直接輸送至TBM主機區,TBM施工洞內最小風速取0.5m/s[6]。則：

式中：

Q風——洞內最小允許風速情況下風量；

Vmin——洞內允許最小回風風速，0.5m/s；

S流——過流斷面面積，取34.7m2；

k——通風備用系數，取1.2。

（3）按稀釋內燃機廢氣計算風量。

根據掘進速度，洞內每臺TBM最多可有4臺內燃機小火車（每臺內燃機車發動機功率為180kW），1臺在中部錯車平臺待命，3臺同時運行，由于汽車平板車運行區間只是從支洞至主洞洞口，對TBM主洞施工段所需風量影響不大，暫不考慮平板車運行所需風量，則：

式中：

Q機——施工機械用風量；

Q0——每千瓦動力的空氣需求量，取4m3（/min·kW）；

∑W——同時在洞內作業的內燃機功率總和，kW，使用系數取0.5，3×180kW×0.5=270kW。

（4）洞內需求風量。

根據計算結果，洞內最大需風量Q需為21.6m3/s。

對應斷面風速34.7÷21.6＝1.61m/s，滿足風速≥0.15m/s、≤4m/s的要求。

（5）風機供風量。

根據風管生產廠提供的技術指標，風筒直徑Φ2.2m，風筒每100m漏風率P100=0.15%，通風距離總長14.136km。據此計算系統風筒漏風系數PL：

式中：

L——通風距離，取14136m；

隨著計算機應用技術的不斷成熟，網站和軟件開發在近年來快速發展，并由原來傳統的單機應用架構演變為分布式集群應用架構，零散的數據經過分布式應用架構體系集中統一管理，網絡數據信息爆炸的時代帶來的效應就是大數據技術的產出，進而推動分布式計算和未來智慧城市的發展。

P100——100m漏風率，取P100＝0.15%。

風機供風量應為：

（6）風壓計算。

風壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力，通風系統需要克服通風阻力后風筒末端風流的動壓，而克服阻力則取決于系統靜壓。

動壓計算：

式中：

ρ——空氣密度，1.24kg/m3；

v——末端管口風速，按控制設計通風量計算。

按照供風筒直徑Φ2.2m，總長14136m。

據風筒廠提供的技術指標，采用Ф2200mm PVC拉鏈式軟風筒，摩擦阻力系數α值取0.0025N·s2/m4；

供管道的摩擦風阻：

式中：

α——摩擦阻力系數，取值0.0025 N·s2/m4；

L——管道的全長，m；

U——管道的周長，m；

S——管道的截面積，m2。

管道風流沿程摩阻風壓損失：

局部阻力：

系統靜壓：

系統風壓：

根據上面計算結果，TBM施工選擇風機需要提供不低于2900.02Pa的風壓和27.43m3/s（1645.8m3/min）的風量。

（7）風機功率計算。

式中：

Q——風機供風量；

H——風機工作風壓；

K——功率儲備系數，取1.15；

η——風機工作效率，取85%。

式中：

η0——風機內效率，一般取0.75～0.85，小風機取低值，大風機取高值；

η1——機械效率，取1（風機與電機直聯取1）。

結論：本隧道工程按14.136km長度計算TBM風機所需供風量及風機功率為：風機風量為27.43m3/s；風機全壓為2920.02Pa；風機功率為108.37kW。

2.3.3 通風機選型

依據上述計算結論和施工距離及出渣方式，同時考慮經濟合理，通風機的供風量、風壓及電機功率應選用不小于上述計算值給定的范圍。結合國內外風機供應市場，考慮風機工作穩定性能，建議采用法國ECE、瑞典蓋雅等國際知名品牌風機。風筒可選擇常規型號Ф2200mm便于裝卸和維修的PVC拉鏈式軟風筒。通風設備性能參數見表3、表4。

表3 T2.140.2×75.4風機參數

表4 風筒參數

3 設備安裝

3.1 風機安裝

風機支架底部支座應采用混凝土基礎結構，風機支架采用鋼結構的硬性構件。

風機出口處設置加強型柔性連接裝置，為保證風機與連接構件的工作穩定性、安全性，增設附加設施以提高工作效率、減少漏風。在風機安裝時，通風機的機軸必須保持水平，風機與電動機用聯軸節連接時，兩軸中心線應在同一水平高度上。為保證安裝風機質量及安全，應先編制可行的安裝方案、同時對安裝人員進行培訓教育。風機安裝于支洞洞口或通風豎井的風機硐室內的支架上，不妨礙其他設備運行，風機基礎及其支架結構見圖1。

圖1 風機基礎及其支架結構

3.2 風筒安裝

風筒懸掛于隧道正上方，掛設平、直，順，以減少風管的局部阻力。在隧道頂部沿吊點線路打孔并安裝吊鉤（風筒吊鉤縱向間距10m，采用Φ16mm，L=150mm鋼筋，尾部焊吊鉤，沖擊鉆打孔并錨固）；然后用Φ6mm鋼筋做拉筋，確保拉結緊實、可靠，用緊線器張緊核驗，風筒吊掛在拉筋下部。動工使用前進行表觀性檢查，檢查粘接縫牢固平順，保證無損壞，接頭完好嚴密。

通風風筒需隨著TBM掘進的不斷前行同步向前延伸，為實現風筒的同步延伸，在TBM后配套尾部臺車上設軟風筒儲存器。軟風筒通過折疊存儲于分筒儲存器內，此風筒以雙拉鏈方式與已安裝新鮮風筒連接，隨著TBM推進的不斷前行，風筒逐漸從風筒存儲器中抽出，并懸掛在隧道拱頂上，從而實現一次通風風筒的同步延伸。支洞及主洞風筒的布置與安裝如圖2、圖3。

圖2 支洞段風筒布置圖

圖3 主洞段風筒布置圖

第一階段風機及軟風筒安裝：TBM組裝后期，大件設備運送至洞內后，按設計線路打孔安裝TBM施工段風筒；風筒懸掛拉線并適時懸掛軟風筒，此間洞口風機安裝就位，TBM風筒安裝完成后，軟風筒與風機聯接；然后拆除原支洞通風風筒，安裝TBM通風系統支洞軟風筒。支洞軟風筒安裝全部完成后，各自與主洞TBM后配套風筒儲存器完成聯接，通風系統安裝完成。

第二階段風機及軟風筒安裝：TBM在后配套通過各自通風豎井后，拆除支洞洞口風機，運至通風豎井風機硐室，完成支架及風機安裝工作，按要求砌筑風門，并在拐彎處安裝硬質風筒，硬質拐彎風筒風機硐室端與風機聯接，主洞端與后配套風筒儲存器中軟風筒相接，安裝完成。

4 結束語

特長隧道TBM法隧道施工中施工通風是長隧洞施工安全可靠的重要環節。在經濟合理的前提下，通風設備系統的選擇與安裝是確保隧道施工進度、工程質量和施工人員人身健康的重要措施。目前行業中在設計通風時主要考慮的是將自然環境中新鮮的空氣送至現場作業工作面,而在隧道內的濁氣通過風機回風量的計算相對較少，在一定程度上降低了自然環境中新鮮空氣在隧道工作面的有效利用率，以致隧道內通風效果不理想,應綜合考慮各方面的影響因素以達到最優的通風效果。