龍崗特長鐵路隧道礦山法段施工通風方案研究

夏春華

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司,江蘇 南京 211899)

0 引言

近幾年以來,為了滿足日益增長的客流量需求,隧道工程的數量逐漸增多,特長隧道[1-2]、特大斷面隧道[3-4]、超深埋隧道[5-6]逐漸涌現。其中,由于特長隧道穿越地層距離較長,相較之下隧道洞身穿越地層條件更為復雜,施工面臨的涌水[7]、巖爆[8]、軟巖大變形[9]等不良地質更多,施工難度更大。與此同時,由于特長隧道掘進距離長,隧道內一氧化碳、二氧化碳、瓦斯等有毒有害氣體更易積聚,當有毒有害氣體濃度超標時,不僅會降低作業人員施工效率,影響工程進度,還會對作業人員生命安全造成嚴重威脅,為了確保施工安全,保障施工進度,研究隧道施工通風方案具有重要意義。

目前,國內外學者對隧道施工通風進行了大量研究,陳仲軍[10]借助ANSYS有限元軟件對廣東省赤竹坪隧道通風進行了數值仿真模擬,對隧道需風量、風壓等進行了計算,結合數值結果評價了隧道的通風效果;徐忠衛等[11]依托云南省某一螺旋隧道為工程背景,結合數值計算和室內模型試驗,研究分析了隧道風筒布置位置以及風速對隧道的影響,研究結果表明,風速對隧道施工通風的影響大于風機布置位置的影響。朵生君等[12-13]研究了TBM特長隧道的施工通風控制標準,提出了特長隧道在壓入式獨頭通風距離極限時可以通過增加風機臺數的方式來增加單臺壓入式通風極限距離。Wang等[14]通過物理模型實驗研究了互補式通風的可行性以及互換風量對隧道通風的影響。結果表明,雙管互補通風的技術方案是可行的,下坡的新鮮空氣通過橫通道流入上坡隧道,使得上坡隧道內部的污染物濃度降低;污染空氣通過橫通道流入下坡隧道,使得隧道內的風速降低,從而得到良好的通風效果。

綜上,國內外學者在隧道施工通風的通風效果、通風距離及風速對施工通風的影響方面做了大量研究,而對特長隧道多工作面施工通風的研究還較少。本文以新建深圳至深汕合作區鐵路龍崗隧道為工程背景,通過對風量計算及設備選型完成了特長隧道施工通風方案設計,研究結果可為類似工程提供一定參考依據。

1 工程概況

新建深圳至深汕合作區鐵路龍崗隧道位于深圳市龍崗區,隧道全長約18.2 km。其中,SSSG-7標段施工范圍為DK93+283—DK103+590,總長10 307 m,標段內隧道采用礦山法+盾構法施工,其中礦山法段采用4座斜井(嶂背斜井、大福斜井、大與斜井、園山斜井)輔助施工;盾構段隧道外徑為13.8 m,內徑為12.6 m,片厚為0.6 m,管片環寬為2 m,項目平面圖如圖1所示。

根據設計圖紙鉆探結果顯示,龍崗隧道有毒有害氣體主要為二氧化碳,無其他有毒有害氣體,為保證施工效率,隧道掘進時需保證作業空間二氧化碳體積分數低于0.5%。

2 斜井風機布置方案

根據相關規范和施工工作面安排,龍崗隧道施工采用各輔助坑道洞口獨頭壓入式通風方式,最大通風長度2 279 m,最大通風面積152.4 m2。通過對風量、風壓進行科學論證,合理選用通風設備,在滿足通風效果的前提下,進行合理調配風機的數量,在隧道凈空允許的情況下,采用大直徑風管,減少能耗損失。

2.1 嶂背斜井風機布置

嶂背斜井與正洞交于DK93+330斷面處,平面交角為51°6′45″,斜井長855 m,斜井坡度為10%,斜井井身共設置長30 m的緩坡道3處,利用緩坡段設置安全防撞裝置,緩坡段坡度均為2%,斜井洞口標高79.057 m,斜井與正洞交接標高-5.36 m,高差84.317 m,斜井運營期間作為避難所使用,同時作為排水通道和養護維修通道,按永久工程設計,采用復合式襯砌。根據施工條件隧道采用壓入式通風方式,風機布置如圖2所示。

2.2 大福斜井風機布置

大福斜井與正洞交于DK96+020斷面處,平面交角為135°12′24″,斜井長718 m,坡度為9.46%,大福斜井作為運營期的避難所,斜井井底設80 m長緩坡段,斜井井身設置長30 m緩坡段1處,利用緩坡段設置安全防撞裝置,緩坡段坡度均為2%,斜井洞口標高53 m,斜井與正洞交接標高-14.755 m,高差67.755 m。根據施工條件隧道采用壓入式通風方式,風機布置如圖3所示。

2.3 大與斜井風機布置

大與斜井與正洞交于DK98+200斷面處,平面交角為125°53′4.6″,斜井長764 m,坡度為10%,斜井井身共設置長30 m的緩坡段3處,利用緩坡段設置安全防撞裝置,緩坡段坡度為2%,斜井洞口標高75.219 m,斜井與正洞交接標高-1.165 m,高差76.384 m,斜井運營期不予利用,后期C20混凝土封閉。根據施工條件隧道采用壓入式通風方式,風機布置如圖4所示。

2.4 園山斜井風機布置

園山斜井與正洞交于DK99 +600斷面處,平面交角為134°6′37″,斜井長743 m,坡度為8.54%。園山斜井作為運輸通道和養護維修通道,按永久工程設計,斜井采用復合式襯砌。根據施工條件隧道采用壓入式通風方式,風機布置如圖5所示。

3 風量計算及設備選型

3.1 需風量計算

隧道施工通風需風量大小應綜合對比作業人員需風量Q人、最小風速需風量Q風、排煙需風量Q排、內燃機需風量Q內,取其中最大風量值為隧道需風量。

1)按照作業人數計算。工作面最多人數60人,作業人員供風量取4 m3/(人·min),由最低供風量確定的最小通風量為：

Q人=q×n=4×60=240 m3/min。

2)按照最小風速計算。工作面最小風速取0.15 m/s,隧道開挖斷面面積為152.4 m2,由最小風速確定的最小通風量為：

Q風=60×s×v=60×152.4×0.15=1 371.6 m3/min。

3)按照隧道排煙量計算。隧道煙量計算公式見式(1)：

(1)

其中,t為爆破通風時間,取30 min;P為風管全程漏風系數;隧道采用大風量供風,采用軟風管,考慮到實際使用過程中管理維護不善,百米漏風率平均值按1%進行計算,計算結果如下：

P=1/[(1-β)L/100)=1/[(1-0.01)×2 279/100]=1.25。

其中,G為一次爆破藥量,按150 kg計算;φ為淋水系數,取0.3;b為炸藥爆破時有害氣體產生量,取40 m3/kg;A為隧道斷面面積;L為隧道爆破臨界長度,計算如下：

L=12.5×G×b×K/(A×P2)=211.7 m。

由此,可計算得隧道排煙量需風量為：

4)按內燃機械設備總功率需風量計算。

內燃機械設備總功率需風量計算公式如式(2)所示：

Q內=k×∑NiTi

(2)

其中,k為內燃機械單位功率供風量,取3 m3/(min·kW);Ni為各內燃機功率,kW;Ti為同時工作內燃機設備利用率系數。

隧道施工按計劃只有開挖面裝碴設備是內燃機械,包括1臺挖掘機(額定功率為107 kW)、1臺裝載機(額定功率為81 kW)、3臺出渣車(額定功率為160 kW),罐車處于炮煙的擴散長度外,不做考慮。柴油機設備工作時的利用率系數：挖機取0.5、裝載機取0.65、出渣車取0.45,則：

Q內=k×∑NiTi=534.5 m3/min。

根據上述計算方法,各輔助坑道(單側最大作業長度)對應通風風量計算如表1所示。

表1 施工通風風量計算一覽表

綜上,嶂背斜井口因配備通風量不小于1 714.5 m3/min的通風設備,大福斜井口因配備通風量不小于1 673.5 m3/min的通風設備,大與斜井口因配備通風量不小于1 632.2 m3/min的通風設備,園山斜井口因配備通風量不小于1 645.9 m3/min的通風設備。

3.2 管道壓力損失及通風機全壓

通風機應有足夠的風壓以克服管道系統阻力,需滿足h>h阻,按式(3)計算：

h阻=∑h動+∑h沿+∑h局

(3)

其中,h動為管口動壓,一般考慮為50 Pa。

h沿=α×L×U×p×Q2×g/S3。

其中,α為風管摩擦阻力系數,取3×10-4;L為風管長度;U為風管周邊長,U=πD=5.652 m;p為漏風系數;Q2為掌子面最大風量;g為重力加速度,取9.8 m/s2;S3為風管截面積,S3=πD2/4=2.54 m2;D為風管直徑,1.8 m;h局為按照h沿的15%計算,取371 Pa。

根據上述公式計算得出嶂背斜井h阻=2 893 Pa,大福斜井h阻=2 460 Pa,大與斜井h阻=1 956 Pa,園山斜井h阻=1 650 Pa。

3.3 風機配置方案

通過計算可知,龍崗隧道各輔助坑道風機性能需求具體如表2所示,通過對比各種型號風機的性能與參數,考慮新購6臺變頻軸流風機,如表3所示。

表2 風機性能需求一覽表

表3 風機設備一覽表

3.4 風管配置方案

為了確保風管通風的氣密性,風筒采用具有阻燃性PVC材質的柔性風筒,風筒直徑1 800 mm,10 m/節。風管所有的接縫、接頭采用全密封式焊接,焊接區域寬4 mm,接頭采用拉鏈式接頭。風筒兩端均有拉鏈(塑料材質),為高強度PVC型,風筒接頭處內外層均設置有密封保護層,當內部壓力越高,接頭處就越緊,以確保通風過程中不漏風。

4 結語

本文以新建深圳至深汕合作區鐵路龍崗隧道為工程背景,通過對風量計算及設備選型完成了特長隧道施工通風方案設計。研究結果如下：

1)根據相關規范和施工工作面安排,隧道采取4個斜井獨頭壓入式通風方案,最大通風長度2 279 m,最大通風面積152.4 m2。

2)由需風量計算可知,隧道最小風速需風量Q風>隧道排煙需風量Q排>內燃機需風量Q內>作業人員需風量Q人,最大計算需風量為Q風=1 371.6 m3/min。

3)根據風壓計算可知,風管最大風壓為1 800.2 Pa,為了確保風管接頭處的氣密性,可采用具有阻燃性PVC材質的柔性風筒。