棠棣嶺隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計及施工設(shè)備選型優(yōu)化

金 鵬,劉感爭,王卓君,包崇昊,楊 雪

(1.中交路橋南方工程有限公司,北京 101101;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

長大隧道施工中的通風(fēng)設(shè)計始終是保障隧道施工安全的重要事項。近年來我國鐵路里程迅速增長,使得隧道里程不斷增加,同時隨著施工環(huán)境的衛(wèi)生控制標準越來越高,隧道施工通風(fēng)設(shè)計的重要性也與日俱增。在隧道設(shè)計時進行通風(fēng)設(shè)計計算和損耗因素的分析,也是設(shè)備選擇及通風(fēng)優(yōu)化中必不可少的內(nèi)容。毛錦波等[1]以天山勝利隧道為案例,通過通風(fēng)計算和工序管理研究了隧道通風(fēng)方案和設(shè)備選型措施。郭世榮[2]通過對梨花頂隧道通風(fēng)方案分析,研究了具體的設(shè)備選型及通風(fēng)優(yōu)化依據(jù)和措施。蔡厚強等[3]在樂紅特長隧道通風(fēng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上研究了隧道通風(fēng)系統(tǒng)運營策略。通過對目前各類長大隧道設(shè)計方案的研究可以發(fā)現(xiàn),通風(fēng)施工方案的確定對通風(fēng)計算具有關(guān)鍵影響,繼而決定通風(fēng)設(shè)備的選擇[4-7]。以棠棣嶺隧道為研究對象,對通風(fēng)施工方案的確定進行介紹,通過通風(fēng)計算分析,確定設(shè)備選型方式并提出相應(yīng)的改進措施,給出了棠棣嶺隧道施工中的通風(fēng)優(yōu)化方法。

1 工程概況

棠棣嶺隧道位于安徽省黃山市黃山區(qū),隧道長9 038.225 m。隧道采用“正洞+斜井”掘進方案,從左向右按進口工區(qū)、牛角洞斜井工區(qū)、溪頭斜井工區(qū)及出口工區(qū)4個工區(qū)共5個工作面組織施工,各工區(qū)均采用無軌運輸。牛角洞斜井與線路大里程方向夾角為90°,綜合坡度6.68%,長858 m,采用無軌運輸雙車道斷面;溪頭斜井與線路大里程方向夾角為51°,綜合坡度7.38%,長756 m。進口工區(qū)施工段主體工程長1 435 m;牛角洞斜井工區(qū)施工段主體工程長3 478 m,斜井長858 m;溪頭斜井工區(qū)施工段主體工程長1 953 m,斜井長756 m;出口工區(qū)施工段主體工程長2 172.225 m。

2 通風(fēng)方案的確定

由于棠棣嶺隧道有較長的里程,僅憑隧道進出口兩側(cè)壓入式通風(fēng)以及自然風(fēng)無法達到供風(fēng)需求,因此隧道中間設(shè)置兩處斜井,并在斜井出口處設(shè)置軸流風(fēng)機提高隧道中段的通風(fēng)效果,保證隧道內(nèi)空氣與外界新鮮空氣的流通和交換。同時,以斜井劃分的三段隧道主體工程的通風(fēng)長度均超過1 500 m,在這種情況下依靠壓入式通風(fēng)有可能無法滿足預(yù)期要求,在風(fēng)管通風(fēng)距離較長的情況下會產(chǎn)生過多的摩阻損失,因此為滿足洞內(nèi)施工和爆破作業(yè)的排煙需求,需要在斜井、斜井與主洞交口處分別架設(shè)1臺射流風(fēng)機,與壓入式的軸流風(fēng)機配合控制洞內(nèi)氣流的流動方向一致,以確保隧道內(nèi)的通風(fēng)和空氣質(zhì)量。各工作面通風(fēng)方式如表1所示。

表1 棠棣嶺隧道各工作面通風(fēng)方式

3 施工通風(fēng)計算

隧道通風(fēng)設(shè)計時需要計算從工作面稀釋炮煙需風(fēng)量、施工人員和器械的需風(fēng)量以及允許最小風(fēng)速等,并考慮風(fēng)流在通風(fēng)設(shè)施中流動時存在的風(fēng)阻損失。

3.1 需風(fēng)量計算

(1)按排出的炮煙計算工作面需風(fēng)量。

鑒于放炮后的瞬間作業(yè)面周圍一段時間內(nèi)就已經(jīng)產(chǎn)生了炮煙,且在炮煙拋擲時間內(nèi)已有氣體的含量可以稀釋炮煙,故按下式進行估算

(1)

式中:Q1為工作面需風(fēng)量,m3/min;t為通風(fēng)時間,取30 min;b為炸藥在爆破時的危險空氣產(chǎn)生量,巖層中爆炸破碎取40 L/kg;G為一次爆破的炸藥量,kg,本次按Ⅱ類圍巖全段面開挖考慮,斷面面積為147 m2,每循環(huán)進尺3.0 m,炸藥單耗0.7 kg/m3,同時起爆藥量為3.0×0.7×147=308.7 kg;A為已掘進隧道開挖的斷面積,m2,本隧道取147 m2;l0為炮煙拋擲長度,m,l0=15+G/5=76.7 m。

經(jīng)計算,得Q1=1 682 m3/min。按照上述方法計算各個工作面排出的炮煙需風(fēng)量如表2所示。

表2 不同工作面排出炮煙的需風(fēng)量

(2)按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算需風(fēng)量。

Q2=kMQ

(2)

式中:k為風(fēng)量備用系數(shù),取1.2;M為在洞里同時工作的最多人數(shù),取60人;Q為洞內(nèi)每人每分鐘需要的新鮮空氣量,取3 m3/min。

最終計算得Q2=1.2×60×3=216 m3/min。

(3)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計算需風(fēng)量。

Q3=60VS

(3)

式中:V為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速,m/s;S為隧道斷面面積,m2。

全斷面工區(qū)斷面面積取147 m2,最小風(fēng)速取0.15 m/s。經(jīng)計算,得Q3=1 323 m3/min。按上述方法計算不同工作面的需風(fēng)量如表3所示。

表3 不同工作面的需風(fēng)量

(4)按稀釋和排出內(nèi)燃機廢氣的需風(fēng)量。

采用自卸汽車出碴,功率180 kW,采用裝載機裝碴,其功率165 kW。重車負荷率按0.8,空車負荷率按0.3,裝載機負荷率按0.7,所有設(shè)備利用率0.9。施工機械設(shè)備功率參數(shù)如表4所示。

表4 施工機械設(shè)備功率參數(shù)表

按稀釋和排出內(nèi)燃機廢氣的需風(fēng)量

Q4=3×N

(4)

(5)

式中:Ki為對應(yīng)機械的負荷率;Kt為對應(yīng)機械的利用率;Ni為對應(yīng)機械設(shè)備的額定運行輸出功率,kw。

隧道內(nèi)的每輛車裝碴循環(huán)停留時間約為6 min,隧道內(nèi)車速為12 km/h,重車的有效長度為1 200 m。隧道內(nèi)施工機械數(shù)量及稀釋施工機械尾氣的需風(fēng)量如表5所示。

表5 棠棣嶺隧道內(nèi)稀釋施工機械尾氣需風(fēng)量

(5)設(shè)計供風(fēng)量。

風(fēng)管百米漏風(fēng)率取1.5%。由于風(fēng)管的長度不一致,不同工作面漏風(fēng)系數(shù)值不同,如表6所示。

表6 不同工作面漏風(fēng)系數(shù)值

壓入式通風(fēng)以滿足掌子面最大風(fēng)量需求為主,不同工作面需風(fēng)量計算結(jié)果如表7所示。同時滿足稀釋隧道內(nèi)施工機械尾氣需風(fēng)量要求。

表7 不同工作面需風(fēng)量

3.2 風(fēng)阻損失計算

(1)沿程阻力損失計算。

沿程的阻力損失按公式(6)計算,管道的沿程摩擦阻力按公式(7)計算

hf=Rf×Q2

(6)

(7)

式中:hf為沿程阻力損失,Pa;Rf為沿程摩擦風(fēng)阻力,N·s2/m3;Q為計算幾何平均風(fēng)量,m3/s;α為管道摩擦阻力系數(shù),取2.0×10-3kg/m3;L為最大供風(fēng)距離,m;D為風(fēng)筒直徑,取1.8 m。

計算結(jié)果如表8所示。

表8 沿程摩擦風(fēng)阻力

幾何平均風(fēng)量按公式(8)計算。由于長距離通風(fēng)系統(tǒng)管路的泄漏問題難以忽視,在估計沿程阻力損失時,管道風(fēng)量取風(fēng)機風(fēng)量和工作面風(fēng)量之間的幾何平均值

Q=(Qj×Ql)1/2

(8)

式中:Q為幾何平均風(fēng)量,m3/s;Qj為風(fēng)機需風(fēng)量,m3/s;Ql為工作面風(fēng)量,m3/s。

由表1計算可以得到單樁承載力極限平均值為10 635 kN，極差與平均值的比為6.4%(<30%)，故單樁承載力極限為10 635 kN，遠超過設(shè)計單樁承載力極限值8 000 kN。

計算出的Q值如表9所示。

表9 各工作面幾何平均風(fēng)量 單位:m3/s

由幾何平均風(fēng)量計算沿程阻力損失hf,結(jié)果如表10所示。

表10 各工作面沿程阻力損失

(2)局部阻力損失計算。

局部阻力損失按公式(9)計算

hx=∑ξ×Q2/d4

(9)

式中:ξ為管道局部阻力系數(shù);Q為管道風(fēng)阻處風(fēng)量;d為管道直徑,m,取1.8 m。

管道局部阻力類型有:管道入口處,局部阻力系數(shù)為0.6,為棠棣嶺隧道進口及各斜井工區(qū);管道出口處,局部阻力系數(shù)為1.0,為棠棣嶺隧道出口及各斜井工區(qū);管道轉(zhuǎn)彎時,ξ=0.008a0.75/n0.8。式中a為轉(zhuǎn)彎角度;n=R/d,R為轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑,d為管道口徑。牛角洞斜井轉(zhuǎn)彎角度為90°,轉(zhuǎn)彎處曲率半徑R取6.5 m,經(jīng)計算,牛角洞斜井ξ為0.08;溪頭斜井轉(zhuǎn)彎角度為51°,轉(zhuǎn)彎處曲率半徑R取6.5 m,經(jīng)計算溪頭斜井ξ為0.05。經(jīng)計算各處局部阻力損失值如表11所示。

表11 各工作面局部阻力損失

總阻力損失計算結(jié)果如表12所示。

表12 各工作面總阻力損失

4 隧道通風(fēng)施工設(shè)備選型優(yōu)化改進措施

(1)軸流風(fēng)機:軸流風(fēng)機布置在洞口30 m處空氣質(zhì)量較好的位置,以保證壓入氣流的新鮮度,防止與排出氣流混合形成循環(huán)流動。按照以上部分的需風(fēng)量計算,在實際施工中需要通過軸流風(fēng)機性能與隧道施工計算需風(fēng)量的對比,保證風(fēng)機性能和實際通風(fēng)需求的匹配。如表13所示,隧道需風(fēng)量和軸流風(fēng)機供風(fēng)能力對比,考慮1.5 %的漏風(fēng)率以及摩阻損失,目前所選型號的技術(shù)性能均能滿足要求。

表13 各工作面風(fēng)機計算需風(fēng)量、風(fēng)壓及風(fēng)機選型

所選風(fēng)機在洞內(nèi)不同位置的風(fēng)量沿程變化,當(dāng)漏風(fēng)率由1.5%升至2%時,隧道內(nèi)各型號風(fēng)機的通風(fēng)能力將明顯下降,使得極限風(fēng)速下的風(fēng)量依然無法滿足要求。因此,在實際施工中仍需要加以輔助措施如架設(shè)射流風(fēng)機和降低風(fēng)管沿程摩阻損耗以提高洞內(nèi)的通風(fēng)水平。

(2)射流風(fēng)機:射流風(fēng)機布置在襯砌臺車、斜井與主洞相交位置及距離斜井洞口300 m處,在洞頂安裝預(yù)埋件,將射流風(fēng)機安裝在洞頂位置。棠棣嶺進口與牛角洞斜井小里程段貫通后,進口停止供風(fēng),在主洞內(nèi)每1 000 m布置一臺射流風(fēng)機,向外輸送污風(fēng)。棠棣嶺隧道大里程段,根據(jù)施工進展情況進行處理,對先施工完的段落在主洞內(nèi)每1 000 m布置一臺射流風(fēng)機,向外輸送污風(fēng)。通過射流風(fēng)機的增設(shè),實現(xiàn)隧道洞內(nèi)通風(fēng)水平的進一步提升。

(3)風(fēng)管:①合理選擇風(fēng)管型號和材質(zhì)。由于隧道采用壓入式通風(fēng),加大風(fēng)管直徑對降低摩阻損耗有顯著作用,風(fēng)管相應(yīng)選擇為1.8 m的拉鏈式軟質(zhì)風(fēng)管,以降低通風(fēng)管的變形和沿程摩阻損耗。風(fēng)管末端接10 m長的舊風(fēng)管,以減少爆破沖擊和飛石造成的風(fēng)管損壞。②優(yōu)化風(fēng)管安裝位置。洞內(nèi)風(fēng)筒分別布置在隧道調(diào)平層以上6 m的墻體上,距離掌子面的距離為5 m,防止對其他施工作業(yè)的影響。③風(fēng)管采用拉鏈接長。每節(jié)風(fēng)管的接頭有高強拉鏈,在風(fēng)管接長時提高風(fēng)管施工效率并保證連接強度。④改進風(fēng)管安裝形式。洞內(nèi)風(fēng)筒分別布置在隧道調(diào)平層以上6 m的墻體上,在洞身縱向每

3 m處打入膨脹螺栓,錨固深度不小于7 cm,安裝1個掛鉤。并在掛鉤上沿著隧道縱向通長拉設(shè)一根Φ8 mm鋼絲繩,以對風(fēng)管進行保護。

5 結(jié) 論

(1)棠棣嶺隧道全長約9 km,采用“正洞+斜井”的壓入式通風(fēng)可以提高隧道內(nèi)的通風(fēng)效果,并搭配射流風(fēng)機降低了斜井與主洞連通處的風(fēng)阻損失,有效改善了隧道各工作面的通風(fēng)質(zhì)量。

(2)確定了棠棣嶺隧道工作面在1.5%的漏風(fēng)率下的最小需風(fēng)量為1 596 m3/min,與所選風(fēng)機性能相匹配,滿足了施工需求并降低了施工成本。

(3)隧道風(fēng)壓損失隨通風(fēng)距離而上升,在通風(fēng)距離最長的兩段增設(shè)射流風(fēng)機可以有效提升隧道內(nèi)各施工段的通風(fēng)效果,同時選用的1.8 m直徑風(fēng)管進一步降低了風(fēng)壓的沿程損失。