宜萬鐵路八字嶺長大隧道施工通風技術應用研究

魏兆雷,李仲峰,張志磊

(中鐵四局集團宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443001)

宜萬鐵路八字嶺長大隧道施工通風技術應用研究

魏兆雷,李仲峰,張志磊

(中鐵四局集團宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443001)

通過對八字嶺隧道進、出口通風方案的設計、實施及在實施中對存在問題的解決方法進行研究,對壓入式通風、混合式通風、巷道式通風在八字嶺隧道的應用進行總結,為類似長大隧道施工的通風應用提供參考。

宜萬鐵路;鐵路隧道;通風;施工

1 工程概況

宜萬鐵路八字嶺隧道Ⅰ線隧道全長5867m (ⅠDK103+253～ⅠDK109+120),Ⅱ線隧道全長6014m(ⅡDK103+065～ⅡDK109+079),Ⅱ線位于Ⅰ線右側30m,其中,Ⅱ線進口3794m由Ⅰ線平導擴挖而成,隧道Ⅰ線與平導之間共設置9個橫通道。隧道斷面為開行雙層集裝箱列車電氣化單線鐵路隧道,隧道開挖斷面70～75m2,平導開挖斷面12～14m2。各橫通道位置見表1。

隧道進口由中鐵四局二公司施工,承擔八字嶺隧道Ⅰ線進口3932m、平導3794m及Ⅱ線3794m擴挖施工任務,采用鉆爆法開挖有軌運輸。隧道出口由中鐵四局四公司施工,承擔八字嶺隧道Ⅰ線出口1935m及Ⅱ線出口2220m施工任務,采用鉆爆法開挖,無軌運輸。

2 通風方案的設計、實施

通風方案是長大隧道施工方案重要的研究內容之一。由于宜萬鐵路八字嶺隧道是中鐵四局集團公司歷史上首次承擔的5km以上的長大隧道,施工通風經(jīng)驗不足,為使通風方案技術可行、經(jīng)濟合理,確保隧道施工的順利進行,分階段對隧道通風進行了設計。

表1 橫通道中線與平導和Ⅰ線正洞中線相交里程

2.1 洞內風量計算

施工通風所需風量按洞內同時工作的最多人數(shù)、洞內允許最小風速、一次性爆破所需要排除炮眼量和內燃機械設備總功率分別計算,取其中最大值作為控制風量。

2.1.1 正洞

(1)按洞內同時工作的最多人數(shù)計算

式中 3——每人每分鐘供應新鮮空氣標準,m3/min;

k——風量備用系數(shù),取1.25;

m——同一時間洞內工作最多人數(shù),取50人/工作面;

(2)按洞內允許最小風速計算

式中 V——洞內允許最小風速,m/s;

S——最大斷面積,m2,取75m2;

Q工作面=V×S×60=0.15×75×60=675m3/min;

(3)爆破排除炮眼所需風量

式中 A——同時爆破炸藥用量,kg。

按照Ⅲ～Ⅳ級圍巖,全斷面施工法計算每次爆破炸藥用量為

式中 q——每m3巖石爆破用藥量(1.1為實際施工用量);

s——坑斷面積,取75m2;

L——炮眼深度,取2.8m;

b——1kg炸藥爆炸時所產(chǎn)生的CO體積,一般b=40L。

t——通風時間,為30min。

(4)按內燃機械作業(yè)計算

內燃機械設備作業(yè)供風量3m3/(min·kW);

洞內主要配備大宇220挖掘機及ZLM -50E裝載機各1臺,功率約為230kW;

經(jīng)比選,取最大值1540m3/min作為控制風量。

2.1.2 平導

(1)按洞內同時工作的最多人數(shù)計算

m取15人/工作面

(2)按洞內允許最小風速計算

S取14m2;

(3)爆破排除炮眼所需風量

式中,q取2.5kg;S取14m2;L取2.2m;b取40L;t取15min。

經(jīng)比選,取最大值1027m3/min作為控制風量。

2.2 風阻及風機風量計算

式中 Q風機——通風機風量;

Q工作面——工作面所需風量;

P——風阻。

式中 L——風管管路長度;

β——管路平均百米漏風率,參考鐵路工程技術手冊,取1.3%。

2.2.1 正洞

根據(jù)施工安排,為主要施工工作面,按送風1.8 km設計;

2.2.2 橫通道

根據(jù)施工安排,為輔助施工工作面,需送風0.8km,通風時間 t取 60min,推算出 Q工作面= 770m3/min。

2.2.3 平導

根據(jù)施工安排,主要施工工作面按送風1.8km設計;P=1.31。

2.3 風機選型

常用軸流風機參數(shù)見表2。

表2 常用軸流風機參數(shù)

根據(jù)表2計算結果,正洞選擇 SDF(B)-NO12.5型通風機,平導選擇SDF(B) -NO11型通風機,橫通道選擇SDF(B)-NO10型通風機,風管選擇了便于裝卸與維修的拉鏈式軟風管。

2.4 方案設計及實施

2.4.1 隧道進口通風

隧道進口通風在隧道貫通前采用的通風方式有壓入式通風、巷道式通風及混合式通風,隧道進口通風方案共分為4個階段。

第一階段:平導和正洞均采用壓入式通風,平導采用1號軸流風機(SDF(B)-NO1155kW×2)向洞內供風,風筒直徑1.0m,當平導2號橫通道拐入正洞施工時,在平導口增設2號軸流風機(SDF(B ) -NO11 55kW×2)向橫通道內掌子面供風,風筒直徑1.0m;正洞采用3號軸流風機(SDF(B)-NO12.5110kW×2)向洞內供風,風筒直徑1.5m;進口第一階段通風布置見圖1。

圖1 進口第一階段通風

第二階段:通風采用巷道式通風,新鮮空氣由平導進入,平導風機1(SDF(B)-NO1155kW×2)及正洞風機2(SDF(B) -NO1155kW×2)均設置在平導PDK103+800處分別向洞內供風,當平導3號橫通道拐入正洞施工時,由4號軸流風機(SDF(B) -NO10 37kW×2)為其供風,PDK103+900處設置25kW射流風機(風機5),防止污濁空氣回流,平導及橫通道污濁空氣通過2號橫通道進入正洞后排出。隨著隧道的掘進和新開橫通道的施工,風機1、風機2、風機4、風機5向洞內前移,均按巷道式進行通風。進口第二階段通風布置見圖2。

第三階段:通風采用巷道式通風與混合式通風相結合,2006年10月平導已施工完畢,隧道Ⅱ線開始擴挖施工,Ⅱ線擴挖通風采用壓入式通風,采用風機6 (SDF(B) -NO1155kW×2)通風,同時在PDK103+ 900處設置風門,防止污濁空氣吸入洞內,洞內新鮮空氣由Ⅰ線正洞通過2號橫通道進入平導,Ⅰ線正洞和8號橫通道風機設置在平導PDK105+400處向掌子面供風,同時在正洞2號橫通道處設置3號軸流風機(SDF(B)-NO12.5110kW×2)抽出洞內污濁空氣,加速洞內的空氣流通,見圖3。

圖2 進口第二階段通風布置

圖3 進口第三階段通風

2.4.2 隧道出口通風

隧道出口通風主要采用壓入式通風,因施工采用無軌運輸,施工期間在距離隧道出口700m處增加了豎井,加強施工通風。隧道出口通風可分為2個階段。

第一階段:施工Ⅰ線正洞,采用壓入式通風,風機選用SDF(B)-NO12.5型風機,風筒直徑1.5m。見圖4。

圖4 出口第一階段通風

第二階段:Ⅰ線正洞施工1000m后,采用從橫洞口壓入式通風,污濁空氣通過豎井排出,豎井直徑1.5m,豎井內裝25kW射流風機1臺。出口第二階段通風見圖5。

圖5 出口第二階段通風

2.4.3 隧道貫通后通風

隧道Ⅰ線貫通后,在Ⅰ線隧道洞內設置4臺25kW射流風機,加速洞內空氣循環(huán),利用Ⅰ線隧道作為新鮮空氣及排污通道,組織隧道Ⅱ線施工,分別利用隧道進口、5號、7號、12號、14號共4個工作面施工Ⅱ線隧道,污濁空氣通過豎井排出,見圖6。

3 通風方案的實施效果驗證

圖6 隧道貫通后通風

該通風方案在實施中,經(jīng)過集團公司防疫部門對粉塵含量,CO氣體檢查、檢驗,空氣質量符合要求,能滿足施工需要,并保證了隧道的順利施工。

4 施工通風的經(jīng)驗及體會

4.1 通風方案的制定依據(jù)

(1)從理論上講一定要科學、合理,如果通風方案存在理論上的缺陷,就不能實施該方案。

(2)主要需考慮新風采集、回流風的的通道、一定功率的風機有效供風距離。新風采集源在理論上不能有和回流風重合的地帶,而功率一定的風機有效供風距離是設置風機位置的重要依據(jù)。

(3)方案制定后的現(xiàn)場檢查:核對方案實施情況及實施效果,并根據(jù)實際施工進度不斷做出局部調整,使其更能符合實際情況,方案的制定和實施不是一蹴而就,這是一個動態(tài)的過程。

(4)通風方案的實施效果相關因素:包括通風方案、風機功率、風機生產(chǎn)廠家、風筒質量、風筒維護、風筒接口、橫通道封堵程度和出砟方式等,僅從某個方面查找通風效果不好的原因是行不通的。

4.2 通風方式選擇

在八字嶺隧道施工中先后采用了壓入式通風、混合式通風、巷道式通風3種方式。在某一階段內,這3種方式是并存的。對于獨頭隧道,只能采用壓入式通風或者混合式通風,壓入式通風距離不能過長,超出風機的供風最大距離后,就應改為混合式通風,即將壓入風機往掌子面方向移動,移動的距離以該風機的有效通風距離為標準,同時在洞內安裝吸出式風機(風筒接到洞外),如果隧道長度超出壓入風機有效通風距離不大,可以考慮采用斷開式串接風機壓入通風方式。

對于有平導及橫通道的隧道,應采用巷道通風方式,局部采用混合式通風。八字嶺隧道進口在施工中一直以巷道通風方式(平導進入新鮮空氣,主洞作為排出污濁空氣通道)為主。

4.3 機械選型

通風機械的問題主要來源于風機制造廠,在八字嶺進口共選用了3家生產(chǎn)廠生產(chǎn)的風機,其實際使用效果差異極大,如采用南昌產(chǎn)某風機、咸陽產(chǎn)某風機及山西產(chǎn)某風機,在功率相同情況下就存在很大差異,致使方案設計后在使用中達不到預期效果。后期購入的風機就選用了效果好的山西產(chǎn)某風機,使用效果存在明顯區(qū)別。

4.4 通風管理

主要要做好風機和風筒的安裝及維護、風墻的設置、通風時間控制幾個方面工作,這是通風方案實施效果的重要保障。在實際操作中我們也因不夠重視這一基礎工作,使得洞內空氣質量一度變得很差。

4.4.1 風機和風筒的安裝

風機的安裝:風機支架要穩(wěn)固結實,減少運行中的振動現(xiàn)象,風機出口段最好設置一段加強型柔性風管,風管與風機聯(lián)結處應多道綁扎,減少漏風。風機的安裝應有一定的高度,使其和風管連接平順,減少吸風或者壓風的壓力損失。

風管的安裝:風管是整個通風系統(tǒng)中使用最多、影響最大的消耗材料,一般分為柔性風管和剛性風管,剛性風管有“成本高、質量大、搬運難、接頭多,加工誤差大、變形恢復難”等缺點,因此使用柔性風管居多。掛設風管要做到平直順暢,尤其穿越襯砌臺車時,更要注意這一問題。使用PVC拉鏈式風管時,應注意以下事項:

(1)應使其內反邊與風向一致,以減小風阻;

(2)為減少掌子面處因爆破帶來的風管消耗,在風管末端可以安裝40m長舊風管,其出口離掌子面保持30～40m距離;

(3)為防止運輸機械掛壞風筒,風筒的掛設必須保證一定高度;

(4)平導空間有限時,風筒盡量靠近拱頂布設,并利用舊風管制成的繩條每間隔一定距離將風筒兜住,避免風筒的懸垂被運輸車輛掛壞;

(5)及時粘補破損的風筒,防止漏氣。

4.4.2 風門的設置

在巷道通風方式中,橫通道必須設置風門,風門對通風的影響十分明顯,八字嶺隧道進口在采用巷道通風方式后,在一定時期內沒有設置風門或沒有能及時設置風門、設置風門后無人管理使其形同虛設。在隧道掘進深度不大時(6通貫通前),對通風效果影響不明顯,而在6通輔助掘進工作面與主洞工作面貫通后,由于風門漏風影響,大量污濁空氣回流到平導,再次被風機吸入,形成內循環(huán)風,造成主洞大部分位置污濁空氣滯留洞內。經(jīng)過簡單試驗證明,一個密封不嚴的風門,使得主洞空氣風速在風門前后降低一半,致使巷道通風效果變差。

因此尤其要重視風門的設置和密閉問題,做到有專人管理風門的開關和維護,保證巷道通風流向的形成。

4.4.3 通風時間的控制

應制定科學的通風時間,控制及相應的通風強度。如放炮后通風強度、通風開啟和持續(xù)時間,打鉆、無軌出砟通風時間及通風強度。

5 結語

八字嶺隧道是我集團公司2004年承擔的第一個長大隧道,施工通風對于長大隧道來說是一項重要難題之一。施工前,對隧道通風方案進行了計算、設計并組織進行了評審,施工中,根據(jù)通風的效果、通風存在的問題對通風方案進行了完善、優(yōu)化,較好地解決了八字嶺長大隧道施工通風,保證了隧道正常順利的施工。

[1] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊·隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1981.

[2] TB10003—99,鐵路隧道設計規(guī)范[S].

[3] TB10204—2002,鐵路隧道施工規(guī)范[S].

[4] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建鐵路宜昌至萬州段八字嶺隧道設計圖[Z].武漢:2004.

[5] 中鐵四局集團宜萬鐵路工程指揮部.新建鐵路宜昌至萬州段八字嶺隧道Ⅱ線設計圖[Z].湖北宜昌:2006.

[6] 中鐵四局集團宜萬鐵路工程指揮部.宜萬鐵路八字嶺隧道實施性施工組織設計[Z].湖北宜昌:2004.

[7] 中鐵四局集團宜萬鐵路工程指揮部.宜萬鐵路八字嶺隧道Ⅱ線實施性施工組織設計[Z].湖北宜昌:2006.

U453.5

A

1004 -2954(2010)08 -0141 -04

2010 05 17

魏兆雷(1964—),男,工程師,1999年畢業(yè)于上海鐵道學院鐵道工程專業(yè),E-mail:weizhaolei1@163.com。