鉆爆法特長隧洞施工通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)

耿 新 春

(新疆新華水電投資股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

鉆爆法特長隧洞施工通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)

耿 新 春

(新疆新華水電投資股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

以一條隧洞施工通風(fēng)為例，在計(jì)入隧洞回風(fēng)阻力及損失的條件下，重點(diǎn)從施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、通風(fēng)量、通風(fēng)阻力及風(fēng)管安裝等方面探析了長距離隧洞通風(fēng)施工技術(shù)。

隧洞，通風(fēng)量，回風(fēng)，通風(fēng)阻力

0 引言

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，是葉爾羌河干流梯級規(guī)劃中“兩庫十四級”的第十一個(gè)梯級，在保證向塔里木河生態(tài)供水3.3億m3的前提下，工程承擔(dān)防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)。壩址控制流域面積4.64萬km2，水庫正常蓄水位1 820 m，最大壩高164.3 m，總庫容22.51億m3，控制灌溉面積427.5萬畝，電站裝機(jī)容量730 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量23.32億kW·h，屬大(1)型Ⅰ等工程。

樞紐工程由攔河壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房等主要建筑物組成。

目前，國內(nèi)外在設(shè)計(jì)通風(fēng)時(shí)只是考慮將新鮮的空氣送至開挖工作面，而忽略了新鮮空氣送至開挖工作面后，隧洞回風(fēng)時(shí)受到的阻力及損失，因此導(dǎo)致洞內(nèi)通風(fēng)難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

阿爾塔什水利樞紐庫壩區(qū)位于昆侖山西段葉爾羌河中游峽谷河段，屬中山區(qū)。近場區(qū)在構(gòu)造單元上處于西昆侖海西褶皺系和塔里木地臺兩大構(gòu)造單元的交界處，之間以米亞斷裂為界，帶內(nèi)可劃分出兩個(gè)次級構(gòu)造單元，由西向東分別為鐵克里克斷隆和莎車坳陷，之間以阿爾塔什斷裂為界。擬建場地位于鐵克里克斷隆的東部，距阿爾塔什斷裂約1.0 km～2.5 km，距米亞斷裂約12 km。

根據(jù)新疆防御自然災(zāi)害研究所2008年5月完成的《新疆阿爾塔什水利樞紐工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，壩址區(qū)場地50年超越概率10%的水平向基巖動(dòng)峰值加速度為179.9 gal，50年超越概率5%基巖動(dòng)峰值加速度為221.0 gal，100年超越概率2%的水平向峰值加速度為320.6 gal[1]。對應(yīng)的地震基本烈度為8度。

1.2 發(fā)電洞概況

阿爾塔什水利樞紐工程發(fā)電洞由兩條隧洞平行布置，采用一洞二機(jī)的供水方式，兩條發(fā)電洞的軸線間距彎道段前為44 m，彎道段后為60 m。隧洞斷面形式采用圓形，發(fā)電洞全長6 009.592 m，洞徑為8.5 m，襯砌厚度為0.6 m，交通洞縱坡1/500，設(shè)計(jì)引用流量為222.4 m3/s，屬特長隧洞。沿線巖體覆蓋一般埋深150 m～600 m，最大埋深約為650 m，具有埋深大、洞線長等特點(diǎn)。本工程單工作面施工通風(fēng)長度為3 005 m。

2 隧洞通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則

2.1 隧洞通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

在隧洞施工過程中由于鉆孔、爆破、出渣運(yùn)輸?shù)人a(chǎn)生的粉塵、有害氣體及地層間釋放的有害氣體等因素使得隧洞內(nèi)空氣渾濁、影響工人的身體健康。因此應(yīng)為隧洞內(nèi)工作地點(diǎn)提供足夠的新鮮空氣；稀釋及排除各種有害氣體和煙塵并且使其含量達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；確保施工質(zhì)量及進(jìn)度。目前國內(nèi)對隧洞施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下：

1)根據(jù)SL 303-2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范及DL T/5099-2011水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定每人每分鐘供給3.0 m3的新鮮空氣。2)在煤礦及礦業(yè)行業(yè)中根據(jù)《礦上安全標(biāo)準(zhǔn)》及《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定每人每分鐘供給4.0 m3的新鮮空氣。3)洞內(nèi)使用柴油機(jī)械時(shí)，可按每千瓦分鐘4.08 m3風(fēng)量計(jì)算。4)施工過程中，洞內(nèi)氧氣按體積計(jì)算不應(yīng)少于20%。洞內(nèi)平均溫度不應(yīng)超過280 ℃。5)洞內(nèi)有害氣體和粉塵含量應(yīng)符合表1的標(biāo)準(zhǔn)。6)按爆破后20 min內(nèi)將工作面的有害氣體排出或沖淡至允許濃度計(jì)算，每千克炸藥爆破產(chǎn)生的有害氣體折合成40 L一氧化碳?xì)怏w。7)洞內(nèi)作業(yè)地點(diǎn)噪聲不宜超過90 dB。8)工作面附近的最小風(fēng)速不應(yīng)低于0.25 m/s,最大風(fēng)速按下列規(guī)定執(zhí)行：a.隧洞、豎井、斜井工作面最大風(fēng)速不應(yīng)超過4 m/s。b.運(yùn)輸洞與通風(fēng)洞最大風(fēng)速不應(yīng)超過6 m/s。

表1 空氣中有害物質(zhì)的最高容許含量

2.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)原則

1)合理布局，優(yōu)化匹配，防漏降阻，嚴(yán)格管理，確保效果。2)采用擠壓理論設(shè)計(jì)，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比選優(yōu)化，滿足局部通風(fēng)效果。3)本著經(jīng)濟(jì)適用、維修方便原則，盡量選用國產(chǎn)的先進(jìn)通風(fēng)設(shè)備，并減少風(fēng)機(jī)的品種、型號。4)通風(fēng)用電在隧洞施工中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，?yōu)先選用節(jié)能型風(fēng)機(jī)以降低能耗。5)在凈空允許的條件下，盡可能采用大直徑風(fēng)管，減少能耗損失。6)通過適當(dāng)增加一次性投入，減少通風(fēng)系統(tǒng)的長期運(yùn)行成本。7)充分考慮海拔高高寒地區(qū)氣候氣壓低對通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

3 通風(fēng)風(fēng)量的計(jì)算

3.1 通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)表見表2。

1)按洞內(nèi)最多工作人數(shù)計(jì)算:

Q=3kN=3×1.5×30=135 m3/min。

其中，N為洞內(nèi)同時(shí)最高工作人數(shù)，30人；k為風(fēng)量備用系數(shù)，1.5。

表2 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2)按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計(jì)算：

Q=64VA=0.25×73.86×60=1 107.90 m3/min。

其中，V為保證洞內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)流的最小風(fēng)速，本工程取0.25 m/s；A為開挖斷面積。

3)按工作面排除炮煙需風(fēng)量計(jì)算：

其中，G為一次爆破用藥量；L0為炮煙拋擲長度，L0=15+G/5；其他符號意義同前。

4)按稀釋內(nèi)燃廢氣需風(fēng)量計(jì)算：

Qg=k∑NiK1K2=4.08×700×0.7×0.8=1 599.36 m3/min。

其中，k為單位功率所需風(fēng)量的系數(shù)，4.08 m3/(min·kW)；Ni為每臺柴油設(shè)備額定功率；K1為設(shè)備平均負(fù)荷率，本工程取0.7；K2為設(shè)備同時(shí)利用率，本工程取0.8。

3.2 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定

“是的?！碧镉袌@肯定地點(diǎn)了點(diǎn)頭，她不說出口，他也知道她猜對了。“我第一次在你們單位門口見他時(shí)就覺得怪，有一種怎么也說不清楚的感覺，是熟悉還是害怕？我也說不清楚……后來我就打聽了一下，發(fā)現(xiàn)……”

根據(jù)上述計(jì)算所需風(fēng)量可知，開挖面所需風(fēng)量主要由稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣和工作面排除炮煙需風(fēng)量兩種因素控制。由于這兩種污染物對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量要求不同，還不能簡單地根據(jù)上述計(jì)算最大值來確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量，因此應(yīng)根據(jù)這兩種因素分別計(jì)算風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，然后取大值以最終確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

對于壓入式管道通風(fēng)，用沖淡開挖面炮煙所需風(fēng)量來計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，應(yīng)考慮管道漏損和高程修正因素。

QJ煙=Qy×P/K=424.11×2.23/0.9=1 050.85 m3/min。

其中，Qy為工作面排除炮煙需風(fēng)量；P為漏風(fēng)系數(shù)，本工程取2.23；K為高程修正系數(shù)，本工程取0.9。

管道通風(fēng)用稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣的風(fēng)量來計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，因漏損在洞內(nèi)的空氣對廢氣仍有稀釋作用，故只考慮高程修正因素。

QJ氣=Qg/K=1 599.36/0.9=1 777.07 m3/min。

其中，Qg為稀釋內(nèi)燃廢氣需風(fēng)量；K為高程修正系數(shù)，本工程取0.9。

經(jīng)以上計(jì)算，取其最大值為隧洞通風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)，故本工程通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量為1 777.07 m3/min。

4 通風(fēng)阻力計(jì)算

本工程工期緊，任務(wù)重，要求鉆爆后通風(fēng)時(shí)間為20 min，以縮短循環(huán)時(shí)間，加快施工進(jìn)度，為減少風(fēng)管摩擦風(fēng)阻，降低風(fēng)管的漏風(fēng)率，提高通風(fēng)效果。根據(jù)流體力學(xué)阻力定律，管道通風(fēng)的壓力損失與風(fēng)管直徑的5次方成反比，本工程經(jīng)過大量的比較最終決定采取2 000 mm的高強(qiáng)拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管，單節(jié)長度40 m。

1)管道摩擦風(fēng)阻系數(shù):

2)局部阻力系數(shù)：

其中，ζ為風(fēng)管局部阻力系數(shù)，本工程取1.0；其他符號意義同前。

3)管道局部阻力：

hx=RjQjQg=0.062 5×29.62×26.66=49.35 Pa。

其中，Qj為通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量，m3/s；Qg為工作面獲得的風(fēng)量，m3/s；其他符號意義同前。

4)管道沿程摩擦阻力：

hc=RfQjQg=1.37×29.62×26.66=1 081.85 Pa。

5)需要通風(fēng)機(jī)全壓：

H=hx+hc=1 081.85+49.35=1 131.20 Pa。

為避免洞內(nèi)流出的污濁空氣重新進(jìn)入，形成循環(huán)風(fēng)，將風(fēng)機(jī)設(shè)置在距洞口30 m的鋼管基座上，位于進(jìn)洞口方向的右側(cè)。風(fēng)機(jī)安裝應(yīng)由專業(yè)人員嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，確保風(fēng)管安裝達(dá)平、直、穩(wěn)、緊、不彎曲、無褶皺、減少通風(fēng)阻力。

5 結(jié)語

施工通風(fēng)是長大隧洞施工的重要輔助工序之一。合理的通風(fēng)布置及通風(fēng)系統(tǒng)、理想的通風(fēng)效果是實(shí)現(xiàn)隧洞施工進(jìn)度和施工人員身心健康的重要也是唯一保障。目前，國內(nèi)外在設(shè)計(jì)通風(fēng)時(shí)只是考慮將新鮮的空氣送至開挖工作面，而忽略了新鮮空氣送至開挖工作面后，隧洞回風(fēng)時(shí)受到的阻力及損失，因此導(dǎo)致洞內(nèi)通風(fēng)難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。本文提供的通風(fēng)技術(shù)及觀點(diǎn)可以為以后類似工程通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考，為優(yōu)化地下施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案提供實(shí)踐依據(jù)，為加快施工進(jìn)度及確保施工人員健康安全提供保障。

[1] 沈 軍.新疆阿爾塔什水利樞紐工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆防御自然災(zāi)害研究所，2011.

[2] 陳 曉，王旭紅．阿爾塔什“三高一深”工程地質(zhì)問題的勘察研究[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011(5):37.

Ventilating technology of drilling and blasting method construction in extra-long tunnel

GENG Xin-chun

(XinjiangXinhuaHydropowerInvestmentCo.，Ltd，Urumqi830000，China)

Based on the case of one tunnel construction ventilating, ventilating technologies construction in extra-long tunnel are analyzed from ventilation standards, ventilation rate, ventilation resistance and the air pipe installation respectively under the consideration of return air resistance and loss.

tunnel, ventilation rate, return air, ventilation resistance

1009-6825(2014)07-0167-02

2013-12-26

耿新春(1963- )，男，高級工程師

U453.5

A