特長公路隧道施工過程巷道式通風(fēng)研究

劉建鑣

(福建省第二公路工程有限公司 福建福州 350001)

福州京臺高速公路建設(shè)項(xiàng)目為國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，主線里程52.952km，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100km/h，全線特長隧道2.5座，均為雙線分離式雙洞布置，正洞凈寬10.75m，凈高5.0m。其中黃竹山隧道(0.5座，在Y(Z)K99+650設(shè)分離式通風(fēng)斜井)與寧德交界，起迄樁號為左洞 ZK99+128～ZK1103+362，右洞 YK99+128～YK103+387，左洞長4234m，右洞長4259m;本隧道施工采用獨(dú)頭掘進(jìn)方式，獨(dú)頭最大通風(fēng)長度 3687m，開挖斷面積84m2。隧道施工過程通風(fēng)方案采用兩階段式，第一階段左右線各自采用壓入式通風(fēng);第二階段待兩隧道之間的橫向通道開挖貫通后，利用橫向通道使兩隧道形成巷道式通風(fēng)，軸流風(fēng)機(jī)設(shè)在單側(cè)洞向兩個掌子面供應(yīng)新鮮空氣，污風(fēng)自另一側(cè)洞排出洞外，待斜井與主隧道貫通后，形成自然通風(fēng)系統(tǒng)。巷道式通風(fēng)階段確保通風(fēng)管長度在1500m之內(nèi)。

1 施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)原則

(1)通風(fēng)系統(tǒng)

隧道掘進(jìn)工作面都必須采用獨(dú)立通風(fēng)，嚴(yán)禁任何兩個工作面之間串連通風(fēng)。隧道需要的風(fēng)量，須按照爆破排煙、同時工作的最多人數(shù)以及有害氣體絕對涌出量分別計(jì)算，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，采用其中的最大值。隧道施工中，對集聚的空間和襯砌模板臺車附近區(qū)域，可采用空氣引射器、氣動風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)施局部通風(fēng)的辦法。隧道在施工期間，應(yīng)實(shí)施連續(xù)通風(fēng)。因檢修、停電等原因停機(jī)時，必須撤出人員，切斷電源。

(2)通風(fēng)設(shè)備

1)壓入式通風(fēng)機(jī)必須裝設(shè)在洞外或洞內(nèi)新風(fēng)流中，避免污風(fēng)循環(huán)。通風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)兩路電源，并裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置，當(dāng)一路電源停止供電時，另一路應(yīng)在15min內(nèi)接通，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)必須有一套同等性能的備用通風(fēng)機(jī)，并經(jīng)常保持良好的使用狀態(tài)。

3)隧道掘進(jìn)工作面附近的局部通風(fēng)機(jī)，均應(yīng)實(shí)行專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路及風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖供電。

4)隧道應(yīng)采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管。風(fēng)管口到開挖面的距離應(yīng)小于5m，風(fēng)管漏風(fēng)率應(yīng)不大于2%。

2 巷道式通風(fēng)施工通風(fēng)方案

(1)通風(fēng)方式選擇

黃竹山隧道為平行雙隧，左右線之間每隔738m設(shè)有行車橫洞，具備采用射流巷道式通風(fēng)的條件，所以設(shè)計(jì)采用射流+軸流巷道式通風(fēng)。

(2)通風(fēng)量計(jì)算

施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時作業(yè)最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、一次性爆破所需要排除的炮煙量、內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率分別計(jì)算，取其中最大值作為控制風(fēng)量。

1)按掌子面同時工作的最多人數(shù)計(jì)算

式中:q—每一作業(yè)人員的通風(fēng)量，取3m3/min

n—掌子面同時作業(yè)的最多人數(shù)(取60人)

計(jì)算可知需風(fēng)量為180m3/min。

2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.15m/s計(jì)算(《隧道工程施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，施工中隧道內(nèi)平均風(fēng)速不得低于0.15m/s)

式中:S—隧道開挖斷面積84m2(Ⅲ級圍巖)

V—洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.15m/s=9m/min

計(jì)算可知需風(fēng)量為756m3/min。

3)按一次性爆破所需要排除的炮煙量計(jì)算

式中:A—一次性爆破炸藥量(根據(jù)爆破方案為206.1kg);

t—通風(fēng)時間，20min

L—通風(fēng)長度，200m

F—隧道斷面積，84m2

計(jì)算可知需風(fēng)量為1511m3/min。

4)按內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率計(jì)算

式中:H—內(nèi)燃機(jī)械總功率550KW(掌子面1臺裝載機(jī)功率150KW、一臺出渣車功率200KW，其它內(nèi)燃設(shè)備計(jì)200KW)

q—內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量，8m3/(min·KW)

а—內(nèi)燃機(jī)械的工作效率，取50%。

經(jīng)計(jì)算內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備需風(fēng)量為控制風(fēng)量，開挖面需風(fēng)量為2200m3/min。

5)確定總供風(fēng)量

由上可知:按內(nèi)燃機(jī)械總功率計(jì)算值最大，為控制風(fēng)量;總供風(fēng)量按2200m3/min計(jì)算。

此時，所需平均風(fēng)速 ˉV=2200 ÷60 ÷84=0.44m/s。

(3)通風(fēng)設(shè)備選型配置

巷道式通風(fēng)方案中，軸流風(fēng)機(jī)的選擇主要由所需風(fēng)量和所選風(fēng)管參數(shù)計(jì)算的風(fēng)壓確定;射流風(fēng)機(jī)的選擇主要由軸流風(fēng)機(jī)的所需要的總風(fēng)量及總風(fēng)量所經(jīng)路程的總阻力確定;風(fēng)管全部采用科研所研制并獲國家專利的新型軟管。

1)軸流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

通風(fēng)阻力因選擇的風(fēng)管直徑和風(fēng)機(jī)型號以及送風(fēng)距離的不同會有很大差距，如果選擇的風(fēng)管直徑過小，會導(dǎo)致通風(fēng)阻力過大，不能滿足送風(fēng)需要;如果選擇的風(fēng)管直徑過大，又會造成浪費(fèi)，且不利于施工組織。針對隧道的實(shí)際情況，結(jié)合風(fēng)機(jī)特性曲線和送風(fēng)長度對通風(fēng)阻力進(jìn)行模擬計(jì)算，同時也對風(fēng)機(jī)風(fēng)管進(jìn)行選型匹配后，選定2臺SDF(C)-No12.5型軸流風(fēng)機(jī)，功率110kw;此型號風(fēng)機(jī)與1500m長的Φ1.7m風(fēng)管匹配參數(shù)見(表1):

表1 主洞風(fēng)機(jī)風(fēng)管系統(tǒng)匹配點(diǎn)的參數(shù)

風(fēng)管出口風(fēng)量1926m3/min＞總供風(fēng)量按1800m3/min，符合要求。

2)隧道通風(fēng)阻力計(jì)算:

①隧道摩擦阻力:

式中:α——摩擦阻力系數(shù)，α=0.030

L—隧道最長通風(fēng)長度 (3687m)

U—隧道周邊長度(30.8m)

Q—風(fēng)量(2200/60=36.7m3/s)

S—隧道面積(84m2)

摩擦阻力為:Pm=α×L×U×Q2/S3=0.030×3687×30.8×36.72/843=7.74(Pa)

②局部阻力:

式中:ζ—局部阻力系數(shù)，ζ=1.5

Q—風(fēng)量(36.7m3/s)

S—隧道面積(84m2)

局部阻力為:PJ=0.612ζQ2/S2=0.612×1.5×36.72/842=0.18(Pa)

③正面阻力:

式中:φ—機(jī)械設(shè)備阻力系數(shù)(取:裝載機(jī)2.0+襯砌臺車4.0+操作臺車1.5=7.5)

Sm—阻塞物最大迎風(fēng)面積(取10m2)

Q—風(fēng)量(36.7m3/s)

S—隧道面積(84m2)

正面阻力為:Pz=0.612×7.50×10×36.72/(84-10)2=11.29(Pa)

④隧道通風(fēng)總阻力:

P總=Pm+PJ+Pz=7.74+0.18+11.29=19.2(Pa)。

3)射流風(fēng)機(jī)選擇計(jì)算

射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓必須得以克服整個系統(tǒng)的阻力，即:Hf≥P總

①型號:SSF-№16型，流量 31m3/s，出口速度30.9m/s，電動機(jī)功率55kw/臺。

②每臺射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓:

式中:Vj—射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，30.9m/s

Aj—射流風(fēng)機(jī)出口斷面積，0.852π=2.27m2

Ag—隧道斷面積，84m2

Vgo—隧道內(nèi)風(fēng)速，取所需平均風(fēng)速0.44m/s

kj—增壓系數(shù)，取0.85

ρ—空氣密度(現(xiàn)場實(shí)測1.19kg/m)

③射流風(fēng)機(jī)總臺數(shù):

Nj=P總/Hf=19.2/25.7=1臺，即安裝1臺射流風(fēng)機(jī)就可滿足要求;由于隧道較長，在每貫通一個行車橫通道后，同步在距行車橫通道100m左右的小里程位置再增設(shè)1臺射流風(fēng)機(jī)，以保證通風(fēng)質(zhì)量。

(4)通風(fēng)布置

主洞通風(fēng)布置共分二個階段:

第一階段，在施工初期，正洞兩個開挖面均采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，分別采用一臺主洞2×110KW軸流風(fēng)機(jī)和Φ1.7mPVC風(fēng)管送風(fēng)，布置圖如(圖1)所示，在10#行車橫通道貫通后準(zhǔn)備階段調(diào)整，風(fēng)管送風(fēng)最長距離控制在1500m以內(nèi)。

圖1 出口工區(qū)第一階段通風(fēng)布置圖

第二階段第一步，10#行車橫通道貫通并具備階段調(diào)整條件后，將洞口兩臺風(fēng)機(jī)設(shè)置在左線距10#行車橫通道50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個開挖面送風(fēng)，在距洞口100m處增設(shè)1臺射流風(fēng)機(jī)，形成射流巷道式通風(fēng)，布置圖見(圖2)。左線引進(jìn)新鮮風(fēng)，右線排出污風(fēng)，施工要求必須進(jìn)行交通管制，出碴和材料運(yùn)輸車輛由右線進(jìn)出，需要進(jìn)入左線經(jīng)10#行車橫通道進(jìn)出，在9#行車橫通道貫通后再準(zhǔn)備階段調(diào)整。

圖2 主洞第二階段第一步通風(fēng)布置圖

第二階段第二步，9#行車橫通道貫通并具備階段調(diào)整條件后，利用風(fēng)墻封閉10#行車橫通道，將左線10#行車橫通道處的兩臺風(fēng)機(jī)前移至距9#行車通道50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個開挖面送風(fēng)，同時在距10#行車橫通道100m左右的小里程位置再增設(shè)1臺射流風(fēng)機(jī)，布置圖見(圖3)。風(fēng)流方向和交通管制方式同上，左右線之間主要通過9#行車橫通道聯(lián)通，在8#行車橫通道貫通后在準(zhǔn)備階段調(diào)整。

圖3 主洞第二階段第二步通風(fēng)布置圖

第二階段第三步，8#行車橫通道貫通并具備階段調(diào)整條件后，利用風(fēng)墻封閉9#行車橫通道，將左線9#行車橫通道處的兩臺風(fēng)機(jī)前移至距8#行車通道50m左右靠洞口一側(cè)，通過風(fēng)管分別向兩個開挖面送風(fēng)，同時在距9#行車橫通道100m左右的小里程位置再增設(shè)1臺射流風(fēng)機(jī)，布置圖見(圖4)。風(fēng)流方向和交通管制方式同上，左右線之間主要通過8#行車橫通道聯(lián)通，保持此方式直到與斜井工區(qū)貫通。

圖4 主洞第二階段第三步通風(fēng)布置圖

2 通風(fēng)技術(shù)管理

通風(fēng)技術(shù)管理包括通風(fēng)方案的實(shí)施，方案的局部調(diào)整，過渡方案的設(shè)計(jì)，通風(fēng)效果的監(jiān)測與評價等;這些都由專業(yè)技術(shù)人員來完成。

(1)通風(fēng)方案的實(shí)施

通風(fēng)設(shè)計(jì)方案只是一個基本模式，要在現(xiàn)場實(shí)施，還要進(jìn)一步細(xì)化并繪制出方案實(shí)施圖。要求技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場具體情況，把方案具體化，繪制實(shí)施圖，及時制定出方案實(shí)施細(xì)則。

(2)通風(fēng)方案的局部調(diào)整

通風(fēng)方案一般都是根據(jù)施工方法和施工組織來設(shè)計(jì)的，在施工過程中施組和施工方法，通常會根據(jù)地質(zhì)情況的變化而變化，如增開工作面或增加運(yùn)輸通道等，通風(fēng)方案也需要作相應(yīng)的變化。要求技術(shù)人員根據(jù)施組和施工方法的變化對通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行局部調(diào)整。

(3)過渡方案的設(shè)計(jì)

通風(fēng)方案都是分階段設(shè)計(jì)的，每個階段之間都存在過渡的問題，在施工現(xiàn)場從一個階段到另一個階段一般需要兩三天時間，決不能因?yàn)閷?shí)施下一階段通風(fēng)方案而影響正常施工。要求技術(shù)人員必須根據(jù)現(xiàn)場具體情況做好通風(fēng)過渡方案。

(4)通風(fēng)效果的檢測與評價

通風(fēng)方案實(shí)施以后，實(shí)施的方案能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或者設(shè)計(jì)本身是否存在問題，這些都需要通過溫度、濕度、管路的進(jìn)出口風(fēng)量、管路的百米漏風(fēng)率、通風(fēng)阻力以及工作面有害氣體濃度變化等項(xiàng)目的測試，來檢查方案落實(shí)情況(主要是通風(fēng)管路安裝質(zhì)量)，評價設(shè)計(jì)方案。要求技術(shù)人員在方案實(shí)施后盡快測試，以便對存在的問題及時修正。另外，也要求技術(shù)人員對通風(fēng)效果(主要工作面的有害氣體濃度變化情況)進(jìn)行經(jīng)常性的檢測，以檢查通風(fēng)管路的安裝維護(hù)質(zhì)量。

3 施工中容易出現(xiàn)的問題和處理方法

(1)巷道通風(fēng)方式中，防漏降阻是提高送風(fēng)效率的關(guān)鍵，應(yīng)做好以下技術(shù)措施:

1)選擇優(yōu)質(zhì)風(fēng)管材料，加大風(fēng)管直徑;加長風(fēng)管節(jié)長，減少接頭。

2)提高風(fēng)管安裝質(zhì)量，使風(fēng)管達(dá)到平、直、穩(wěn)、緊，不彎曲、無褶皺，以減少通風(fēng)阻力;風(fēng)管通過襯砌臺車、作業(yè)臺架時要確保風(fēng)管的順直度，減少通風(fēng)阻力。

3)各橫洞的密閉墻必須密封，防止因漏風(fēng)造成風(fēng)壓降低和污風(fēng)循環(huán)。

(2)掘進(jìn)爆破產(chǎn)生的沖擊波對軟管產(chǎn)生破壞:爆破前應(yīng)關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，炮響后再開啟，以避免沖擊波對軟管的破壞。專人每天巡查通風(fēng)情況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)管破損，應(yīng)立即修復(fù)。

(3)隧道施工過程中內(nèi)燃機(jī)械及車輛產(chǎn)生的污染:施工過程加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)械的保養(yǎng)，在運(yùn)輸車輛的尾氣排放口必須設(shè)置凈化裝置，以降低對隧道內(nèi)施工環(huán)境的污染程度。

(4)污風(fēng)在設(shè)計(jì)坡頂處及襯砌臺車附近的聚結(jié):現(xiàn)場施工過程中受天氣及氣流影響，經(jīng)常在坡頂處或襯砌施工處產(chǎn)生污風(fēng)聚結(jié)現(xiàn)象;根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在污風(fēng)聚結(jié)處增加臨時射流風(fēng)機(jī)，及時輔助排除污風(fēng)。

4 結(jié)束語

本文以黃竹山隧道施工中的通風(fēng)研究為例，充分利用雙線小凈距特長隧道在設(shè)計(jì)上每一定間距設(shè)置的人行、車行通道，采用巷道加管道的通風(fēng)方式，改善施工過程中的通風(fēng)條件，取得了較好的通風(fēng)效果。作者全過程參與了這項(xiàng)研究，并在施工過程進(jìn)行完善，對需風(fēng)量計(jì)算、通風(fēng)設(shè)備的選型、巷道步長及通風(fēng)管道的直徑和長度、風(fēng)機(jī)在人行或車行橫道上的最佳位置、通風(fēng)實(shí)際效果等，進(jìn)行了大量的計(jì)算及驗(yàn)證，取得了本文中所述的研究成果，可作為工程技術(shù)人員從事類似工程建設(shè)時參考。本文介紹的黃竹山隧道已順利貫通。

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