特長大斷面公路隧道單向掘進施工通風研究

李科,郭軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶 400067)

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特長大斷面公路隧道單向掘進施工通風研究

李科,郭軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶 400067)

摘要:以博深(博羅—深圳)高速公路石鼓山隧道為依托,從隧道開挖作業(yè)區(qū)域的衛(wèi)生標準、環(huán)境標準、安全標準、施工通風方式選擇、需風量及通風機和風道計算等方面介紹了雙向交通六車道大斷面特長公路隧道單向掘進的施工通風技術,根據(jù)該工程實際情況,分別闡述了2 km以內(nèi)掘進段的單一壓入式通風、2～4 km掘進段的巷道式射流通風方案,為隧道工程建設提供參考。

關鍵詞:隧道;大斷面;單向掘進;施工通風

隧道施工通風的目的是排出洞內(nèi)粉塵及有害氣體、控制洞內(nèi)溫度和濕度,為施工人員提供良好的作業(yè)環(huán)境,是進行隧道內(nèi)外空氣交換的唯一手段,通風效果直接影響作業(yè)人員的身心健康及工程進度,是安全生產(chǎn)的重要保障措施之一。

采用非機械化掘進的公路隧道,其施工通風方案及實施設備將直接影響隧道掘進的極限長度?？梢哉f,長距離施工通風的技術水平關系著路網(wǎng)規(guī)劃、路線選擇、施工工期的確定,同時也對施工設備的技術要求及項目投資等有重要影響。提高通風技術不僅能直接改善工作環(huán)境,減少各工序作業(yè)時間,還能充分發(fā)揮無軌施工的車輛機動性優(yōu)勢。根據(jù)經(jīng)驗,在3～5 km特長公路隧道施工中,施工通風效率每提高10%時,施工工期可縮短5%、建設成本投入降低3%。

1 工程概況

廣東省博深(博羅—深圳)高速公路控制性工程石鼓山隧道為單洞三車道雙洞單向交通隧道,該隧道整體穿越東莞市銀瓶山動植物自然保護區(qū)。水澗山隧道與石鼓山隧道洞口為橋隧相接形式,故兩隧道洞口區(qū)間無施工作業(yè)平臺,在施工時應將這2座隧道作為一座隧道進行考慮,其總長度超過7 km。由于銀瓶山自然保護區(qū)生態(tài)脆弱,急需保護,該隧道施工時禁止在保護區(qū)內(nèi)進行開挖作業(yè),這勢必導致以上隧道只能從各隧道單端單向掘進,兩隧道最大掘進距離達2 930、4 020 m,特殊的客觀條件對隧道施工方式和通風技術提出了很高要求。

盡管單向掘進的施工通風技術在煤礦及鐵路等領域被廣泛應用且已取得不少成果,但這些開挖隧道單向掘進的工作斷面較小(通常＜50 m2),施工通風方案相對單一。對于公路隧道,在二車道公路隧道(開挖斷面通常＜100 m2)單向掘進施工通風技術上已取得一定突破,有相關經(jīng)驗可循,但石鼓山隧道為開挖斷面大達162 m2的單洞三車道特長隧道,可供借鑒的國內(nèi)外類似成熟經(jīng)驗很少,有必要對其施工通風技術進行研究。

2 隧道施工通風技術研究現(xiàn)狀

2.1 通風方式

隧道施工通風方式大體分為壓入式、排出式、混合式,壓入式、排出式通風又細分為集中式、串聯(lián)式、射流式,混合式可細分為巷道式、局扇式等。幾種有代表性的通風方案適用范圍見表1。

表1 隧道施工主要通風方式的適用范圍

2.1.1 壓入式通風

壓入式通風即為在隧道洞口設置集中送風機,將隧道外新風壓入作業(yè)隧道內(nèi)。國外采用該施工通風方式的隧道最長為3.4 km,位于法國。國內(nèi)采用掘進機(TBM)法施工時,利用該通風方式施工的隧道長度超過10 km。但采用無軌運輸鉆爆法施工時,其掘進長度最長為3.6 km,為位于浙江金華的贛龍鐵路隧道;而超過3 000 m公路隧道采用單向壓入式施工通風的案例還未見報道。

2.1.2 巷道式通風

龍?zhí)端淼牢挥跍貒乐鞲删€,為長度超過8 500 m的高速公路隧道,該隧道采用雙向掘進無軌運輸出渣方式施工,單向掘進最大長度為4 300 m。鑒于該隧道為整個項目控制性工程,且施工工期緊張,必須采用高效施工工藝并配合可靠通風方式。經(jīng)比選,采用巷道式通風可大大增加通風距離,滿足該隧道施工工藝要求。再如亞洲曾經(jīng)最長的公路隧道日本關越公路隧道,單洞長11 km,上下線分期實施建設。先期建設下行線時,為加快施工進度,增設輔助坑道,主洞與輔助坑道均采用人工開挖、機械車無軌運輸施工。主洞和輔助通道開挖斷面面積分別為85.3和21.3 m2,施工時借用輔助坑道采用壓入式巷道通風方式,不僅增加了送風距離,也增大了送風量,最大送風量達6 200 m3/min。

2.1.3 射流通風

射流通風方式利用風機工作時產(chǎn)生的巨大升壓力伴隨高風速誘導空氣在洞內(nèi)縱向流動原理,達到隧道內(nèi)外空氣置換的目的。該通風方式的實現(xiàn)是將射流風機直接安設在洞內(nèi)各通風區(qū)段,無需修建風道和風機房送風,也不需設置風閥控制風量,而是利用隧道本身自成通風管道為隧道通風。這種通風方式因其設備布置靈活、建設投資低、方便管理、能耗低等特點在公路隧道運營通風中得到大量應用,但很少作為施工通風方式在隧道建設時應用,同時國內(nèi)少有該施工通風方式實施案例介紹。中鐵隧道集團科研所曾嘗試利用該通風方式進行鐵路隧道施工,取得了一些成功經(jīng)驗。由于采用該通風方式直接將風機暴露在施工隧道內(nèi),隧道內(nèi)存在瓦斯時通風機應采用防爆等級較高的設備。

2.2 通風技術的特點

根據(jù)施工經(jīng)驗,中國目前采用的隧道施工通風技術具有以下特點:

(1)掘進長度小于2 km,且洞內(nèi)無瓦斯及其他有害氣體(如硫化物、氫化物等)的隧道采用壓入式通風的效果優(yōu)于排出式。

(2)混合式通風較適用于掘進長度2～4 km的隧道,具體方式可以是壓入式和排出式混合、射流式、巷道式等。但采用以上通風方式時,宜在開挖面附近增設局扇以增加工作面通風效果。

(3)若為雙洞隧道或設置有平導、專門通風井的隧道,可利用這些通風道采用巷道式通風方式。

(4)對于單向掘進特長公路隧道,宜根據(jù)隧道特點,有條件時可優(yōu)先考慮巷道式通風。

2.3 存在的問題

盡管中國對隧道施工環(huán)境質(zhì)量制定了嚴格標準,但由于長期以來重視施工進度、忽視施工環(huán)境等,制約了施工通風技術的發(fā)展。目前中國隧道施工通風技術存在以下問題:

(1)采用的施工通風方式普遍單一,多數(shù)隧道未根據(jù)各施工階段的建設需求和客觀條件適時調(diào)整通風方案,普遍為施工全過程均采用一種通風方案,且以壓入式和排出式通風方式居多,偶爾采用巷道式通風。

(2)隧道開挖距離較短時采用無管道通風方式,即洞外射流風機直接向施工隧道送風,該通風方式最長適用距離一般不超過0.6 km;隧道掘進長度超過0.6 km時設置通風管,為開挖工作面送風;特長隧道利用自身通風平導或通風井采用巷道式通風方式的案例較多。

(3)大多數(shù)隧道施工作業(yè)面的工作粉塵及機動車有害氣體排放超標。

(4)近年來,隨著工業(yè)技術的飛速發(fā)展,通風設備及其配套設施得到發(fā)展,但通風技術并未隨之取得較大突破,仍停留在既有水平。

總之,通風方式單一、作業(yè)環(huán)境惡劣、施工通風技術發(fā)展滯后是目前中國公路隧道施工中存在的問題,這些問題反映了人們對環(huán)境品質(zhì)需求的提高與施工技術發(fā)展的不和諧。如何提高通風效率,改善施工作業(yè)環(huán)境,合理利用先進通風設備是業(yè)界亟待解決的問題。

3 隧道施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標準

中國對施工作業(yè)的衛(wèi)生標準制定了相關規(guī)范,其指標涵蓋有害氣體、粉塵等。根據(jù)DL/T 5099-2011《水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范》、GBZ 1-2010《工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準》、JTG D62 -2004《公路隧道施工技術規(guī)范》等規(guī)范,中國有關隧道施工作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生標準的規(guī)定見表2。

4 通風計算

4.1 需風量計算

計算需風量應取各計算工況的最大需風量值。施工通風需風量計算主要考慮以下工況:

表2 環(huán)境衛(wèi)生標準

(1)洞內(nèi)同一時間全部人員作業(yè)需風量。

(2)稀釋洞內(nèi)爆破時產(chǎn)生的有害氣體需風量。

(3)最小需風速需對應的洞內(nèi)風量。

(4)稀釋機械設備作業(yè)時污染物排放需風量。

(5)采用不同通風方式時通風機需要提供的計算風量。

前4項需風量計算在中國相關行業(yè)標準中都有具體要求,下面僅給出采用不同通風方式時通風機需風量的計算方法。

4.1.1 壓入式通風計算

采用壓入式通風時,通風機需提供的送風量按式(1)計算:

式中:Q為通風機提供的風量(m3/s);t為強制通風時間(min);G為爆破炸藥量(kg);A為開挖斷面面積(m2);L為隧道開挖長度或爆破后煙氣流經(jīng)的臨界長度(m)。

煙氣流經(jīng)臨界長度按下式計算:

式中:L為炮煙流經(jīng)的臨界長度(m);b為1 kg炸藥爆破時所產(chǎn)生的CO氣體體積;K為擴散系數(shù);P為風管漏風系數(shù)。

4.1.2 排出式通風計算

采用排出式通風時,通風機需提供的排風量按下式計算:

4.1.3 混合式通風計算

混合式通風中,壓入式通風段通風機需提供的風量按式(4)或式(5)計算,吸出式通風段通風機需提供的風量按式(6)計算。

式中:Lb為送風口至工作面的距離(m);?為使用淋水降低炮煙濃度的計算系數(shù)。

4.2 通風阻力計算

需風量計算除需考慮上述工況外,還需考慮隧道通風管產(chǎn)生的通風阻力。尤其是長大隧道施工通風采用的風管較長,風管在洞內(nèi)彎曲點較多,通風管道阻力帶來的損失往往決定通風方案的可靠性。

通風阻力主要考慮沿程損失和局部損失,按式(7)計算:

式中:H為通風總阻力(Pa);Rf為沿程通風損失[(N·s2)/m3];Rξ為局部損失[(N·s2)/m3];hf為沿程摩擦阻力損失(Pa);hξ為局部阻力損失(Pa);h其他為風管自重帶來的管道折曲損失(Pa)。

沿程摩擦阻力hf按式(8)計算:

式中:λ為沿程阻力系數(shù);Dr為隧道/風管當量直徑(m);ρ為空氣密度(kg/m3);v為管內(nèi)平均流速(m/s)。

沿程損失Rf按式(9)計算:

局部阻力hξ按式(10)計算:

4.3 漏風量計算

柔性風管以其運輸方便、易組合、造價低等特點而被廣泛運用于施工通風。但由于洞內(nèi)施工環(huán)境復雜,常常造成風管破損,并且長距離通風時風管接頭較多,故其漏風造成的送風量損失不可小視。管道漏風損失的風量按式(12)計算:

式中:ξ為局部阻力系數(shù)。

局部風阻Rξ按式(11)計算:

式中:P漏為管道漏風系數(shù);P100為百米漏風率。

4.4 通風機選型計算

電機容量按式(13)計算:

式中:N為電動機容量(k W);Qf為風機提供的風量(m3/s);η1為風機靜壓率;η2為風機效率;B為電機容量貯備系數(shù),電機容量為5 k W時取1.3,＞5 k W時取1.2。

通風機的升壓力按式(14)計算:

式中:Pj為射流風機壓力(Pa);vj為風機出口風速;β為風道與隧道斷面積比;α為風道與隧道風速比; M為風機噴射系數(shù),M=0.85。

5 巷道式射流通風風阻調(diào)節(jié)

隧道掘進采用巷道式施工通風時,離施工作業(yè)面最近的橫通道應呈開啟狀態(tài),其余橫通道均應采用密閉物封實,以確保相鄰隧道污風不發(fā)生串流。但在實際施工中,為滿足施工出渣、進料的需要,增加運輸工作面,洞內(nèi)所有橫通道均呈開啟狀態(tài)。為避免開挖隧道相鄰洞內(nèi)出現(xiàn)污風循環(huán)或新風短路,必須對橫通道內(nèi)風流進行控制。

設置風門或在橫通道內(nèi)增設射流風機是調(diào)節(jié)橫通道風流的有效措施。利用射流風機控制橫通道內(nèi)風流是一項簡單易操作的方法,但風機如何設置、設備如何選型,暫無成熟理論和經(jīng)驗?？筛鶕?jù)橫通道射流減阻調(diào)節(jié)法、橫通道射流增阻調(diào)節(jié)法、橫通道無射流調(diào)節(jié)法3種通風調(diào)節(jié)方式的特點,按照掘進實際情況選擇合適的風流調(diào)節(jié)方法。

5.1 橫通道射流減阻調(diào)節(jié)法

射流減阻調(diào)節(jié)方法是將射流風機設置在橫通道及隧道內(nèi),其風流控制方向與施工通風風向一致。如圖1所示,隧道主洞掘進時,新風由A洞進入,污風由B洞排出。射流風機設置在A洞及橫通道X 內(nèi),其風向與隧道A洞及B洞施工通風風向一致,起減阻作用。

5.2 橫通道射流增阻調(diào)節(jié)法

該調(diào)節(jié)方法是將射流風機設置在橫通道及隧道內(nèi),其風流控制方向與施工通風風向相反。如圖2所示,隧道主洞掘進時,新風由A洞進入,污風由B洞排出。設置在A洞內(nèi)的射流風機的風向與隧道A洞及B洞施工通風風向一致,設置在橫通道X內(nèi)的射流風機的風向與隧道A洞及B洞風向相反,在橫通道內(nèi)射流風機起增阻調(diào)節(jié)作用。

圖1 射流減阻調(diào)節(jié)法示意圖

圖2 射流增阻調(diào)節(jié)法示意圖

5.3 橫通道無射流調(diào)節(jié)法

該調(diào)節(jié)方法是射流風機不設置在隧道橫通道內(nèi),而是設置在隧道主洞內(nèi)。如圖3所示,隧道A洞內(nèi)靠近橫通道處設置射流風機,其風向與A洞和B洞掘進時施工通風風向一致,新風由A洞進入,污風由B洞排出,橫通道內(nèi)無射流風機調(diào)節(jié)風向。

圖3 無射流調(diào)節(jié)法示意圖

6 大斷面特長隧道單向掘進施工通風方案

石鼓特長隧道長距離單向掘進施工中,洞內(nèi)無瓦斯等有毒有害氣體泄漏,故從開挖初期至掘進到2 km以內(nèi)采用單一壓入式通風。掘進至2～4 km時,通風風阻隨掘進長度的增長成倍增加,純壓入式通風無法滿足洞內(nèi)開挖需風量要求,故借助橫通道,采用巷道式射流通風方案。

6.1 2 km以內(nèi)的施工通風方案

根據(jù)施工經(jīng)驗,掘進長度小于2 km的隧道,若洞內(nèi)無瓦斯等有毒有害氣體泄漏,壓入式通風方式能充分發(fā)揮其高效節(jié)能優(yōu)勢。石鼓山隧道從開挖初期至掘進到2 km以內(nèi),在隧道外設置2臺大型軸流送風機為隧道主洞壓入式送風(見圖4)。根據(jù)隧道掌子面空氣質(zhì)量檢測結果,工作面粉塵及機械作業(yè)設備帶來的尾氣等排放污染物濃度均滿足工作環(huán)境衛(wèi)生標準。

圖4 2 km以內(nèi)壓入式施工通風方案示意圖(單位:m)

6.2 2～4 km掘進段施工通風方案

石鼓山隧道開挖至2 km后,由于洞內(nèi)風阻增大,采用純壓入式通風無法滿足施工需風量要求,需采取措施克服洞內(nèi)通風阻力,增加工作面送風量。結合該工程實際情況,利用橫通道有效控制洞內(nèi)污風流向。施工時,由隧道左線集中送入洞內(nèi)工作需風量,污風經(jīng)橫通道由右洞排出,形成左洞送風、右洞排風的氣流方式。為克服洞內(nèi)通風阻力,在洞內(nèi)適當位置增加射流風機;為提高工作面施工環(huán)境,在靠近開挖面30 m范圍內(nèi)增加射流風機集中送風,風管有序組織通風氣流(見圖5)。

圖5 2～4 km段巷道式射流施工通風方案示意圖

結合各巷道式射流風機風阻調(diào)壓方式能耗分析,經(jīng)計算,石鼓山隧道橫通道無需設置射流調(diào)節(jié)即能避免洞內(nèi)產(chǎn)生污風循環(huán),又能有序引導新風對工作面工作環(huán)境的控制。故采用巷道式射流通風方式結合橫通道無射流調(diào)節(jié)風阻法通風能滿足該工程實際需要,且能達到高效和節(jié)能目的。

7 結語

該文總結了目前中國隧道施工通風存在的問題及特點,分析了現(xiàn)有通風方式的使用范圍和操作方法,介紹了隧道橫通道射流通風風阻調(diào)節(jié)法的技術特點,提出了依托工程施工通風風流計算、設備選型及通風控制方案等,系統(tǒng)介紹了特長大斷面公路隧道單向掘進的施工通風技術,為中國隧道工程建設提供參考。

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收稿日期:2015-11-20

中圖分類號:U453.5

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0211-05