關(guān)角隧道6號(hào)斜井施工通風(fēng)方案優(yōu)化

張旭珍

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043）

關(guān)角隧道6號(hào)斜井施工通風(fēng)方案優(yōu)化

張旭珍

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043）

關(guān)角隧道是我國(guó)目前最長(zhǎng)的鐵路隧道，采用鉆爆法施工，共設(shè)置了10座無(wú)軌運(yùn)輸斜井，施工中出現(xiàn)了1座斜井承擔(dān)多個(gè)工作面通風(fēng)的難題。為此，將原設(shè)計(jì)的壓入式通風(fēng)優(yōu)化成了中隔板式通風(fēng)。本文以6號(hào)斜井為例，詳細(xì)介紹了中隔板通風(fēng)方法、風(fēng)機(jī)的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及通風(fēng)效果。經(jīng)對(duì)比性測(cè)試，中隔板式通風(fēng)效果良好，經(jīng)濟(jì)適用，且有利于施工安全。

關(guān)角隧道；斜井；鉆爆法；施工通風(fēng)；中隔板通風(fēng)

壓入式通風(fēng)因具有可將新鮮風(fēng)直接送到掌子面，能較快沖淡和排出洞內(nèi)的污濁空氣，風(fēng)管安裝方便，維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在很多隧道中得到廣泛應(yīng)用。采用長(zhǎng)斜井輔助施工的2條單線隧道，由于獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)，若僅開(kāi)辟2個(gè)工作面，斜井內(nèi)尚可布置2路大直徑風(fēng)管。而實(shí)際施工中，為了加快進(jìn)度，施工單位往往增加工作面，一個(gè)斜井需要承擔(dān)3～4個(gè)工作面的施工任務(wù)，導(dǎo)致斜井通風(fēng)管路布置困難。關(guān)角隧道施工中也出現(xiàn)了1座斜井承擔(dān)4個(gè)工作面通風(fēng)的難題。結(jié)合科研成果采用了斜井中隔板式通風(fēng)方案［1］，成功解決了單斜井多工作面施工通風(fēng)的難題。本文以6號(hào)斜井為例，詳細(xì)介紹施工通風(fēng)方案的優(yōu)化。

1　工程概況

關(guān)角隧道位于青海省天峻縣境內(nèi)，是青藏鐵路西寧—格爾木增建二線的控制性工程，隧道長(zhǎng)32.69 km（進(jìn)口高程為3 380 m，出口高程為3 324 m），為2條平行的單線隧道，線間距為40 m。隧道區(qū)域內(nèi)年平均氣溫為-0.5℃，極端最低氣溫為-35.8℃，最冷月平均氣溫為-13.4℃，大氣壓僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的60%～70%，空氣的含氧量降低了約40%。隧道采用鉆爆法施工，采用10座無(wú)軌運(yùn)輸斜井輔助正洞施工，即在Ⅰ線隧道設(shè)置3座斜井，Ⅱ線隧道設(shè)置7座斜井。位于隧道嶺脊地段的6號(hào)斜井長(zhǎng)2 824 m，與Ⅱ線隧道交于DyK296+110處，平面交角58.65°，采用無(wú)軌運(yùn)輸，綜合坡度為10.3%，井口高程3 774.3 m，井底高程3 485.72 m，相對(duì)高差288.58 m［2］。

2　原設(shè)計(jì)施工通風(fēng)方案

按照施工組織要求，通過(guò)6號(hào)斜井施工Ⅱ線隧道時(shí)只開(kāi)辟了2個(gè)工作面，采用長(zhǎng)管路壓入式通風(fēng)（圖1（a））就能滿足施工需要。施工Ⅰ線隧道時(shí)，由于開(kāi)辟了施工橫通道，同時(shí)有3個(gè)工作面，受斜井凈空的限制，井內(nèi)無(wú)法同時(shí)布置3路大直徑風(fēng)管，故采用了壓入式與巷道式相結(jié)合的通風(fēng)方案（圖1（b））。

圖1　原設(shè)計(jì)通風(fēng)方案示意

3　優(yōu)化后施工通風(fēng)方案

通過(guò)6號(hào)斜井進(jìn)入正洞后，施工單位將原設(shè)計(jì)的最多同時(shí)施工3個(gè)工作面的方案調(diào)整為同時(shí)施工Ⅰ，Ⅱ線共4個(gè)工作面。受斜井空間的限制，長(zhǎng)管路壓入式通風(fēng)已無(wú)法滿足多掌子面施工的需要，故需將斜井施工通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.1掌子面供風(fēng)量計(jì)算

掌子面供風(fēng)量分別從洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)、同時(shí)爆破使用的最多炸藥用量、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、內(nèi)燃機(jī)作業(yè)廢氣稀釋4個(gè)方面進(jìn)行了計(jì)算［3-6］，然后取四者中的最大值。經(jīng)計(jì)算，每個(gè)掌子面的需風(fēng)量為1 119 m3/min，在考慮了漏風(fēng)系數(shù)1.15和空氣海拔高度修正系數(shù)0.697后，每個(gè)掌子面的供風(fēng)量為1 846 m3/min，4個(gè)掌子面總供風(fēng)量為7 384 m3/min。

3.2斜井中隔板通風(fēng)方案

該方案將斜井橫斷面分隔為上、下兩部分，上部作為進(jìn)風(fēng)通道，下部作為排煙通道。6號(hào)斜井原設(shè)計(jì)斷面凈空為5.2 m（寬）×6.6 m（高），考慮到下部通道需要滿足運(yùn)輸車輛通行的需要，故將中隔板的位置設(shè)置在距斜井底板4 m的地方，如此分割后，斜井進(jìn)風(fēng)通道面積為13.54 m2，排煙通道面積為20.8 m2。按照計(jì)算的風(fēng)量，則進(jìn)風(fēng)通道的風(fēng)速達(dá)到了9.09 m/s，排煙通道的風(fēng)速達(dá)到了5.92 m/s。由于進(jìn)風(fēng)通道的風(fēng)速較大，導(dǎo)致阻力損失過(guò)大，能源消耗增加，為了降低能源消耗，故將斜井?dāng)嗝娉叽邕M(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的斷面凈空為6.6 m（寬）×7.3 m（高）。隔板分割后（見(jiàn)圖2），進(jìn)風(fēng)通道為半徑3.3 m的半圓形，風(fēng)速7.2 m/s；排煙通道為6.6 m（寬）×4 m（高）的矩形，風(fēng)速為4.66 m/s。在斜井底部與正洞交匯處設(shè)置一風(fēng)倉(cāng)，在風(fēng)倉(cāng)的不同位置共安裝4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)管形成壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，分別向4個(gè)工作面供風(fēng)，見(jiàn)圖3。

圖2　斜井中隔板示意（單位：cm）

圖3　斜井中隔板通風(fēng)平面示意

3.3斜井進(jìn)風(fēng)通道和排煙通道的風(fēng)阻

1）斜井進(jìn)風(fēng)通道的風(fēng)阻

斜井的進(jìn)風(fēng)通道為一半徑3.3 m的半圓，斷面積S進(jìn)=17.1 m2，周長(zhǎng)U進(jìn)=16.97 m，當(dāng)量直徑D進(jìn)= 4S進(jìn)/U進(jìn)=4.03 m。

斜井進(jìn)風(fēng)通道沿程風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算公式為

式中：α進(jìn)為風(fēng)道的摩阻系數(shù)，90×10-4N·s2/m4；L進(jìn)為斜井長(zhǎng)度，2 808 m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）中可求得上部進(jìn)風(fēng)通道沿程風(fēng)阻系數(shù)Rf進(jìn)=0.086 N·s2/m8。

斜井進(jìn)風(fēng)通道的局部阻力系數(shù)包括進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)ξ進(jìn)1=0.6；中部10處錯(cuò)車道阻力系數(shù)ξ進(jìn)2=10× 0.5=5.0；井底與正洞交匯處阻力系數(shù)ξ進(jìn)3=1.5，總局部阻力系數(shù)Σ ξ進(jìn)=7.1 N·s2/m8。

風(fēng)流在斜井進(jìn)風(fēng)通道的阻力損失計(jì)算公式為

式中：Q進(jìn)為進(jìn)風(fēng)通道風(fēng)量，123.07 m3/s；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ν進(jìn)為進(jìn)風(fēng)通道風(fēng)速，7.2 m/s。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（2）中可求得風(fēng)流在斜井上部進(jìn)風(fēng)通道的阻力損失hf進(jìn)=1 523 Pa。

2）斜井排煙通道的風(fēng)阻

斜井排煙通道為一矩形，斷面積S出=26.4 m2，周長(zhǎng)U出=21.2 m，當(dāng)量直徑D出=4S出/U出=4.98 m。計(jì)算可得，下部排風(fēng)通道沿程風(fēng)阻系數(shù)Rf出=0.029 N·s2/m8。

斜井排煙通道的局部阻力系數(shù)包括斜井底部阻力系數(shù)ξ出1=0.5；中部10處錯(cuò)車道阻力系數(shù)ξ出2=10× 0.5=5.0；井口阻力系數(shù)ξ出3=1.0，總局部阻力系數(shù)∑ξ出=6.5 N·s2/m8。

風(fēng)流在斜井排煙通道的阻力損失

式中：Q出為排煙通道風(fēng)量，123.07 m3/s；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；ν進(jìn)為排煙通道風(fēng)速，4.66 m/s。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（3）中可求得風(fēng)流在斜井排煙通道的阻力損失hf出=524 Pa。

3）斜井通道中的總阻力

風(fēng)流在斜井進(jìn)風(fēng)通道和排煙通道中的總阻力損失

3.4正洞內(nèi)的風(fēng)阻

西寧端施工長(zhǎng)度為1 260 m，配用風(fēng)管直徑d為1.5 m，斷面積S管=1.77 m2，周長(zhǎng)U管=4.71 m，當(dāng)量直徑D管=4S管/U管=1.5 m。則風(fēng)管的沿程風(fēng)阻系數(shù)

式中：α管為風(fēng)管的摩阻系數(shù)，21×10-4N·s2/m4；L管為風(fēng)管的長(zhǎng)度，1 260 m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（5）中可求得風(fēng)管的沿程風(fēng)阻系數(shù)Rf管=2.25 N·s2/m8。

通風(fēng)管道的沿程阻力損失

式中：Q管為風(fēng)管內(nèi)風(fēng)量，30.77 m3/s；PL管為漏風(fēng)系數(shù)，1.5。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（6）中可求得風(fēng)管的沿程阻力損失hf管=1 420 Pa。

同理可得，格爾木端施工長(zhǎng)度為1 590 m，配用風(fēng)管直徑d為1.6 m，風(fēng)管沿程風(fēng)阻系數(shù)為2.07 N·s2/m8，通風(fēng)管道沿程阻力損失（漏風(fēng)系數(shù)取1.6）為1 225 Pa。

3.5風(fēng)機(jī)選擇

考慮了風(fēng)流在斜井進(jìn)風(fēng)通道、排煙通道總阻力損失及正洞通風(fēng)管道阻力損失，西寧端風(fēng)機(jī)壓力損失3 467 Pa，格爾木端風(fēng)機(jī)壓力損失3 272 Pa。因此，正洞4個(gè)掌子面均可選用SDF（c）-NO12.5型軸流風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為2 912 m3/min，全壓為5 355 Pa，電動(dòng)機(jī)功率為2×110 kW，雙級(jí)調(diào)速。

由于6號(hào)斜井較長(zhǎng)，為了提高掌子面供風(fēng)質(zhì)量，可考慮在斜井進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)安裝2組接力射流風(fēng)機(jī)，保證井底風(fēng)倉(cāng)有足夠的新鮮空氣滿足4個(gè)掌子面的施工需要。同時(shí)為了保證斜井排煙通道內(nèi)的污風(fēng)能順利排出井外，可考慮在斜井排煙通道內(nèi)安裝射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行助力排煙。

3.6斜井中隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）斜井中隔板的橫梁可采用方鋼，縱向間距2 m，橫梁與安裝在斜井壁上的鋼腳板焊接在一起，見(jiàn)圖4。

2）斜井中隔板可采用彩鋼板，也可采用PVC板材。中隔板與橫梁之間采用鉚釘錨固，中隔板橫向和縱向的搭接寬度均為10～15 cm。隔板在洞口段需要做延伸處理，以防止洞內(nèi)排出的污風(fēng)被上部進(jìn)風(fēng)口吸入而發(fā)生污風(fēng)循環(huán)。

3）中隔板搭接面涂密封膠粘合，然后橫向和縱向接縫再采用密封膠條進(jìn)行密封；中隔板被鉚接的部位全部涂膠密封；隔板與斜井壁間采用橡膠條壓實(shí)釘牢，然后將其下部結(jié)合部位利用噴射混凝土密封，上部結(jié)合部位灌注瀝青密封。

圖4　橫梁與鋼腳板連接

表1　6號(hào)斜井工區(qū)環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)

4　效果測(cè)試

4.1壓入式通風(fēng)效果測(cè)試

2008年8月初，對(duì)6號(hào)斜井距井口500 m處的掌子面進(jìn)行了測(cè)試。掌子面裝載機(jī)鏟砟裝砟時(shí)，環(huán)境中CO濃度在62～90 mg/m3之間變化，穩(wěn)定時(shí)CO濃度為82 mg/m3。自卸汽車駕駛室密閉后，從掌子面行駛至井口，室內(nèi)CO濃度從36 mg/m3降至34 mg/m3。駕駛室窗戶打開(kāi)（洞內(nèi)環(huán)境CO濃度），從掌子面行至斜井中間，CO濃度從63 mg/m3降至22 mg/m3。斜井外地表附近大氣溫度約為20℃，斜井內(nèi)溫度約為15℃，氧氣含量為19%～20%，其中出砟時(shí)氧氣含量最低。采用壓入式通風(fēng)，各種有害氣體的濃度均超出了規(guī)范中規(guī)定值［7］，通風(fēng)效果較差。

4.2中隔板式通風(fēng)效果測(cè)試

采用中隔板式通風(fēng)方案后，對(duì)通過(guò)6號(hào)斜井進(jìn)入正洞施工的4個(gè)作業(yè)面環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。不同工況下各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)效果見(jiàn)表1?？梢钥闯鲇捎谑芎０蔚挠绊懀鳒y(cè)點(diǎn)的氧氣含量低于規(guī)范規(guī)定的要求外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，通風(fēng)效果良好。

5　結(jié)語(yǔ)

1）中隔板式通風(fēng)的總通風(fēng)斷面較大，對(duì)應(yīng)的當(dāng)量直徑較大，通風(fēng)阻力會(huì)相應(yīng)降低很多，有利于遠(yuǎn)距離大風(fēng)量送風(fēng)，能夠同時(shí)滿足多開(kāi)挖面施工需要。

2）中隔板式通風(fēng)可以適當(dāng)縮短風(fēng)管送風(fēng)距離，使送到開(kāi)挖面的有效風(fēng)量大幅度增加，同時(shí)降低了風(fēng)管維護(hù)工作量，尤其是斜井內(nèi)避免了通風(fēng)管維修更換工作，對(duì)施工安全也十分有利。

3）按照現(xiàn)場(chǎng)一次性攤銷統(tǒng)計(jì)，隔板材料每米造價(jià)為風(fēng)管的4～5倍（風(fēng)管未考慮修補(bǔ)和更換），如果考慮到重復(fù)利用和通風(fēng)管理，那么中隔板式通風(fēng)的造價(jià)與壓入式通風(fēng)基本相當(dāng)。

4）分隔斜井時(shí)如果防漏風(fēng)措施不到位，會(huì)使中隔板的漏風(fēng)較大，出現(xiàn)污風(fēng)循環(huán)問(wèn)題。因此，在分隔斜井時(shí)應(yīng)特別注意這點(diǎn)，以取得好的施工通風(fēng)效果。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.關(guān)角隧道修建關(guān)鍵技術(shù)［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2015.

［2］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建第二線關(guān)角隧道預(yù)設(shè)計(jì)文件［Z］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2007.

［3］劉進(jìn)，方源.龍?zhí)短亻L(zhǎng)隧道施工通風(fēng)技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2005（12）：43-44.

［4］韓文起.特長(zhǎng)復(fù)雜隧洞掘進(jìn)施工通風(fēng)技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2010（12）：55-57.

［5］陳琳.公路隧道無(wú)軌運(yùn)輸條件下長(zhǎng)距離施工通風(fēng)技術(shù)［J］.鐵道建筑，2011（8）：33-35.

［6］白俊，雷建華.大茶山高瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2013（9）：39-41.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

Optimization of Construction Ventilation Scheme of Guanjiao Tunnel No.6 Inclined Shaft

ZHANG Xuzhen
（China Railway First Survey&Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

Guanjiao tunnel is currently the longest railway tunnel in China，constructed with drilling and blasting method.A total of 10 non-rail transport inclined shaft was set up.During construction，there was a difficulty that one inclined shaft was required for ventilation of multiple working places.T o solve this problem，the original design was optimized as ventilation using false ceilings.In this paper，No.6 inclined shaft was case-studied.T he false ceiling ventilation method，fan selection，structure design and ventilation effect were discussed.T he test results show that the false ceiling ventilation has good effect.It is an economic and feasible method，ensuring construction safety.

Guanjiao tunnel；Inclined shaft；Drilling and blasting method；Construction ventilation；False ceiling ventilation

U453.5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.18

1003-1995（2016）09-0071-04

（責(zé)任審編葛全紅）

2016-05-20；

2016-06-30

張旭珍（1976—），男，高級(jí)工程師。