高原缺氧環(huán)境長隧洞小斷面通風(fēng)排煙技術(shù)研究

魏 青，郭俊波

（1.四川興東禹建設(shè)工程有限公司，610000，成都；2.中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，610036，成都）

高原缺氧環(huán)境長隧洞小斷面通風(fēng)排煙技術(shù)研究

魏 青1，郭俊波2

（1.四川興東禹建設(shè)工程有限公司，610000，成都；2.中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，610036，成都）

水利水電工程中引水隧洞比較常見，通風(fēng)排煙對工程進(jìn)度和人員職業(yè)健康至關(guān)重要，尤其超長引水隧洞隨著進(jìn)深加大，通風(fēng)排煙效果不理想。西藏拉洛水利樞紐德羅引水隧洞根據(jù)該地域特殊性和實際情況進(jìn)行周密考慮，通過分期規(guī)劃，采取改善措施，解決了缺氧環(huán)境下長隧洞小斷面通風(fēng)排煙問題，對類似地區(qū)類似工程的設(shè)計和施工具有一定經(jīng)驗借鑒意義。

高原；長隧洞；小斷面；通風(fēng)排煙；拉洛水利樞紐

一、概 述

1.工程概況

德羅引水隧洞緊接進(jìn)水口布置，采用無壓引水方式，標(biāo)準(zhǔn)斷面為馬蹄形，斷面腰線寬度4.03 m，高4.05 m，襯砌厚度40 cm。進(jìn)口高程4 283.50 m，出口高程 4 280.00 m，隧洞洞長7 520.76m，縱坡0.466，隧洞出口接壓力前池。隧洞由三部分組成。第一部分長39.6 m，為消力池段，采用城門洞型，寬度4.0 m，高5.5 m，池深1.5 m，長25 m，池后接長15 m漸變段，漸變?yōu)轳R蹄形標(biāo)準(zhǔn)段。第二部分為引水隧洞標(biāo)準(zhǔn)段，斷面為馬蹄形，最大尺寸4.3 m×4.05 m。第三部分分兩部分，一為引水隧洞加高段，斷面為城門洞型，尺寸4.0 m×5.35 m；二為引水隧洞加強(qiáng)段，斷面為城門洞型，尺寸4.0 m×5.35 m，同時在德羅隧洞樁號Y7+ 456.6布置一條交通洞，洞身斷面為城門洞型，尺寸為4.0 m×4.1 m，洞長127.27 m。

德羅引水隧洞設(shè)置三條施工支洞，其中#1施工支洞布置在進(jìn)口段，與主洞交點樁號為 Y0+060 m，長158.2 m，承擔(dān)進(jìn)口段鉆爆開挖和襯砌施工任務(wù)。#2施工支洞布置在德羅隧洞中上段，與主洞交點樁號為Y2+ 407.12，長643.37 m，承擔(dān)隧洞中上段鉆爆開挖和襯砌施工任務(wù)。#3施工支洞布置在德羅隧洞中段，與主洞交點樁號為Y4+702.97，長341.48 m，承擔(dān)隧洞中下段鉆爆開挖和襯砌施工任務(wù)。施工支洞均采用城門洞型斷面，斷面寬、高尺寸4.0 m×4.2 m。

2.地質(zhì)情況

隧洞沿線地面高程為4 300 m～4 500 m，隧洞一般埋深100 m～150 m，最大埋深213 m。隧洞圍巖主要為侏羅系遮拉組（J2Z）頁巖夾薄層砂巖、出口部分為侏羅系日當(dāng)組（J1r）頁巖。隧洞軸線與巖層走向夾角一般0°～50°。隧洞區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方向21°～37°，與隧洞軸線夾角6°～56°。隧洞最大埋深處于低地應(yīng)力水平，最大水平主應(yīng)力9.1 MPa、自重應(yīng)力5.3 MPa，接近圍巖抗壓強(qiáng)度（6～8 MPa），存在軟巖大變形的可能。

3.通風(fēng)排煙現(xiàn)狀

①隧洞地處高海拔地區(qū)，含氧量嚴(yán)重不足，對通風(fēng)供氧要求高。

②隧洞單一工作面長，通風(fēng)機(jī)性能滿足不了要求，送風(fēng)風(fēng)筒漏風(fēng)十分嚴(yán)重。

③隧洞各施工支洞斷面比主洞斷面小，造成通風(fēng)排煙困難。

④通風(fēng)管理技術(shù)落后，通風(fēng)時間不夠，廢氣沒有完全排出洞外就過早停機(jī)，造成污染廢氣循環(huán)積累。

⑤地質(zhì)條件差，均為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，工期緊、任務(wù)重、安全壓力大，通風(fēng)排煙制約著整體工期。

表1 溫度與風(fēng)速的關(guān)系

二、隧洞施工污染源

德羅引水隧洞屬于小斷面長隧洞，開挖時有6個工作面，但因地形及隧洞長度影響，幾個工作面通風(fēng)排煙長度均超過了1 600 m，為確保隧洞開挖安全、快速，必須解決通風(fēng)排煙問題，隧洞越長解決通風(fēng)排煙除塵的難度越大。隧洞內(nèi)空氣中的有害氣體、粉塵使隧洞內(nèi)環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響施工人員的安全和健康，極大地影響生產(chǎn)效率。隧洞內(nèi)有害氣體主要來源于開挖爆破、出渣、噴射混凝土產(chǎn)生的煙霧和粉塵。這些有害氣體不但能影響能見度和施工進(jìn)度，還影響作業(yè)安全，危害施工人員的身體健康。

三、隧洞內(nèi)環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)

1.洞內(nèi)溫度與風(fēng)速

按照我國《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》（DT/T 5099—2011）的規(guī)定，洞內(nèi)平均溫度不應(yīng)超過28℃，應(yīng)根據(jù)不同溫度，按表 1調(diào)節(jié)洞內(nèi)風(fēng)速以提高散熱及排煙效果，但工作面附近的最小風(fēng)速不得小于0.15 m/s，最大風(fēng)速也不應(yīng)大于4.0 m/s。

2.洞內(nèi)空氣標(biāo)準(zhǔn)

《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》（DT/T 5099—2011）規(guī)定，洞內(nèi)每個作業(yè)人員應(yīng)供新鮮空氣3 m3/min。洞內(nèi)空氣中含量為10%以上游離SiO2的粉塵濃度最高為2 mg/m3。

3.洞內(nèi)通風(fēng)要求

①在高原地區(qū)，隧洞內(nèi)氧氣含量不低于空間體積的18%。

②在每m3空氣中含有大于10%的游離SiO2粉塵不得大于2mg，游離SiO2含量小于10%時，有毒的粉塵不得大于4 mg。

③CO不大于30 mg/m3，CO2、氮氧化物和瓦斯含量要低于體積的0.5%。

④洞內(nèi)氣溫不高于28℃，噪聲不大于90分貝。

⑤供應(yīng)每人的新鮮空氣不低于3 m3/min；低瓦斯情況下，供應(yīng)每人的新鮮空氣不低于4 m3/min；內(nèi)燃機(jī)工作情況下，供應(yīng)每人的新鮮空氣不低于3 m3/min·kW，開挖時的斷面風(fēng)速不低于0.15 m/s。

四、通風(fēng)排煙方案

隧洞通風(fēng)的基本原理是利用外來新鮮空氣沖淡、稀釋施工中產(chǎn)生的各類有害氣體，使之達(dá)到安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。通風(fēng)量計算包括施工人員所需風(fēng)量計算、爆破散煙的需風(fēng)量計算、滿足最小風(fēng)速所需風(fēng)量計算及沖淡柴油機(jī)廢氣所需風(fēng)量計算等，設(shè)計風(fēng)量為這四項計算風(fēng)量的最大值。

1.通風(fēng)風(fēng)量分析

（1）計算原則

根據(jù)洞室施工程序、方法、施工設(shè)備配置及通風(fēng)方式的安排，采用純稀釋理論、隧洞最小風(fēng)速計算方法進(jìn)行通風(fēng)量計算。計算中，通風(fēng)管路按100 m漏風(fēng)率取1%～2%，沿程風(fēng)壓損失最大取20%，隧洞斷面風(fēng)速不小于0.5 m/s。

按規(guī)范規(guī)定，開挖時需要的通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)下列原則分別計算，取其中最大數(shù)值。

①按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算，每人每分鐘供給3.0 m3的新鮮空氣。

②按爆破規(guī)定時間內(nèi)將工作面的有害氣體排出或沖淡至容許濃度計算，每千克炸藥爆破后可產(chǎn)生折合成40 L的CO氣體。

③洞內(nèi)使用柴油機(jī)械時，可按每千瓦每分鐘4 m3風(fēng)量計算，并與同時工作的人員所需的通風(fēng)量相加。

④全斷面開挖風(fēng)速不小于0.15 m/s。

⑤計算的通風(fēng)量，應(yīng)按最大最小容許風(fēng)速和相應(yīng)洞內(nèi)溫度所需的風(fēng)速進(jìn)行校核。

（2）施工人員需風(fēng)量

根據(jù)《水利水電工程施工手冊》：

VP=VP×M×K式中，VP為施工人員需風(fēng)量，m3/min；VP為每人所需新鮮空氣量，取3m3/min·人；M為同時作業(yè)最多人數(shù)，取m=8；K為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.1～1.15。

根據(jù)不同作業(yè)面計算施工人員需風(fēng)量：

VP施≈27.6（m3/min）

（3）出渣機(jī)械人員通風(fēng)量

出渣采用電動機(jī)械作業(yè)，按1臺斗容0.5m3電動挖掘機(jī) （86kW）、2臺8t電動自卸車（2×70kW）同時作業(yè)人員按4人計：

VP=VP×M×K=13.8（m3/min）

因此，作業(yè)總風(fēng)量V=13.8（m3/min）

（4）排除爆破廢氣所需風(fēng)量

根據(jù)《隧道施工及組織管理指南》：

QH=100×E×be/（e'×t）

式中，QH為稀釋炮煙所需風(fēng)量，m3/min；E為同時爆破的炸藥量（kg），E=截面積×循尺深度×單位圍巖用炸藥量；be為1 kg炸藥爆破后所產(chǎn)生的一氧化碳；e'為允許有害氣體的濃度，一般為0.02；t為規(guī)定通風(fēng)時間（min），取散煙時間30 min。

經(jīng)計算：QH=488.88（m3/min）

（5）最小風(fēng)速風(fēng)量

計算公式：Qu≥Vf×F（m3/s）

式中，Vf為最小風(fēng)速 （m/s），取0.15 m/s；F為隧洞最大斷面積（m2）；

經(jīng)計算：Qu施=216（m3/min）

（6）通風(fēng)量確定

綜合考慮炮后散煙與作業(yè)人員施工不會同時進(jìn)行，出渣過程及噴混凝土?xí)r連續(xù)進(jìn)行通風(fēng)排煙外，其他時段采用間隔通風(fēng)。采用爆破排煙加施工人員用風(fēng)量以及最小風(fēng)速要求下的通風(fēng)量進(jìn)行比較，經(jīng)分析隧洞各個施工部位的最小通風(fēng)量為488.88 m3/min。

2.通風(fēng)設(shè)備選型

根據(jù)上述計算確定的最小通風(fēng)量，施工通風(fēng)設(shè)備選用AVH90.2.8型通風(fēng)機(jī)（距離1800m，最大通風(fēng)量2739 m3/min，考慮風(fēng)管分叉，單個工作面分風(fēng)量約1 300 m3/min），考慮到高原降效系數(shù)0.6、叉管、風(fēng)阻、風(fēng)管漏風(fēng)以及風(fēng)壓損失，所選設(shè)備可滿足通風(fēng)量需要。

3.風(fēng)管選擇

風(fēng)管選用直徑為1 000 mm的涂塑帆布風(fēng)筒，接頭采用拉鏈?zhǔn)竭B接，拆裝方便。從各支洞口延支洞布置，風(fēng)筒吊掛在隧洞頂部，進(jìn)入主洞后根據(jù)工作面進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，接至施工作業(yè)部位。

4.分期通風(fēng)規(guī)劃

通風(fēng)散煙、除塵的影響是連續(xù)性的，針對德羅引水隧洞的洞室施工程序及施工進(jìn)度安排，各支洞 （交通洞）、主洞室施工通風(fēng)總體上分為Ⅲ期布置。

①在各工作面開挖未貫通時，采用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)。

②#1支洞與進(jìn)口、交通洞與出口工作面貫通時，采用壓入式與巷道式通風(fēng)，在#1支洞、交通洞采用壓入式供風(fēng)，進(jìn)口與出口自然通風(fēng)；#3支洞與交通洞工作面貫通時，#3支洞采用壓入式供風(fēng)，進(jìn)口與出口及交通洞采用巷道通風(fēng)；#2支洞與#3支洞工作面貫通時，采用壓入式與混合式通風(fēng)，在#1、#3支洞采用壓入式供風(fēng)，#2支洞采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行負(fù)壓供風(fēng)。

③#1支洞與#2支洞開挖面貫通，開挖結(jié)束，以自然通風(fēng)為主，機(jī)械輔助通風(fēng)。

圖1 Ι期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

圖2 Ⅱ期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

圖3 Ⅲ期通風(fēng)規(guī)劃示意圖

表2 通風(fēng)設(shè)備分類匯總表

5.通風(fēng)設(shè)備匯總

通風(fēng)設(shè)備分類匯總見表2。

五、技術(shù)要點及安全措施

1.技術(shù)要點

①風(fēng)管出風(fēng)口距離工作面的距離不宜太遠(yuǎn)，否則會在工作面附近形成循環(huán)風(fēng)流，炮煙難以散去。德羅引水隧洞建議風(fēng)筒距離工作面為35～45 m。此外出風(fēng)口要正對工作面，避免形成局部風(fēng)流，且要在風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處的進(jìn)風(fēng)口處使用剛性風(fēng)筒，避免風(fēng)損增大。

②采用壓入式通風(fēng)，回風(fēng)會攜帶污風(fēng)污染整個通道，尤其在交叉口處，還會擴(kuò)散到另外一個作業(yè)面。因此在交叉口出要合理布置風(fēng)門，阻止回風(fēng)向另一個工作面擴(kuò)散，提高通風(fēng)排煙效率。

③爆破后炮煙往往集中在工作面附近一定距離內(nèi)，在此范圍內(nèi)采取噴霧除塵措施能夠有效降低回風(fēng)中的粉塵含量。尤其對于長距離通風(fēng)，在作業(yè)面60～80 m范圍噴霧降塵，作業(yè)環(huán)境將明顯改善。

④采用功率大、噪音低、性能優(yōu)越的通風(fēng)機(jī)，不僅能保證洞內(nèi)通風(fēng)穩(wěn)定可靠，而且能有效降低每延米通風(fēng)功率，節(jié)約電源，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

⑤在長隧洞施工中，受風(fēng)筒破損、老化、變徑、轉(zhuǎn)彎等因素影響，往往實際風(fēng)損要大于理論計算值，單臺風(fēng)機(jī)無法滿足長距離通風(fēng)要求時，宜采用通風(fēng)機(jī)串聯(lián)方式進(jìn)行接力通風(fēng)。接力通風(fēng)機(jī)盡量采用同型號的通風(fēng)機(jī)，且通風(fēng)口處用一節(jié)剛性風(fēng)筒與柔性風(fēng)筒連接。

⑥在高原缺氧狀態(tài)下，要考慮施工降效問題，根據(jù)海拔和含氧量進(jìn)行降效計算，德羅引水隧洞地處4 300 m海拔，含氧量為內(nèi)地60%～66%范圍，所以此處降效按60%計算。

2.安全措施

①爆破材料運輸、儲存、加工、現(xiàn)場裝藥、連線、起爆及瞎炮處理必須遵循《爆破安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。

②進(jìn)行爆破時設(shè)備、人員應(yīng)撤離至飛石、有害氣體和爆破沖擊波影響范圍之外，且無落石威脅的安全地點，對難以撤離的施工機(jī)具、設(shè)備應(yīng)以隔離遮蓋防護(hù)。

③洞內(nèi)用電由專業(yè)電工定期、不定期進(jìn)行供電線路的維護(hù)檢修，所有設(shè)備均要安裝漏電保護(hù)器。

④加強(qiáng)洞內(nèi)圍巖變形觀測，及時掌握圍巖穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取措施。

⑤所有洞內(nèi)作業(yè)人員在上崗前須經(jīng)過安全培訓(xùn)，學(xué)習(xí)安全知識，樹立安全意識，對風(fēng)筒采取保護(hù)措施，不得隨意挪動和破壞。

⑥在離各工作面最近的避車道配備氧氣瓶，確保在人員缺氧或受傷狀態(tài)時能供應(yīng)及時。

[1]李國華，等.超長引水隧洞施工期通風(fēng)措施研究[J].人民長江，2016（47）.

[2]盧建設(shè).小斷面長隧洞施工的通風(fēng)排煙及除塵[J].水利水電施工，2013（03）.

責(zé)任編輯 李建章

Research on ventilation and smoke exhausting technologies for small sections of a long tunnel under oxygen-deficient environment

Wei Qing，Guo Junbo

It is common to include diversion tunnels in the construction of hydropower stations.In this case, induce ventilating and smoke exhausting system can play a significant role for ensuring schedule of construction and health of workers,especially when long diversion tunnel is getting deeper and unfavorable condition is involved.More considerations had been given to local particularities and actual conditions during the construction of Deluo Diversion Tunnel of Laluo Water Complex in Tibet.Solutions are designed to induce ventilating and smoke exhausting in small section of long tunnel under oxygen-deficient environment,which is of reference value for design and construction of similar projects.

plateau;long tunnel;small section;induce ventilating and smoke exhausting;Laluo Water Complex

TV+TB495

B

1000-1123（2016）20-0062-04

2016-10-18

魏青，助理工程師。