秦嶺隧洞(黃三段)3號(hào)洞施工通風(fēng)方案比選

(水利部水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督總站陜西省引漢濟(jì)渭項(xiàng)目站， 陜西 西安 710000)

秦嶺隧洞(黃三段)3號(hào)洞施工通風(fēng)方案比選

陳紅如

(水利部水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督總站陜西省引漢濟(jì)渭項(xiàng)目站， 陜西 西安 710000)

以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞(黃三段)3號(hào)洞為例，針對(duì)4km獨(dú)頭掘進(jìn)的實(shí)際情況，為了保障施工人員的人身安全，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的理念，進(jìn)行施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)比選，以選擇最優(yōu)方案，既確保了作業(yè)安全，又體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

隧洞；通風(fēng)；比選；節(jié)能

施工通風(fēng)一直是隧道施工有序開展的重要保障措施，通風(fēng)效果的良好與否，既關(guān)系到隧道施工的正常進(jìn)展，又影響到施工人員的身體健康，因此，相關(guān)隧道施工規(guī)范中，均對(duì)施工通風(fēng)進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。對(duì)于公路、客專等隧道來說，因其高、寬尺寸均較大，施工條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單線鐵路和引水隧洞等小斷面隧道，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置也較為容易。

在小型隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，由于襯砌臺(tái)車、仰拱棧橋及施工機(jī)械的影響，通風(fēng)設(shè)施的布置較為困難，如果處理不當(dāng)，極易造成通風(fēng)失效，危及施工人員安全。對(duì)于小斷面隧道，施工通風(fēng)的設(shè)計(jì)是個(gè)較大的難題，在保障作業(yè)人員安全的前提下，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是一個(gè)更大的難題。

本文以引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞(黃三段)3號(hào)洞為例，針對(duì)斜井進(jìn)主洞并長(zhǎng)達(dá)4km獨(dú)頭掘進(jìn)的實(shí)際情況，采用方案比選的方式，選擇最經(jīng)濟(jì)的施工方案，以體現(xiàn)效益最大化的目的。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞(黃三段)隧洞Ⅱ標(biāo)主隧洞樁號(hào)起點(diǎn)為K7+929，終點(diǎn)為K16+481.16，總長(zhǎng)8552.16m，隧洞設(shè)計(jì)流量70m3/s，縱比降1/2500。標(biāo)段設(shè)兩條施工支洞，其中3號(hào)施工支洞與主洞交匯處對(duì)應(yīng)主洞樁號(hào)為K10+274.99，支洞全長(zhǎng)為979.97m，平面布置與主洞夾角60°，采用圓拱直墻型斷面，斷面尺寸為6.8m×6.0m。根據(jù)任務(wù)分割，3號(hào)主洞段全長(zhǎng)5346m，其中上游方向約為2346m，下游方向約為3000m，采用馬蹄形斷面，斷面尺寸為6.76m×6.76m。

2 施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

正洞全斷面開挖，有效爆破深度取3m，按最大開挖斷面計(jì)算，開挖面積A=56m2；單位體積巖石炸藥用量，全斷面開挖取1.0kg/m3；排除炮煙通風(fēng)時(shí)間取值20min；軟管百米漏風(fēng)率，在長(zhǎng)距離通風(fēng)情況下，取值P100=2.0%；柴油機(jī)用風(fēng)指標(biāo)取值4.0m3/min·kW；達(dá)西系數(shù)取值λ=0.015；自卸汽車隧道內(nèi)行車速度為12km/h，在斜井或者出現(xiàn)路面不平整時(shí)，車速為5km/h。

2.2 通風(fēng)計(jì)算[1]

隧洞施工采用無軌運(yùn)輸，每個(gè)工作面均采用獨(dú)立供風(fēng)，斜井供風(fēng)長(zhǎng)度為1000m，主洞上游供風(fēng)長(zhǎng)度2346m，主洞下游供風(fēng)長(zhǎng)度3000m。

2.2.1 按隧洞內(nèi)施工的最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量

每人每分鐘需要的新鮮空氣量q=3m3/min，風(fēng)量備用系數(shù)取k=1.2，同時(shí)工作人數(shù)按m=60計(jì)算。則Q1=k·m·p=1.2×60×3=216m3/min。

2.2.2 按最低允許風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量

按最低允許風(fēng)速υ=0.15m/s，則工作面風(fēng)量：Q2=60υA=60×0.15×56=504m3/min。

2.2.3 按最多炸藥用量計(jì)算風(fēng)量

單位炸藥用量1.0kg/m3，循環(huán)進(jìn)尺量3m，開挖斷面積A=56m2。則一次爆破炸藥用量G=1.0×(56×3)=168kg，計(jì)算炮煙拋擲長(zhǎng)度：L0=15+G/5=15+168/5=49m。

計(jì)算長(zhǎng)度49m，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度，要滿足掌子面到二襯區(qū)段通風(fēng)需求，按100m考慮，取L0=100m。取爆破后通風(fēng)時(shí)間t=20min，工作面要求新鮮風(fēng)量采用B.H.伏洛寧公式計(jì)算為

=679m3/min

從以上計(jì)算結(jié)果比較，按排除炮煙計(jì)算風(fēng)量是所有計(jì)算風(fēng)量中最大的，從安全角度考慮，工作面的設(shè)計(jì)風(fēng)量暫取排除炮煙風(fēng)量Q=700m3/min。

2.2.4 計(jì)算平均風(fēng)速

2.3 施工通風(fēng)的工作面風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選擇

施工通風(fēng)根據(jù)不同施工階段的任務(wù)劃分及長(zhǎng)大隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，采用壓入式通風(fēng)方案，各部位通風(fēng)設(shè)計(jì)距離見表1。

表1 通風(fēng)設(shè)計(jì)距離一覽

2.3.1 供風(fēng)量的確定

風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量按稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣的要求來確定，采用24t紅巖自卸車出渣，裝機(jī)功率225kW。采用ZL50型裝載機(jī)裝渣，其功率為150kW。重車的負(fù)荷率為0.8，空車的負(fù)荷率0.3，裝載機(jī)的負(fù)荷率0.7，所有設(shè)備的利用率0.8。每輛車裝渣循環(huán)時(shí)間為6min，行車時(shí)速為12km/h時(shí)，重車的行車間距為1200m，各施工部位機(jī)械布置及供風(fēng)量見表2。

表2 各部位機(jī)械布置及供風(fēng)量一覽

根據(jù)既有施工經(jīng)驗(yàn)，取百米漏風(fēng)率P100=2%，采用漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算公式為

式中PL——漏風(fēng)系數(shù)；

L——通風(fēng)距離，m。

經(jīng)計(jì)算，各段落漏風(fēng)系數(shù)見表3。

表3 漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算

取工作風(fēng)量為700m3/min，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇見表4。

表4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇

壓入式通風(fēng)以滿足掌子面最大風(fēng)量需求為主，同時(shí)應(yīng)使整個(gè)洞室作業(yè)環(huán)境也要基本滿足要求。工作面的需求風(fēng)量?jī)H為700m3/min，按表2稀釋尾氣后機(jī)械需要確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量，自然也滿足工作面的風(fēng)量要求，但采用此計(jì)算方法，耗電多不經(jīng)濟(jì)，故選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，適當(dāng)放寬對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求。

2.3.2 風(fēng)壓的確定

管道阻力系數(shù)Rf計(jì)算見表5。

表5 管道阻力系數(shù)Rf計(jì)算

表6 沿程損失計(jì)算

根據(jù)以上公式，計(jì)算后各風(fēng)機(jī)風(fēng)壓見表7。

表7 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算成果

2.3.3 風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式為

W=QHK/60η

式中W——風(fēng)機(jī)功率，W；

Q——風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，m3/min；

H——風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，Pa；

η——風(fēng)機(jī)工作效率，取80%；

K——功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.1。

W1=3600×11000×1.1/(60×80%)/1000=908kW

W2=2400×5000×1.1/(60×80%)/1000=275kW

W3=1800×2700×1.1/(60×80%)/1000=110kW

W4=1200×1000×1.1/(60×80%)/1000=28kW

W5=2400×1200×1.1/(60×80%)/1000=66kW

W6=4000×3000×1.1/(60×80%)/1000=275kW

2.4 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)以上計(jì)算，該隧洞通風(fēng)，主要需要軸流風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)兩種，軸流風(fēng)機(jī)擬選用天津生產(chǎn)的多級(jí)和單級(jí)調(diào)速風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)選用SDS-11.2型。各施工作業(yè)面軸流風(fēng)機(jī)具體型號(hào)見表8。

表8 各施工作業(yè)面軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性比選，采用方案2作為實(shí)施方案。

3 通風(fēng)布置方案

在斜井1000m施工范圍內(nèi)，采用1臺(tái)單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)。斜井轉(zhuǎn)主洞后，擬采用3種方案進(jìn)行后期通風(fēng)，襯砌作業(yè)時(shí)，每個(gè)臺(tái)車配置1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。

3.1 斜井段壓入式通風(fēng)

斜井施工時(shí)，單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)安裝在洞外，直接向掌子面壓入通風(fēng)，通風(fēng)布置如圖1所示。

圖1 斜井段前期通風(fēng)系統(tǒng)布置

3.2 比選方案一：主洞洞外壓入式通風(fēng)

該方案為常規(guī)施工方法，2臺(tái)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)安裝在洞外，直接向掌子面壓入通風(fēng)，為防止上下游掘進(jìn)不同步時(shí)造成壓力不對(duì)稱，斜井設(shè)3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)組，通風(fēng)布置如圖2所示。

圖2 主洞洞外壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置

3.3 比選方案二：主洞設(shè)蓄風(fēng)房的壓入式通風(fēng)(斜井雙風(fēng)帶)

2臺(tái)單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)或?qū)π捷S流風(fēng)機(jī)安裝在洞外，通過2條風(fēng)帶向風(fēng)房供風(fēng)。在交匯段設(shè)置6×20m風(fēng)房，風(fēng)房采用24磚砌筑或活動(dòng)板建造，頂部10cm敞開，通過風(fēng)房采用2臺(tái)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)向上下游供風(fēng)，其間距大于10m，斜井設(shè)置3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)組，通風(fēng)布置如圖3所示。

圖3 主洞設(shè)蓄風(fēng)房的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置方式一

3.4 比選方案三：主洞設(shè)蓄風(fēng)房的壓入式通風(fēng)(斜井單風(fēng)帶)

1臺(tái)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)安裝洞外，通過1條風(fēng)帶向風(fēng)房供風(fēng)，在風(fēng)房用2臺(tái)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)向上下游供風(fēng)，斜井設(shè)3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)組，通風(fēng)布置如圖4所示。

圖4 主洞設(shè)蓄風(fēng)房的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)布置方式二

4 方案選擇

各方案均能滿足安全要求，但該隧洞主洞施工時(shí)，因工期較長(zhǎng)，需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，以選擇最優(yōu)方案，降低施工成本。根據(jù)工期要求，隧洞主洞作業(yè)時(shí)間3年，風(fēng)機(jī)從低檔到高檔逐步轉(zhuǎn)換，計(jì)算時(shí)按750天考慮風(fēng)機(jī)負(fù)荷，各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表9。

表9 各方案經(jīng)濟(jì)效益分析對(duì)比

從表9可以看出，采用方案2，相對(duì)于方案1，節(jié)約費(fèi)用924萬(wàn)元，占總成本的114%；相對(duì)于方案3，節(jié)約費(fèi)用190萬(wàn)元，占總成本的23%。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，推薦采用比選方案2。

5 結(jié) 語(yǔ)

隧道施工中，節(jié)能減排一直是技術(shù)人員研究的重點(diǎn)，也是科技攻關(guān)的難點(diǎn)，其直接影響項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過實(shí)際案例，對(duì)斜井進(jìn)主洞的小斷面隧洞通風(fēng)方案進(jìn)行了比選，既選擇了最優(yōu)方案，又降低了成本投入，對(duì)類似工程可參考使用。

[1] 陳進(jìn)明. 小斷面長(zhǎng)大過水隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)[J]. 工程建設(shè)，2015，47(5)：28-32.

[2] 賴滌泉. 隧道施工通風(fēng)與防塵[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1991.

[3] 張梅，王曉州，等. 鐵路隧道施工通風(fēng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化管理指導(dǎo)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社,2010.

[4] 朱永全，宋玉香. 隧道工程[M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社,2013.

ComparisonofconstructionventilationplanofQinlingtunnel(HuangsanSection)No.3cave

CHEN Hongru

(MWRWaterConservancyProjectConstructionQualityandSafetySupervisionGeneralStationShaanxiHanjiangRiver-to-WeiheRiverDiversionProjectStation,Xi’an710000,China)

Qinling tunnel (Huangsan Section) No. 3 cave in Hanjiang River-to-Weihe River Diversion Project is adopted as an example. Construction ventilation plan design is compared aiming at actual condition of 4 km single head excavation in order to guarantee the personnel safety of construction staff and realizing the concept of saving energy, thereby selecting the optimal plan, ensuring operation safety, and embodying economic value.

tunnel; ventilation; comparison; energy saving

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.005

TV523

B

1005-4774(2017)010-0018-05