長(zhǎng)斜井條件下高埋深長(zhǎng)主洞通風(fēng)技術(shù)

李庭堅(jiān)

【摘要】山西省中部引黃工程07標(biāo)段是具有長(zhǎng)斜井、高埋深、長(zhǎng)主洞等特點(diǎn)的引水隧洞工程，解決主洞施工階段通風(fēng)問(wèn)題是該工程的一大難題。本文介紹長(zhǎng)斜井條件下高埋深長(zhǎng)主洞從通風(fēng)方式的選擇、洞內(nèi)最大風(fēng)量需求的理論計(jì)算、通風(fēng)設(shè)備配套選型、通風(fēng)系統(tǒng)布置等方面，有效的解決了主洞通風(fēng)難題，改善了洞內(nèi)施工人員作業(yè)環(huán)境，提高了施工效率，加快了施工進(jìn)度，為類似隧洞施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)斜井；高埋深；長(zhǎng)主洞；通風(fēng)技術(shù)

【Abstract】The Shanxi section of Yellow River Diversion Project 07 is a diversion tunnel project with long inclined shafts， high buried depth and long main hole. It is a major challenge to solve the ventilation problem during the construction of main tunnel. In this paper， the main tunnel with long and deep burial under long inclined conditions is selected to choose the ventilation mode， the theoretical calculation of the maximum air flow demand in the tunnel， the matching of ventilation equipment and the layout of ventilation system， so as to effectively solve the ventilation problem in the main tunnel and improve The working environment for the construction workers in the tunnel improved the construction efficiency， accelerated the construction progress and provided reference for the similar tunnel construction.

【Key words】Long inclined shaft；High buried depth；Main hole；Ventilation technology

1. 概述

（1）山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，本工程干線自天橋水電站庫(kù)區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣，規(guī)劃年供水6.02億立方米。

（2）山西省中部引黃工程07標(biāo)段工期35個(gè)月，由四條施工支洞承擔(dān)主洞全長(zhǎng)15.81Km施工任務(wù)，支洞為城門(mén)洞型，且均為長(zhǎng)斜井，14#～17#支洞長(zhǎng)度分別為491.30m、761.77m、885.44m、672.42m，設(shè)計(jì)坡比分別為15.40%、24.61%、33.00%、41.97%。主洞為城門(mén)洞型，各支洞控制段都為長(zhǎng)主洞，平均單個(gè)施工面都達(dá)到了2Km。15#、16#、17#支洞上下游埋深分別為294～346m、314～391m、290～432m、248～458m、248～458m、177～418m，平均埋深達(dá)到339.5m。在長(zhǎng)斜井、高埋深、長(zhǎng)主洞條件下，解決主洞通風(fēng)是一大難題。

2. 研究背景

2.1根據(jù)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》（SL 378-2007）第5.9.1條規(guī)定：施工支洞的設(shè)置應(yīng)根據(jù)地下建筑物的布置、工程量、總進(jìn)度、地形、地質(zhì)條件、施工方法、施工道路布置及施工機(jī)械等因素經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，并應(yīng)遵守下列規(guī)定：

（1）采用鉆孔爆破法開(kāi)挖時(shí)，支洞的間距宜小于3Km。

（2）豎井與斜井的施工支洞，高差宜小于200m。

2.2而本工程施工支洞最長(zhǎng)896m，兩支洞的間距最長(zhǎng)達(dá)到4032m，即支洞控制主洞獨(dú)頭超過(guò)2000m，施工支洞與主洞高差達(dá)245m，埋深高達(dá)458m，以上因素給施工通風(fēng)帶來(lái)極大的困難。

3. 隧洞通風(fēng)要求

3.1隧道內(nèi)有害氣體的濃度要求（見(jiàn)表1）：

3.2溫度要求。

隧洞內(nèi)最適宜作業(yè)人員的溫度是15℃～20℃，掌子面的溫度不宜大于30℃。

3.3濕度要求。

空氣相對(duì)濕度低于30%時(shí)，水份蒸發(fā)過(guò)快，會(huì)引起身體粘膜干裂；空氣相對(duì)濕度大于80%時(shí)，水份蒸發(fā)困難，使人煩悶；比較舒適的濕度應(yīng)是50%～60%左右。

4. 通風(fēng)方式選擇

目前隧洞通風(fēng)方式主要有純壓入式通風(fēng)、純抽出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)等。

4.1壓入式通風(fēng)。

壓入式通風(fēng)方式風(fēng)機(jī)位于隧洞洞口，利用風(fēng)機(jī)提供的正壓壓入新鮮空氣，排出污濁空氣。其優(yōu)點(diǎn)是：可有效稀釋洞內(nèi)有毒有害、可燃?xì)怏w，在瓦斯隧洞中使用具有較大優(yōu)勢(shì)。新鮮空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)，腐蝕性、磨損較小。其主要缺點(diǎn)是：隨著隧洞增長(zhǎng)，漏風(fēng)量變大，排煙速度慢，開(kāi)挖工作面排出的粉塵和炮煙需要經(jīng)過(guò)已開(kāi)挖的隧洞，無(wú)法保障洞內(nèi)作業(yè)人員（特別是主支交叉段的作業(yè)人員）的身體健康。

4.2抽出式通風(fēng)。

抽出式通風(fēng)方式風(fēng)機(jī)位于隧洞洞口，利用風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓抽出污油空氣。抽出式通風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)與壓入式通風(fēng)相反。其優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)挖工作面排出的粉塵和炮煙不需要經(jīng)過(guò)已開(kāi)挖的隧洞，保障作業(yè)人員的身體健康和工作效率。其缺點(diǎn)是：在瓦斯洞段，瓦斯氣體由風(fēng)管集中抽出，安全性能較差。同時(shí)，抽出式通風(fēng)必須使用硬質(zhì)風(fēng)筒（負(fù)壓管），成本高且適應(yīng)性較差。污風(fēng)通過(guò)風(fēng)機(jī)，對(duì)風(fēng)機(jī)的腐蝕性、磨損較大。endprint

4.3混合式通風(fēng)。

混合式通風(fēng)使用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，分別為為壓入式和抽出式風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒均延伸至開(kāi)挖工作面（但抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒應(yīng)略延后壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒幾十米，且安裝高度應(yīng)高于壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒），該方式兼有壓入式和抽出式的優(yōu)點(diǎn)，但需要兩套風(fēng)機(jī)設(shè)備，投資大且管理復(fù)雜。

4.4結(jié)論。

綜上所述，根據(jù)各類的通風(fēng)方式的特點(diǎn)，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，主要從投資、支洞洞徑等方面考慮，最終采用壓入式通風(fēng)方式。但由于隧洞距離較長(zhǎng)，存在風(fēng)量、風(fēng)壓損失，因此在進(jìn)入主洞后一定范圍內(nèi)需要布置接力風(fēng)機(jī)，以保證掌子面足夠的新鮮空氣及高效散煙。并配以局扇、降塵噴霧機(jī)、尾氣過(guò)濾器等輔助性措施，進(jìn)一步減少洞內(nèi)有毒有害氣體及煙塵。

5. 風(fēng)量需求及風(fēng)機(jī)選型

5.1洞內(nèi)風(fēng)量需求計(jì)算。

根據(jù)水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范（SL 378-2007）及我公司地下工程的施工經(jīng)驗(yàn)，隧洞內(nèi)通風(fēng)量需滿足（由于本工程支洞斷面小，只考慮安裝一條風(fēng)管，洞口風(fēng)機(jī)按一臺(tái)配備，因此在支洞施工階段需提前計(jì)算主洞施工階段的最大用風(fēng)量，以避免后期更換更大功率風(fēng)機(jī)導(dǎo)致現(xiàn)有風(fēng)機(jī)閑置）：

5.1.1主洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)所需新鮮空氣量。

5.2風(fēng)機(jī)配套選型。

（1）根據(jù)前文風(fēng)量需求計(jì)算，考慮主洞長(zhǎng)距離漏風(fēng)等，選擇功率為75×2KW對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)，最大流量為200000m3/h，工作效率83%。支洞選用φ1000mm的正壓風(fēng)管，主洞風(fēng)管選用φ800mm的正壓風(fēng)管。雖然配備的風(fēng)機(jī)理論上已滿足主洞內(nèi)通風(fēng)需要，但由隧洞距離較長(zhǎng)，存在風(fēng)量、風(fēng)壓損失，因此在進(jìn)入主洞后需要37×2KW接力風(fēng)機(jī)（部分對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)選型參數(shù)表見(jiàn)表2）。

（2）風(fēng)管與風(fēng)機(jī)的選型，首先保證工作面的風(fēng)量，再結(jié)合造價(jià)等因素。風(fēng)管的選用主要選用風(fēng)管具有風(fēng)阻小、裝拆方便、耐用、易修補(bǔ)、防水阻燃、耐腐蝕等特點(diǎn)。加工時(shí)以10～20m為一節(jié)，減少接頭以降低風(fēng)阻，便于裝拆。

（3）通風(fēng)管道的壓力損失與風(fēng)管直徑的五次方成反比，即：實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大風(fēng)量通風(fēng)的最有效的技術(shù)措施是采用大直徑風(fēng)管，這不僅可以減少通風(fēng)機(jī)、延長(zhǎng)送風(fēng)距離，還可以成倍地降低通風(fēng)能耗。

（4）造成風(fēng)管漏風(fēng)損失的主要原因有：管道接頭漏風(fēng)、管道破損漏風(fēng)。為減少管道接頭漏風(fēng)損失，除增大管道節(jié)長(zhǎng)以減少接頭外，還可采用新型剛性接頭，增強(qiáng)接頭的密封性。

6. 通風(fēng)系統(tǒng)布置

主風(fēng)機(jī)為75×2KW對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)，安裝在支洞洞口10m范圍內(nèi)。支洞采用φ1000mm正壓風(fēng)管延伸至主支交叉口，與變徑三岔管（自己加工）連接，三岔管另兩端與主洞φ800mm風(fēng)管連接，分別走向主洞上、下游。風(fēng)管懸掛位置要結(jié)合實(shí)際斷面考慮，以不影響施工機(jī)械通行為宜（本工程由于斷面小，參考本工程施工機(jī)械的規(guī)格，支洞風(fēng)管只能掛在起拱線的位置，主洞則掛在頂拱位置），洞身每隔10m 設(shè)置錨桿，外露10cm，用以固定風(fēng)管。安裝風(fēng)管時(shí)要求整條管路穩(wěn)、平、直、無(wú)扭曲、無(wú)褶皺，盡量減少風(fēng)阻。主洞接力風(fēng)機(jī)為37×2KW，第一臺(tái)接力風(fēng)機(jī)位置需根據(jù)支洞長(zhǎng)度和風(fēng)量、風(fēng)壓損失長(zhǎng)度而定，一般在進(jìn)入主洞后的50m左右距離。接力風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口須與上一級(jí)風(fēng)機(jī)風(fēng)管的出風(fēng)口斷開(kāi)5～10cm。若完全對(duì)接，會(huì)造成上一級(jí)風(fēng)機(jī)風(fēng)管負(fù)壓而降徑或完全吸癟；若距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力損失過(guò)大，且吸入大量煙塵。之后的接力風(fēng)機(jī)可根據(jù)實(shí)際通風(fēng)排煙情況而定，一般在600m～800m間接接力，風(fēng)管出風(fēng)口距離掌子面50m左右（支洞風(fēng)管布置示意圖見(jiàn)圖1、主洞通風(fēng)系統(tǒng)布置示意圖見(jiàn)圖2）。

7. 通風(fēng)管理及技術(shù)措施

要想得到滿意的通風(fēng)效果、縮短循環(huán)作業(yè)時(shí)間，除依靠合理的通風(fēng)方式以外，前期的開(kāi)挖階段出渣方式的選擇和過(guò)程中通風(fēng)管理也是相當(dāng)重要。以下是具體通風(fēng)管理及技術(shù)措施：

（1）出渣方式。常規(guī)的主洞無(wú)軌運(yùn)輸掌子面一般采用裝載機(jī)出渣，考慮到本工程支洞控制主洞段單邊距離長(zhǎng)，若采用裝載機(jī)裝渣，通風(fēng)排煙將很難解決，采用扒渣機(jī)出渣可大大較少煙塵、尾氣的產(chǎn)生。通過(guò)在主支交叉段設(shè)置下拉槽，礦車?？吭谙吕蹆?nèi)，自卸汽車將掌子面洞渣運(yùn)輸至交叉段后卸入下拉槽內(nèi)，再由扒渣機(jī)裝入礦車內(nèi)，通過(guò)礦井提升機(jī)將側(cè)卸式礦車提升至洞外卸渣平臺(tái)，采用側(cè)卸的方式將洞渣卸至卸渣平臺(tái)下方的自卸汽車內(nèi)，自卸汽車將洞渣轉(zhuǎn)運(yùn)至渣場(chǎng)（主洞出渣示意圖見(jiàn)圖3、交叉段轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖見(jiàn)圖4）。

（2）隧洞施工通風(fēng)設(shè)專人管理。制定嚴(yán)格的通風(fēng)管理制度，安排專人進(jìn)行通風(fēng)管理，根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行空氣衛(wèi)生和通風(fēng)指標(biāo)檢測(cè)，不斷進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，保證通風(fēng)系統(tǒng)完好有效運(yùn)行。負(fù)責(zé)日常通風(fēng)設(shè)備的使用、維護(hù)和檢查工作，保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）每輪炮爆破后要保證有足夠的通風(fēng)時(shí)間將廢氣徹底排完，避免造成廢氣循環(huán)積累，保證洞內(nèi)各工作面空氣達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（4）定期對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查、保養(yǎng)等工作。在風(fēng)機(jī)閑置時(shí)，可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢查、除塵等保養(yǎng)工作，保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。

（5）定期檢查風(fēng)管狀態(tài)。檢查風(fēng)管是否存在漏風(fēng)，造成施工面通風(fēng)量減??；是否存在從固定端頭脫落，造成風(fēng)管彎曲、褶皺，增加風(fēng)阻。如發(fā)現(xiàn)有風(fēng)管漏風(fēng)現(xiàn)象，應(yīng)立即更換，避免風(fēng)量的損失。在洞內(nèi)備用一些新的風(fēng)管，一旦壞了可及時(shí)換上新的，并把壞的風(fēng)管拿出洞外修補(bǔ)，不耽誤施工進(jìn)度。

（6）從發(fā)電機(jī)到通風(fēng)機(jī)接一套備用電源，以保證突然斷電時(shí)，隧洞內(nèi)能保持正常的通風(fēng)，保證洞內(nèi)施工人員的新鮮空氣。

（7）支洞口主風(fēng)機(jī)的選型應(yīng)充分考慮主洞施工階段的最大用風(fēng)量，已避免到達(dá)主洞施工階段時(shí)，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)送風(fēng)量達(dá)不到要求而更換，造成現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的閑置浪費(fèi)。

（8）在洞徑保證的情況下盡量采用大直徑風(fēng)管，有利于降低風(fēng)壓損失，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大風(fēng)量通風(fēng)的最有效的技術(shù)措施。

（9）風(fēng)管的懸掛位置應(yīng)根據(jù)工程開(kāi)挖斷面的大小和所使用機(jī)械規(guī)格等方面考慮，且不可造成風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)械設(shè)備無(wú)法通行的局面。風(fēng)管的懸掛應(yīng)整齊、平直，處于一條直線，這樣有助于減小風(fēng)阻，以保證洞內(nèi)的足夠風(fēng)壓。endprint

（10）接力風(fēng)機(jī)與上一級(jí)風(fēng)機(jī)風(fēng)管的末端不能完全對(duì)接，會(huì)造成上一級(jí)風(fēng)機(jī)風(fēng)管負(fù)壓而降徑或完全吸癟；也不宜過(guò)大，過(guò)大會(huì)吸入大量廢氣、煙塵，通過(guò)風(fēng)管重新送回掌子面。一般間距5～10cm為宜。如果上一級(jí)風(fēng)管還是會(huì)吸癟，則可在上一級(jí)風(fēng)管出風(fēng)口負(fù)壓影響范圍的風(fēng)管內(nèi)采用φ8鋼筋籠支撐。

（11）為保證掌子面及時(shí)散煙和施工人員足夠的新鮮空氣，風(fēng)管應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖的進(jìn)程而及時(shí)跟近；但為了避免爆破損壞風(fēng)管，風(fēng)管應(yīng)距離掌子面50m左右為宜。

（12）使用水泡泥封堵炮孔。炸藥爆炸時(shí)水炮泥同時(shí)爆炸，形成霧狀分布在空氣中，可起到降塵、降溫和吸收有毒有害氣體的作用，有利于改善勞動(dòng)條件。

（13）增加降塵噴霧機(jī)。在距離掌子面50m位置配備一臺(tái)降塵噴霧機(jī)，在爆破之前啟動(dòng)，水霧能夠封鎖整個(gè)隧道斷面，能夠有效阻擋爆破產(chǎn)生的煙塵向交叉段方向流竄，且水霧除降塵外還可以吸收易溶于水的有害氣體（S02、NH3等）。

（14）為裝載機(jī)、運(yùn)輸汽車等產(chǎn)生尾氣設(shè)備增設(shè)尾氣過(guò)濾裝置，能夠有效過(guò)濾因柴油燃燒不完整產(chǎn)生的一氧化碳、氮氧化物等有毒有害氣體的排放。

（15）根據(jù)需要可在掌子面及主、主支交叉段等重要部位增加局扇，加速局部風(fēng)速的流動(dòng)，防止有害氣體聚集，可改善局部區(qū)域空氣質(zhì)量，改善壓入式通風(fēng)方式的弊端。

（16）在最后貫通階段可使用空壓機(jī)高壓風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)輔助，補(bǔ)充隧洞所需空氣含量，加快了掌子面空氣流通，加快其散煙效率。

（17）本工程所在地區(qū)冬季溫度低于-20℃，為保證洞外主風(fēng)機(jī)在冬季能夠給正常運(yùn)行，必須對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行覆蓋保溫處理。

（18）洞內(nèi)施工人員均需配備防毒面罩。防毒面罩統(tǒng)一購(gòu)買，要求阻塵、放煙效果好，佩戴舒適；濾盒根據(jù)洞內(nèi)有毒有害氣體類別選用，具有針對(duì)性。洞內(nèi)施工人員均需配備，進(jìn)洞時(shí)必須佩戴，可有效防止職業(yè)病害的發(fā)生，保證施工人員的身體健康。

8. 實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果

目前，15#支洞控制主洞下游已順利貫通，開(kāi)挖掘進(jìn)達(dá)到1959m。通過(guò)以上通風(fēng)技術(shù)、管理措施及過(guò)程不斷的改進(jìn)、完善，合理的調(diào)整、布置通風(fēng)系統(tǒng)，有效的解決主洞通風(fēng)及掌子面散煙難題。達(dá)到預(yù)期通風(fēng)散煙、降塵的效果，改善了地下洞室開(kāi)挖工程施工人員的作業(yè)環(huán)境，提高了施工作業(yè)效率，加快了施工進(jìn)度。為類似長(zhǎng)斜井、高埋深、長(zhǎng)主洞工程提供設(shè)備配套、通風(fēng)管理等方面的借鑒意義。endprint