大瑞鐵路大柱山隧道獨頭掘進7500m以上通風技術(shù)研究

中鐵一局集團第四工程有限公司 陜西 咸陽 712000

正文：

長大隧道施工中，通風是一切工序可以安全高效展開的前提，也是各種機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的必要條件。通風效果的好壞直接左右隧道的施工進度、安全和質(zhì)量。長大隧道在獨頭掘進的過程中，尤其是有平行導(dǎo)坑的長大隧道，通風組織要提前籌劃、合理安排，伴隨隧道施工深度的不斷增加，每個施工階段都要設(shè)計合理的通風方案,以此來保證通風方案的可行性,保證其經(jīng)濟上的合理性[2]。因此，研究大柱山隧道獨頭掘進7500m以上的通風技術(shù)，可以提高通風效率和施工進度，為以后長大隧道獨頭掘進通風提供可靠的經(jīng)驗。

1、工程概況

大瑞鐵路大理至保山段站前工程第三標段始于大理州永平縣杉陽鎮(zhèn)仁壽村，終于保山市隆陽區(qū)小青村，線路全長31.566km（里程樁號為D1K104+100～D1K135+666），其中保山段25.418km，大理段 6.148 km。其中大柱山隧道是全線的控制性工程。

大柱山隧道出口位于云南省保山市山保村，穿越著名的橫斷山南段，隧道全長14484m，其中出口段承擔平導(dǎo)8400m和正洞8308m施工任務(wù)，隧道最大埋深為1010m。隧道洞內(nèi)縱坡設(shè)計為“人”字坡，最大縱坡23.5‰。其整體地勢北高南低，所在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，穿越6條斷裂帶，巖溶地質(zhì)較為突出，地下水源豐富，預(yù)計全隧最大涌水量大達120000m3/d，實際開挖揭示，涌水量比設(shè)計大兩倍左右，局部地段可能出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、突然涌水、巖爆、巖溶、放射性、地熱等不良地質(zhì)，施工難度極大[3]。

2、通風方案

大柱山隧道出口施工通風主要采用分階段管道壓入式及混合巷道式通風，通風管選用正洞φ1400mm（平導(dǎo)φ1400mm）滌綸軟式通風管，風管出風口至掌子面距離L=60m。主風機安裝在距離平導(dǎo)掌子面最近的正洞貫通面。其中為正洞進風通道，平導(dǎo)為排煙通道。

鑒于平導(dǎo)及正洞高溫施工情況，待正洞相互兩橫通道貫通后需及時風機向前移動，使平導(dǎo)及正洞掌子面有效風量達到最大，以確保隧道達到降溫目的。主風機主要供應(yīng)平導(dǎo)掌子面，正洞施工面采用軸流風機直接壓入新鮮風，保證施工作業(yè)面空氣質(zhì)量。

3、通風布置

第一階段：

軸流風機安裝在19#輔助正洞大里程端，供用平導(dǎo)2495m施工通風任務(wù)，正洞為新鮮空氣進入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側(cè)，滿足進風側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口附近安裝射流風機一臺，隧道洞身每400～500m安裝一臺射流風機。19#至洞口其余貫通橫通道封堵。

第二階段：

軸流風機安裝在19#輔助正洞大里程端，供應(yīng)平導(dǎo)2495m施工通風任務(wù)，此時19#橫通道輔助正洞小里程與18#橫通道輔助正洞大里程已貫通，在18#橫通道輔助正洞大里程端安裝兩臺軸流風機，分別供應(yīng)18#橫通道輔助正洞小里程及17#橫通道輔助正洞大里程施工通風任務(wù)。19#至洞口所有橫通道均臨時封堵，正洞施工作業(yè)面為17#、18#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側(cè)，滿足進風側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機。

第三階段：

軸流風機安裝在17#輔助正洞大里程端，分別供應(yīng)平導(dǎo)1658m的通風任務(wù)，此時17#至洞口所有橫通道均臨時封堵，正洞施工作業(yè)面為17#、16#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側(cè)，滿足進風側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機,平導(dǎo)于洞內(nèi)通風死角處安裝射流風機輔助排出污濁空氣。

第四階段：

軸流風機安裝在17#輔助正洞大里程端，供應(yīng)平導(dǎo)1685m施工通風任務(wù)，此時17#橫通道輔助正洞小里程與16#橫通道輔助正洞大里程已貫通，在16#橫通道輔助正洞大里程端安裝兩臺軸流風機，分別供應(yīng)16#橫通道輔助正洞小里程及15#橫通道輔助正洞大里程施工通風任務(wù)。17#至洞口所有橫通道均臨時封堵，正洞施工作業(yè)面為16#、15#輔助正洞，正洞為新鮮空氣進入通道，平導(dǎo)為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側(cè)，滿足進風側(cè)空氣質(zhì)量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機。

4、壓入式通風計算

⑴通風控制條件

隧道在整個施工過程中,作業(yè)環(huán)境符合下列衛(wèi)生及安全標準:

①隧道內(nèi)氧氣含量：按體積計不得小于20%。

②粉塵允許濃度：每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg；含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6mg；二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物質(zhì)的礦物性和動植物性的粉塵為10mg。

③有害氣體濃度：一氧化碳不大于30mg/m3，當施工人員進入開挖面檢查時，濃度為100mg/m3，但必須在30min 內(nèi)降至30mg/m3；二氧化碳按體積計不超過0.5%;氮氧化物（換算為NO2）5mg/m3以下。

④洞內(nèi)溫度：隧道內(nèi)氣溫不超過28℃，洞內(nèi)噪聲不大于90dB。

⑤洞內(nèi)風量要求：隧道施工時供給每人的新鮮空氣量不應(yīng)低于3m3/min，采用內(nèi)燃機械作業(yè)時供風量不應(yīng)低于3m3/(min·kw)。

⑥洞內(nèi)風速要求：全斷面開挖時不小于0.15m/s，在分部開挖的坑道中不小于0.25m/s。

⑵風量計算

①按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算風量：

Q=q·m·k(m3/min)

q——每人每分鐘呼吸所需空氣量q=3m3/min

m——同時工作人數(shù)，m=50人

k——風量備用系數(shù)，取k=1.15

由此得Q1=qmk=3×50×1.15=172.5m3/min

②按允許最低平均風速計算工作面供風量：

Q=60AV（m3/min）

V—按允許最低平均風速平導(dǎo)取0.25m/s；

A—隧道斷面積。平導(dǎo)斷面為6.0×5.9（寬×高），設(shè)面積為35.4㎡。由此得

平導(dǎo)：Q2=60AV=60×35.4×0.25=531m3/min

正洞：Q2=60AV=60×40.4×0.25=606m3/min

③按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計算：

t--通風時間，取t=30min。

G--同時爆破炸藥用量，平導(dǎo)、正洞均按Ⅱ級圍巖考慮,每循環(huán)最大進尺取3.5m。

平導(dǎo)單位裝藥量取1.27kg/m3，則G=35.4×3.5×1.27=157.4kg；

正洞單位裝藥量取1.27kg/m3，則G=40.4×3.5×1.27=179.6kg；

L——掌子面滿足下一循環(huán)施工的長度，取200m。

則采用壓入式通風段落，平導(dǎo)工作面需要風量；

正洞工作面需要風量；

④按稀釋和排除內(nèi)燃機廢氣計算風量

采用無軌運輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，計算可按下式計算：

式中: K——功率通風計算系數(shù),我國暫行規(guī)定為3.0m3/min

Ni——各臺柴油機械設(shè)備的功率

Ti——利用率系數(shù)

計算正洞（出口共2個工作面）Q4=（1×0.6×110＋0.5×1×145＋0.45×5×150＋2×0.5×85）×2＝1122m3/min。

一個工作面（平導(dǎo)）內(nèi)燃設(shè)備配置表

計算平導(dǎo)（出口共1個工作面）Q4=（1×0.6×110+1×0.5×125＋0.45×4×150＋2×0.5×85）×1＝484 m3/min。

取上述四種計算中的最大值作為通風設(shè)計量，單線線正洞風量取Q4=1122 m3/min，平導(dǎo)風量取Q4=531 m3/min。

隧道出口和平導(dǎo)：

綜合隧道通風的各個階段，平導(dǎo)和正洞單管路獨頭壓入式通風各種最長通風距離：正洞壓入式通風距離1400m，平導(dǎo)壓入式通風距離3235m。

通風機供風量Q供=PcQ4；

則Q供=1.24×1122=1391.3m3/min。

通風機供風量Q供=PcQ4；

則Q供=1.63×531=865.5m3/min。

⑶風機風壓

①管道阻力系數(shù)

根據(jù)以前的施工經(jīng)驗、隧道斷面以及目前常用性能穩(wěn)定的風機選定通風管直徑，為便于管理和維修，通風軟管統(tǒng)一采用直徑D=1.4m。求值Rf見管道阻力系數(shù)Rf計算表:

Rf正洞=6.5αL/D5=6.5×0.00225×1400/1.45=3.81；

Rf平導(dǎo)=6.5αL/D5=6.5×0.00225×3573/1.45=9.72。

管道阻力系數(shù)Rf計算表

②管道阻力損失

管道阻力損失Hf=RfQjQi/3600+HD+H

式中:

Qj——通風機供風量，m3/min；

Qi——管道末端流出風量，m3/min；

HD——隧道內(nèi)阻力損失取50；

H其他——其他阻力損失取60；

風機設(shè)計全壓H=Hf=RfQjQi/3600+110。

風機全壓計算如下：

正洞通風：

H正洞=(3.81×1391.3×1122)/3600＋110=1762Pa；

平導(dǎo)通風：

H平導(dǎo)=(9.72×865.5×531)/3600＋110=1350.9Pa；

風機功率計算：

風機功率計算公式：W=QHK/（60η）

式中：Q—風機供風量

H—風機工作風壓

η—風機工作效率，取80%

K—功率儲備系數(shù)，取1.05

W正洞=1391.3×1762×1.05/(60×η)/1000=53.62KW

W平導(dǎo)=865.5×1350.9×1.05/(60×η)/1000=25.57KW

5、巷道式通風計算

⑴射流通風段通風阻力計算

通風阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和。

①隧道摩擦阻力

式中:

α——摩擦阻力系數(shù), 對于噴錨支護巷道,α=(78.5～118)×10-4 ,取α=0.011

L——射流通風全長,根據(jù)車行通道位置,最長距離為2×5772=11544m；

U——隧道周長,23.5m；

Q——通風量, 2257m3/min÷60=37.6m3/s；

A——已襯砌段面積,35.4m2。

由此計算:Pf1=93.1Pa

②通過車行通道時的摩擦阻力

式中:

α——摩擦阻力系數(shù),對于噴錨支護巷道,α=(78.5～118)×10-4 ,取α=0.011；

L——車行通道長度,30m；

U——隧道周長,20.9m；

A——車行通道面積,30m2。

故Pf2=0.35Pa

③局部阻力

式中：

ξ——局部阻力系數(shù),出洞口取1,進入加寬段取0.04,出加寬段取0.1,右線進車通取2.8,出車通道左線取0.92,總阻力系數(shù)=0.6+1+8×(0.1+0.04)+2.8+0.92=6.44；

ρ——空氣容重,1.2kg/m3。

其它參數(shù)已知, 故局部阻力Pi=8.5Pa

總的通風阻力P=Pf1+Pf2+Pi=101.9Pa

⑵射流風機風力計算

式中:

Pj——風壓,Pa；

K——噴流系數(shù),0.85；

Vj——為射流風機出口風速,27.7m/s；

Fj——射流風機的出口面積,0.5m2；

FS——隧道橫斷面積,35.4m2；

VS——為隧道內(nèi)風速,1.80m/s。

經(jīng)計算, Pj=10.2Pa

⑶射流風機臺數(shù)計算

每兩臺之間的距離為不大于L=（8400-3253）÷（10+1）=468m

6、通風設(shè)備選擇

正洞風機應(yīng)滿足總風量Q＝1391.3m3/min，風壓1762Pa，功率53.62KW的要求。

平導(dǎo)風機應(yīng)滿足總風量Q＝865.5m3/min，風壓1233.4Pa，功率23.35KW的要求。

綜合考慮后風機配備如下：

大柱山隧道出口風機配備表

為了防止平導(dǎo)污風進入正洞，貫通段橫通道一律進行封堵，部分橫通道預(yù)留風門方便后期正洞風機維護保養(yǎng)工作。為保證效果，橫通道采用漿砌水泥磚進行封堵，確保平導(dǎo)污風無法進入正洞。

本通風方案考慮目前高溫施工，根據(jù)計算后在軸流風機選型時都充分考慮了施工安全儲備系數(shù)，射流風機布置間距目前考慮按照正洞450m/臺，平導(dǎo)500m/臺，考慮在將來實施過程中，將根據(jù)現(xiàn)場具體施工情況動態(tài)調(diào)整，確保施工通風效果，保證施工安全、正常、高效進行。

7、結(jié)語

1、施工期間，應(yīng)持續(xù)加強主風機送風口和掌子面出風口位置風速和風壓的監(jiān)測，根據(jù)通風距離、出風口到掌子面距離，改善通風條件。

2、由于隧址區(qū)屬于高原地熱隧道，通風不僅要保證正常的施工環(huán)境，還要確保通風效果對掌子面的降溫情況，建議對高原地熱隧道通風降溫等方面開展相關(guān)專題研究，篩選優(yōu)化通風方案，為同類工程施工提供經(jīng)驗借鑒。