穿越含有害氣體地層的大直徑、長(zhǎng)距離泥水盾構(gòu)隧道通風(fēng)技術(shù)淺析

王海濱

（上海市合流工程監(jiān)理有限公司，上海 200120）

1 工程概況

某越長(zhǎng)江盾構(gòu)隧道工程位于G15沈海高速蘇通長(zhǎng)江大橋附近，隧道（綜合隧道）自南岸（蘇州）始發(fā)工作井向北，下穿南岸長(zhǎng)江大堤進(jìn)入長(zhǎng)江河道，依次穿過(guò)常熟港專(zhuān)用航道、長(zhǎng)江主航道及營(yíng)船港專(zhuān)用航道，而后下穿長(zhǎng)江北岸大堤，抵達(dá)北岸（南通）接收工作井，隧道（綜合隧道）總長(zhǎng)度約5 468 m，盾構(gòu)刀盤(pán)直徑12.07 m，隧道內(nèi)直徑10.5 m。

2 有害氣體賦存情況與滲入隧道可能性分析

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，有害氣體主要分布在0+000～1+780的范圍內(nèi)，其中，成分甲烷（CH4）占85～88%、氮?dú)猓∟2）占8%～10%、氧氣（O2）占2%～3%.氣體壓力0.4～0.6 MPa。根據(jù)泥水盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，其泥漿循環(huán)系統(tǒng)將會(huì)是有害氣體釋放的主要通道，隧道中存在因管路泄漏的少量有害氣體的可能性。

3 通風(fēng)方案的選擇

3.1 通風(fēng)要求

給隧道內(nèi)作業(yè)人員提供足夠的新鮮空氣，稀釋并排出各種有害氣體和粉塵，調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣的溫度、濕度，保證穿越有害氣體地層段的施工安全。

3.2 通風(fēng)方式的選擇

隧道施工通風(fēng)中，主要的通風(fēng)方式有抽出式、壓入式、混合式通風(fēng)三種使用風(fēng)筒通風(fēng)的方式。

3.2.1 抽出式通風(fēng)

把通風(fēng)機(jī)安裝在盾構(gòu)機(jī)后方地面上，隧道內(nèi)工作環(huán)境對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全不影響。新鮮風(fēng)流沿隧道流入，污風(fēng)通過(guò)負(fù)壓（剛性）風(fēng)筒由通風(fēng)機(jī)排出。

3.2.2 壓入式通風(fēng)

通風(fēng)機(jī)和啟動(dòng)裝置安裝在施工隧道之外的地面清潔環(huán)境處，多級(jí)通風(fēng)機(jī)或串聯(lián)風(fēng)機(jī)把新鮮風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒壓送到盾構(gòu)工作面，污風(fēng)沿隧道排出。

3.2.3 混合式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)與局部送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合，有長(zhǎng)壓短抽與長(zhǎng)抽短壓兩種方式，長(zhǎng)壓短抽方式時(shí)，施工隧道內(nèi)污濁空氣污染整個(gè)隧道，與壓入式相比沒(méi)有改善隧道的空氣質(zhì)量。長(zhǎng)抽短壓又分為前壓后抽與前抽后壓兩類(lèi)，前壓后抽式主要用于有軌運(yùn)輸施工的隧道，抽出式通風(fēng)管道用剛性風(fēng)筒，造價(jià)高。

綜合盾構(gòu)隧道內(nèi)滲入的有害氣體的途徑分析、通風(fēng)運(yùn)行成本與安全管理等因素，隧道內(nèi)優(yōu)先采用地面風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)為主導(dǎo)。具體布置如下：①盾構(gòu)隧道段壓入式雙風(fēng)機(jī)雙風(fēng)筒送風(fēng)（DK0+700之前）。此時(shí)根據(jù)有害氣體探測(cè)濃度，實(shí)施一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)備用。②壓入式雙風(fēng)機(jī)雙風(fēng)筒通風(fēng)。（DK0+700～DK1+780，有害氣體探測(cè)賦存量較大的區(qū)域）風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，回風(fēng)平均速度0.5 m/s，以風(fēng)量為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率。③DK1+780之后，長(zhǎng)距離壓入式雙風(fēng)機(jī)雙風(fēng)筒送風(fēng)（定風(fēng)量變頻運(yùn)行），以出風(fēng)口風(fēng)量恒定調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，并保證含有害氣體地層區(qū)的隧道內(nèi)的回風(fēng)平均速度不低于0.5 m/s（DK0～DK1+780），實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能。送風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 有害氣體稀釋通風(fēng)區(qū)壓入式通風(fēng)

3.3 風(fēng)筒出風(fēng)量的計(jì)算

隧道及工業(yè)通風(fēng)的主要目的為消除有害氣體、粉塵、熱害的影響以及人員身體健康的需氧量要求的送風(fēng)量，選擇其中的最大風(fēng)量作為通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量。隧道施工通風(fēng)量按照規(guī)范要求分別計(jì)算四種情況的需風(fēng)量，取其中的最大值作為風(fēng)筒出風(fēng)量的設(shè)計(jì)值。

3.3.1 按排塵風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量

按排塵風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量，則：

式（1）中：V為允許最低風(fēng)速，0.3 m/s；A為隧道結(jié)構(gòu)面積。

3.3.2 按稀釋有害氣體濃度計(jì)算風(fēng)量

隧道內(nèi)泥漿管路泄漏引發(fā)有害氣體溢出，計(jì)算公式為：

式（2）中：QCH4為掌子面有害氣體涌出量，m3/min。

假定泥漿管有害氣體溢出的量與泥漿管泥漿泄漏的量相等（無(wú)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本案考慮管路泄漏的流體全部為有害氣體）。每小時(shí)泄漏在隧道內(nèi)的有害氣體體積為管路總流體容量的1%（參照城鎮(zhèn)供熱規(guī)范中供熱管道的漏水量計(jì)算漏氣量），此外，因?yàn)閴毫τ?.9 MPa（地層最大壓力）減小至0.1 MPa（一個(gè)大氣壓下），溫度不變，由理想氣體狀態(tài)方程可知，其容積將擴(kuò)大9倍，則：

式（2）（3）中：V為隧道內(nèi)泥漿管最大容積，m3；BC為工作面允許甲烷濃度，取0.5%；BPC為送入工作面的風(fēng)流中甲烷濃度，0%；K為有害氣體涌出不均衡系數(shù)，K=1.5.

因缺少具體參考數(shù)據(jù)，稀釋有害氣體的通風(fēng)量根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算?！睹禾康V井設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.4條支出，抽排有害氣體專(zhuān)用巷道的風(fēng)速不得低于0.5 m/s。因此，按照稀釋有害氣體最低風(fēng)速0.5 m/s計(jì)算，稀釋有害氣體通風(fēng)量：

式（4）中：S為允許最低風(fēng)速，0.5 m/s；A為隧道結(jié)構(gòu)面積。稀釋有害氣體最大風(fēng)速的通風(fēng)量大于排塵風(fēng)速的通風(fēng)量，因此，隧道掘進(jìn)風(fēng)筒出風(fēng)量應(yīng)選擇最大風(fēng)量2 596.4 m3/min。

3.3.3 按照盾構(gòu)機(jī)自帶風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)自備風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量為20 m3/s（1 200 m3/min），2臺(tái)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量為2 400 m3/min，壓入風(fēng)量必須大于盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量。

3.3.4 按照需氧量供應(yīng)的通風(fēng)量

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》12.0.9條規(guī)定，計(jì)算的供風(fēng)量為：

式（5）中：V為允施工人員每分鐘需風(fēng)量；M為施工人員數(shù)量。

對(duì)以上5種計(jì)算方法計(jì)算的通風(fēng)量大小進(jìn)行比較，確定掌子面（盾構(gòu)機(jī)引風(fēng)機(jī)處）的送風(fēng)量，取計(jì)算最大值2 596.4 m3/min為風(fēng)筒末端出風(fēng)量。

3.4 管道漏風(fēng)計(jì)算

隧道行業(yè)一般采用青函隧道公式計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量，計(jì)算公式如下：

計(jì)算需要考慮風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒的漏風(fēng)備用系數(shù)，Ψ為漏風(fēng)備用系數(shù)為百米漏風(fēng)率。

考慮風(fēng)機(jī)需要具有一定的裕量，經(jīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)總出風(fēng)量為60 m3/s，單臺(tái)風(fēng)機(jī)為30 m3/s。

3.5 風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓計(jì)算

經(jīng)計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)阻為7 480.1 Pa，當(dāng)通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓大于總阻力時(shí)，含有害氣體地層隧道內(nèi)回風(fēng)速度不小于0.5 m/s，DK4.5～DK5.4段內(nèi)回風(fēng)速度約0.45 m/s，可以保證滿(mǎn)足除塵、排除汽車(chē)尾氣、隧道內(nèi)工作人員需氧量的要求。

3.6 通風(fēng)管選擇

因?yàn)樵谒淼朗┕ぶ胁捎脡喝胧酵L(fēng)，極有可能遇到有害氣體。為了防止事故發(fā)生，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)性和適用性的考慮，本工程選用PVC拉鏈?zhǔn)礁邚?qiáng)度阻燃風(fēng)管，其參數(shù)為φ1.5 m、每節(jié)100 m、平均百米漏風(fēng)率≤0.5%.

3.7 風(fēng)機(jī)選擇

選擇法國(guó)產(chǎn)ECE軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)T2.140.4×75.4，共2臺(tái)。匹配進(jìn)口風(fēng)機(jī)直徑1 400 mm，4級(jí)風(fēng)機(jī)，單級(jí)電機(jī)功率75 kW。風(fēng)機(jī)風(fēng)量30 m3/s，風(fēng)壓為7 675 Pa，滿(mǎn)足計(jì)算要求。

4 通風(fēng)系統(tǒng)安裝要點(diǎn)及效果

4.1 風(fēng)機(jī)安裝

根據(jù)安全規(guī)程的要求，壓入式局部通風(fēng)機(jī)和啟動(dòng)裝置安裝在進(jìn)風(fēng)巷道中，距掘進(jìn)巷道回風(fēng)口不得小于10 m。因此，地面通風(fēng)機(jī)設(shè)置位置距離工作井至少不低于20 m，距離泥漿池也不應(yīng)低于20 m。地面風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，保持清潔，無(wú)污染源。如設(shè)在施工斜坡通道的S7橫梁處，其前后20 m范圍內(nèi)的工作井、施工通道必須用密封蓋板將施工通道與工作井的部分井口覆蓋密封，無(wú)泄漏。風(fēng)機(jī)吸入口距地面2.0 m，防止吸入地面雜物與粉塵。

4.2 風(fēng)筒安裝

由于送風(fēng)距離長(zhǎng)，風(fēng)筒風(fēng)壓大，選用帶剛性圈的柔性風(fēng)筒。且風(fēng)筒具有阻燃、防水、防靜電的功能，耐風(fēng)壓大于10 000 Pa。壓入式風(fēng)筒出口到盾構(gòu)機(jī)風(fēng)機(jī)吸入口的距離為2.7 m。柔性風(fēng)筒采用拉鏈連接并要求配備性能良好的密封墊，風(fēng)筒在隧道拱頂?shù)跹b。雙風(fēng)筒并排吊裝在管片處的螺栓下，每2 m設(shè)1個(gè)吊裝掛鉤。風(fēng)筒安裝時(shí)，為帶壓移動(dòng)安裝，風(fēng)筒事先裝在出風(fēng)箱內(nèi)（100 m柔性風(fēng)筒），隨盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)裝設(shè)風(fēng)筒吊架；出風(fēng)箱內(nèi)的風(fēng)筒輪流更換或者檢修班更換柔性風(fēng)筒。出風(fēng)口朝向盾構(gòu)機(jī)自帶風(fēng)機(jī)吸入口，使得盾構(gòu)機(jī)吸入新鮮風(fēng)流。距離風(fēng)機(jī)出口段較近的柔性風(fēng)筒設(shè)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)傳感器，靠近盾構(gòu)機(jī)壓入風(fēng)筒的出風(fēng)口設(shè)置風(fēng)速與溫度傳感器，確保有害氣體稀釋通風(fēng)區(qū)回風(fēng)平局速度應(yīng)不小于0.5 m/s，溫度不高于30℃。

4.3 通風(fēng)效果

通過(guò)定期對(duì)隧道回風(fēng)速度、有害氣體氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，隧道有害氣體氣體濃度低于0.5%，隧道回風(fēng)速度不小于1 m/s。

5 結(jié)束語(yǔ)

本工程穿越含有害氣體地層大直徑、長(zhǎng)距離泥水盾構(gòu)采用盾構(gòu)隧道段壓入式雙風(fēng)機(jī)雙風(fēng)筒送風(fēng)，取得了良好通風(fēng)效果，大幅度提高了隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)工作能力，將隧道內(nèi)有害氣體濃度降低至規(guī)范要求以下，滿(mǎn)足了盾構(gòu)隧道的施工安全要求。本文可為類(lèi)似穿越賦存有害氣體的大直徑、長(zhǎng)距離盾構(gòu)工程施工提供可靠借鑒。

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