科哈拉水電站引水隧洞施工通風(fēng)設(shè)計

王賢忠 梅占敏 張 晴 張 軍

1 工程概況

科哈拉（Kohala）水電站引水隧洞設(shè)計引水流量為425 m3/s，采用雙洞布置（TA和TB隧洞），圓形斷面，洞徑為8.5 m，單洞長度約17.4 km，圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅳ類次之，局部為Ⅱ、Ⅴ類。隧洞采用鉆爆法施工，每條支洞作為施工通道，同時進(jìn)行TA和TB隧洞的施工。

隧洞施工由于鉆孔、爆破、裝渣運(yùn)輸及支護(hù)等工作，會造成大量的煙霧、灰塵等有害氣體。因此，施工通風(fēng)是隧洞施工的關(guān)鍵工序。

本工程引水隧洞施工共布置6條支洞，引水隧洞單工作面最大施工長度為5 001 m（A3支洞+上游主洞施工段）。施工通風(fēng)是基于此工況設(shè)計。

2 隧洞通風(fēng)方式

2.1 隧洞通風(fēng)方式原則

（1）施工通風(fēng)將直接影響施工進(jìn)度、文明施工和員工的身體健康，通風(fēng)系統(tǒng)布置必須滿足施工人員正常呼吸及沖淡機(jī)械廢氣、有害氣體和降溫等的最小通風(fēng)量，并保持洞內(nèi)空氣最小流動速度15 m3/min。

（2）地下工程開挖中，空氣中一氧化碳含量不高于30 mg/m3，二氧化硅含量不應(yīng)超過1 mg/m3。

（3）機(jī)械通風(fēng)主要選用在隧洞工程施工廣泛應(yīng)用的SD-Ⅱ和2SZ系列子午對旋軸流風(fēng)機(jī)。由于管線較長，需要風(fēng)機(jī)接力。

（4）施工過程中主要采取以下措施對：隧洞內(nèi)通風(fēng)條件的優(yōu)化①通風(fēng)管吊掛做到平、直、緊、穩(wěn)、順，增大每節(jié)風(fēng)管長度，減少風(fēng)管接頭，以減少風(fēng)量損失；②大量使用新設(shè)備、盡可能少用油動設(shè)備、為油動設(shè)備配裝空氣濾化器，采取濕噴混凝土工藝、濕式鉆孔、爆破后噴霧降塵等措施來減少污染源；③加強(qiáng)施工現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)布置；④注重施工人員勞動保護(hù)工作，配發(fā)必要的防護(hù)、勞保用品，保障施工人員的人身安全。

2.2 隧洞通風(fēng)方式

由于兩條引水隧洞（TA和TB隧洞）互相平行，并有連接洞將兩洞連接，已經(jīng)形成巷道掘進(jìn)混合式通風(fēng)情況，因此，引水隧洞施工通風(fēng)采用“軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)、射流風(fēng)機(jī)局部排風(fēng)”的通風(fēng)布置方式。

3 隧洞通風(fēng)設(shè)計

3.1 隧洞通風(fēng)計算依據(jù)

根據(jù)隧洞施工程序、方法、施工設(shè)備配置及通風(fēng)方式的安排，計算出滿足施工人員正常呼吸及沖淡、排出地下溢出有害氣體等的最大通風(fēng)量。引水隧洞根據(jù)通風(fēng)散煙的時間、一次起爆藥量、隧洞斷面的最小風(fēng)速、內(nèi)燃機(jī)廢氣稀釋的要求，采用純稀釋理論、隧洞最小風(fēng)速、洞內(nèi)渦流3種計算方法進(jìn)行通風(fēng)量的計算并確定通風(fēng)方式，選定的通風(fēng)量選擇通風(fēng)設(shè)施。

3.2 隧洞通風(fēng)設(shè)計

3.2.1 主要設(shè)計參數(shù)

根據(jù)施工開挖程序及爆破設(shè)計參數(shù)，確定以下相關(guān)參數(shù)：

（1）工作面開挖面積：引水隧洞開挖面積按S=78.5 m2計；

（2）一次開挖長度：L=3.0 m；

（3） 單耗藥量及循環(huán)藥量：1.3～1.8 kg/m3，300～400 kg；

（4）洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)：按120人計；

（5）爆破后通風(fēng)排煙時間：按30 min計；

（6）通風(fēng)管：采用Φ1 600 mm軟質(zhì)風(fēng)筒；

（7）管道百米漏風(fēng)率：P100=1%；

（8）風(fēng)管沿程摩阻系數(shù)（達(dá)西系數(shù)）：λ=0.01，a=P100λ/8=3.0×10-4kg·s2/m4；

（9）炮煙拋擲長度：LS=15+185.1/5=54.02 m。

3.2.2 隧洞通風(fēng)總量計算

由于洞內(nèi)多采用油動設(shè)備開挖出渣，洞內(nèi)污染主要來自3個方面：一是粉塵，來源于爆破、噴錨及鉆孔產(chǎn)生的巖塵、炮煙、水泥塵等；二是有害氣體，如SO2，NOX等，主要源于炮煙和圍巖；三是油動設(shè)備廢氣。

隧洞通風(fēng)總量計算從4個方面考慮，即按洞內(nèi)最多人員數(shù)計算得Q1，按洞允許最低風(fēng)速計算得Q2，按排除爆破炮煙計算得Q3、按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計算得Q4，最后求得工作面所需風(fēng)量Q=Max（Q1、Q2、Q3、Q4）。

經(jīng)計算，上述4種工況計算出的通風(fēng)總量，控制最大為稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣所需的通風(fēng)總量（Q4）。

隧洞通風(fēng)計算最大風(fēng)量為1 392 m3/min，考慮理論計算與實(shí)際的偏差及各種不確定因素，工作面計算風(fēng)量按Q=1 500 m3/min計。

3.3 隧洞通風(fēng)風(fēng)量計算

根據(jù)通風(fēng)長度和百米漏風(fēng)率，應(yīng)用公式Qm=Q/（1-0.01L/100），通風(fēng)采用接力通風(fēng)方式，每2 000 m設(shè)一接力，因此，風(fēng)筒長度按L=2 000 m計算：

Qm=Q/（1-0.01L/100）=1 875 m3/min

故引水隧洞施工時，至少要配備1 875 m3/min通風(fēng)能力的風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，以滿足施工通風(fēng)需要。

3.4 隧洞通風(fēng)風(fēng)壓計算

為保證將洞內(nèi)污濁空氣及時排出洞外。并在其出口保持一定風(fēng)速和風(fēng)壓，通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即h機(jī)＞h阻。

動壓h動取50 Pa；由于支洞與主洞之間有較大轉(zhuǎn)彎，局部壓力損失h局較大，按沿程壓力損失的10%估算。

沿程壓力損失：

h沿=（agpLQ2/s3）/2

式中 a——風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，a=3.0×10-4kg·s2/m4；

g——重力加速度，取9.8 m/s；

p——風(fēng)筒內(nèi)周長，取1.3×3.14=4.08 m；

L——風(fēng)筒長度，m；

Q——風(fēng)量，m3/s；

s——風(fēng)筒截面積，取（1.6/2）2×3.14=2.00 m3。經(jīng)過計算，所需風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓見表1。

表1 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計算結(jié)果

根據(jù)施工通風(fēng)需要，引水隧洞風(fēng)筒供風(fēng)長度最長為2 000 m，為保證正常通風(fēng)風(fēng)壓需要，故所選風(fēng)機(jī)風(fēng)壓應(yīng)不小于3 959 Pa。

3.5 風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒選型

3.5.1 風(fēng)筒選型

施工中主洞選用直徑1.6 m風(fēng)筒作為主壓入式風(fēng)筒?？紤]支洞向上下游兩側(cè)供風(fēng)，因此，支洞直徑2.5 m風(fēng)筒作為主壓入式風(fēng)筒。具體詳見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒布置示意圖

3.5.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)上述通風(fēng)量計算，按施工組織設(shè)計需要，將風(fēng)機(jī)各主要施工通道及通風(fēng)洞洞口，風(fēng)機(jī)數(shù)量及性能參數(shù)詳見表2。

表2 風(fēng)機(jī)性能及參數(shù)

3.5.3 風(fēng)機(jī)布置

風(fēng)機(jī)布置以A3支洞施工通風(fēng)作為典型設(shè)計。A3支洞通風(fēng)長度見表3。

表3 A3支洞通風(fēng)長度統(tǒng)計表 m

根據(jù)A3支洞通風(fēng)工況，A3支洞配設(shè)雙風(fēng)筒，風(fēng)筒直徑為2.5 m，在支洞口設(shè)SD-Ⅱ-180通風(fēng)機(jī)2臺。

TA引水洞上游掘進(jìn)通風(fēng)配設(shè)風(fēng)筒直徑為1.6 m，采用接力通風(fēng)，通風(fēng)長度5 001 m，接力3次，接力風(fēng)機(jī)采用2SZ-125B通風(fēng)機(jī)。下游掘進(jìn)通風(fēng)配設(shè)風(fēng)筒直徑為1.6 m，采用直接通風(fēng)。

TB引水洞上游掘進(jìn)通風(fēng)配設(shè)風(fēng)筒直徑為1.6 m，采用接力通風(fēng)，通風(fēng)長度5 001 m，接力3次，接力風(fēng)機(jī)采用2SZ-125B通風(fēng)機(jī)。下游掘進(jìn)通風(fēng)配設(shè)風(fēng)筒直徑為1.6 m，采用直接通風(fēng)。主洞上下游開挖掌子面各配射流風(fēng)機(jī)1臺。

在主洞每個開挖掌子面，各配射流風(fēng)機(jī)1臺，隨隧洞掘進(jìn)移動。同時，沿主洞間隔約800 m配射流風(fēng)機(jī)1臺，用以加快隧洞內(nèi)風(fēng)的流動。風(fēng)機(jī)布置見圖1。

4 結(jié)語

隧洞通風(fēng)設(shè)計是隧洞掘進(jìn)中一項(xiàng)非常重要的工作，成功的通風(fēng)設(shè)計，可使隧洞掘進(jìn)速度加快，改善施工環(huán)境，增加工作面長度?？乒↘ohala）水電站引水隧洞通風(fēng)設(shè)計具有代表性，對今后隧洞通風(fēng)設(shè)計具有參考價值。