水工深埋長隧洞通風技術(shù)探討

王 偉 魏鉑佳 杜榮祥

1 隧洞通風技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

SL 303—2004《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“采用鉆爆法施工時，施工支洞間距不宜超過3 km”，即主洞獨頭掘進長度一般不超過1.5 km，考慮施工支洞長度，國內(nèi)鉆爆法施工隧洞獨頭通風長度一般控制在3 km以內(nèi)。隨著通風管質(zhì)量的不斷提升，獨頭通風距離長度有明顯的增加，如西康線秦嶺隧道，獨頭通風長度已達7.5 km，引漢濟渭出口段通風長度為6.5 km，巴基斯坦N-J水電站工程A4下游工作面獨頭通風長度5.3 km，從大量國內(nèi)外工程獨頭通風長度分析，鉆爆法施工獨頭通風長度達4 km即屬于先進水平。

隧洞采用TBM施工時，通風管節(jié)長大幅增加，一般在200 m以上，最大節(jié)長已達500 m，管節(jié)的增長使管路漏風率大幅減小，通風機有效通風距離大幅增長，一般可達10 km以上。如大伙房輸水隧洞TBM1通風長度12.82 km，引漢濟渭輸水隧洞嶺南TBM通風長度10.23 km，引黃工程聯(lián)結(jié)段7#隧洞通風長度13.52 km，巴基斯坦NJ水電站引水隧洞通風長度10.52 km。

2 隧洞施工通風方式

水利工程輸水隧洞通常為單洞，在同期工程中很少設(shè)置并行的兩條隧洞，施工過程中很少能用到雙洞或多洞情況下的巷道式通風方式，因此，在輸水隧洞工程中，當隧洞長度較短，或隧洞雖長但淺埋、容易設(shè)置施工支洞實現(xiàn)“長洞短打”的情況下，一般利用自然洞口或支洞口，采用基本的通風方式就能滿足通風要求。當隧洞既長又深埋、且不便設(shè)置施工支洞實現(xiàn)“長洞短打”的情況下，這就需要設(shè)置專門的輔助通風豎井或斜井，以實現(xiàn)長距離獨頭掘進情況下的通風要求。

2.1 隧洞基本通風方式

2.1.1 送風式

送風式的管路進風口設(shè)在洞外，出風口設(shè)在掌子面附近，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)管路送到掌子面，稀釋污染物，污濁空氣則由隧洞排至洞外。

2.1.2 排風式

排風式分為負壓排風式和正壓排風式，管路的進風口設(shè)在掌子面附近，出風口設(shè)在洞外，在風機的作用下，新鮮空氣從洞外經(jīng)隧洞到達掌子面，污濁空氣則直接由管路排至洞外。

2.1.3 混合式

混合式由送風式和排風式變換組合而成，可分為兩大類型，一類為長排短送混合式，一類為長送短排混合式，每種類型根據(jù)長短風管正負壓可變換成多種形式。

在風機的作用下，新鮮空氣從洞外進入隧洞，流向送風機的入口并進入送風管路，經(jīng)送風管路送到掌子面；污濁空氣從掌子面由隧洞流向排風管路的入口，進入排風管路，經(jīng)排風管排至洞外。

2.2 設(shè)置通風井條件下的通風方式

2.2.1 利用豎井自然排風

一般深埋隧洞四周巖溫較高，通風豎井底部空氣受地溫影響而升溫，井口和井底形成自然風壓，空氣自下而上形成自然風流，從而形成自然風由隧洞自然洞口流向通風豎井，此時可采用射流巷道式通風方式。該通風方式可分為兩種形式：當隧洞較短且洞內(nèi)采用污染較大的柴油機械運輸時，送風機放置于隧洞自然洞口外，新風由送風管路直接送到掌子面，掌子面污濁空氣及沿途污濁空氣流向通風豎井，經(jīng)豎井排出洞外。當隧洞很長且洞內(nèi)采用污染較小的進口柴油機械或電瓶車運輸時，可將送風機放置于洞內(nèi)通風豎井的上風側(cè)，這樣可以縮短通風管路長度，這對于減少通風管路漏風量和風壓等相當有意義。兩種通風形式見圖1。

這兩種形式，均可在洞內(nèi)增設(shè)射流風機，通過射流風機引射調(diào)整由洞口流向通風豎井的風量，若自然風流足夠大，可關(guān)掉射流風機。

2.2.2 利用豎井機械送風或排風

圖1 設(shè)通風豎井的射流巷道式通風示意圖

當自然風由通風豎井流向隧洞自然洞口，或掌子面到通風豎井距離太長時，可采用從豎井向洞內(nèi)送風的通風方式或正壓排風混合式通風方式。當隧洞較短且洞內(nèi)采用污染較大的柴油機械運輸時，采用從豎井向洞內(nèi)送風的通風方式，新風由通風豎井經(jīng)風管直接送至掌子面，污濁空氣從掌子面流向隧洞自然洞口，排至洞外。當隧洞很長且洞內(nèi)采用污染較小的進口柴油機械或電瓶車運輸時，采用正壓排風混合式通風方式，新風由隧洞自然洞口向洞內(nèi)流動，至送風機入口時，由送風管路送至掌子面，污濁空氣從掌子面流向排風管路風機入口，進入排風管路，經(jīng)通風豎井排出洞外。兩種通風形式分別見圖2、3。

圖2 設(shè)通風豎井的送風式通風示意圖

圖3 設(shè)通風豎井的混合式通風示意圖

2.2.3 高海拔隧洞的通風方式

通過送風式和排風式通風隧洞內(nèi)風流的靜壓分析，送風式通風的風流在隧洞內(nèi)的壓力大于隧洞外自然環(huán)境，相當于將隧洞高程下降了一定海拔高度，排風式則完全相反，因此高海拔隧洞施工通風中宜優(yōu)先選用送風式的通風方式。

另外，高海拔地表氣溫低，自然風壓較大，可將通風機或進風口布置在背陰處，通風機的風流方向與自然風流方向在全年絕大多數(shù)時間內(nèi)一致，增大自然風壓也就相當于下降了海拔高度。

2.2.4 水工深埋長隧洞通風方式

對于水利工程中的深埋長隧洞，由于隧洞埋深大，設(shè)置施工支洞較困難，獨頭掘進長度較長，通常采用TBM掘進機進行施工。TBM施工通常采用連續(xù)皮帶機出渣、機車進料或全部采用機車運輸?shù)姆绞?，機車一般采用無污染的電瓶車或低污染的內(nèi)燃機車牽引，這樣對于洞徑較大的隧洞，采用大管徑風管，可不設(shè)置通風豎井或少設(shè)置通風豎井即可滿足通風要求。通常當管片襯砌或一次支護后洞徑大于6 m時，可采用直徑2 m及以上風管，獨頭通風距離可超過10 km。比如大伙房輸水隧洞TBM1、引漢濟渭輸水隧洞嶺南TBM、吉林引松供水工程等，均采用2.2 m直徑風管，獨頭通風長度均超過10 km。

對于洞徑較小的隧洞，采用的通風管管徑較小，受風管耐壓限制，獨頭通風距離有限，這就需要設(shè)置通風豎井以滿足通風要求，通風方式可采用將送風機置于通風豎井上風側(cè)的射流巷道式通風方式或正壓排風混合式通風方式，如圖1（b）、3。

3 水利工程通風控制標準

水利、鐵路、公路、煤礦、冶金等行業(yè)都對隧洞（道）施工環(huán)境中含氧量、工作面最小風速、CO濃度、人員和柴油設(shè)備需氧量等做出了規(guī)定，其數(shù)值差別不大。SL 303—2004《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的隧洞通風主要參數(shù)：（1）人員需風量：0.05 m3/s，即3 m3/min。（2）千克炸藥產(chǎn)生的有害氣體折合成CO量：40 L/kg。（3）柴油機械需風量：4.08 m3/（min·kW）（4）鉆爆法施工工作面最小風速為0.25 m/s；TBM施工最小風速為0.5 m/s。（5）洞室內(nèi)平均溫度不超過28℃。（6）當洞、井位于海拔1 000 m以上時，計算的通風量應(yīng)乘以高程修正系數(shù)：施工人員所需風量修正系數(shù)為1.3～1.5；爆破散煙所需風量應(yīng)除以高程修正系數(shù)：海拔高程修正系數(shù)為：0 m：1.0；1 000 m：0.90；1 500 m：0.85；2 000 m：0.81；使用柴油機械通風數(shù)為1.2～3.9，柴油機械通風量高程修正系數(shù)見圖4。

圖4 使用柴油機通風量高程修正系數(shù)

4 通風計算

隧洞施工通風計算主要考慮施工人員需風量、柴油機械需風量和最小風速等因素。下面結(jié)合深埋長隧洞TBM施工介紹通風計算。

4.1 需風量計算

施工人員需風量：

Qp=3kpN

柴油機械需風量：

Qd=∑3kePdi

允許最低風速所需風量：

Qv=Av

工作面需風量按上述計算最大值確定：

Qn=Max[Qp，Qd，Qv]

式中 Qp——隧洞內(nèi)施工人員呼吸所需要的總風量，m3/min；

kp——施工人員所需風量修正系數(shù)，取1.3；

N——洞內(nèi)最多施工人數(shù)；

Qd——柴油機械需風量，m3/min；

Pdi——工作面柴油機械功率，kW；

ke——柴油機械高程系數(shù)；

Qv——按允許最低風速計算的需風量，m3/min；

A——斷面面積，m2；

v——允許最低風速，m/s。需要注意的是TBM施工運輸若采用內(nèi)燃機車，車輛數(shù)目隨掘進長度逐步增加，通常工作面附近最大時有兩列車，而整條隧洞內(nèi)不只兩列車。因內(nèi)燃機車為移動柴油機械，故不能簡單地作為工作面需風機械，因其尾氣沿程排放，管道漏風對其有相同稀釋作用。但風機供風量應(yīng)滿足各段柴油機械分布要求。

4.2 風機供風量和風壓計算

風機供風量實際為管路漏風計算，計算公式較多，青函隧道理論采用百米漏風率平均值，便于測定，計算漏風量時考慮了沿程風量的變化，更接近實際，故采用青函隧道理進行漏風計算。

風機供風量：

式中 Qf——風機供風量，m3/min；

Qn——工作面需風量，m3/min；

P100——百米漏風率；

L—通風長度，m。

摩擦阻力：

式中 hf——摩擦阻力，Pa；

λ——摩擦系數(shù)；

d——通風管直徑，m；

β——風管百米漏風率平均值；

L——風管長度，m；

Q0——風機工作點風量，m3/s。

局部阻力：

式中 hx——管部局部阻力，Pa；

v1——管路小斷面處的風速，m/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系數(shù)。

風機全壓（靜壓）：ht=hf+hx

5 通風設(shè)備選擇

5.1 通風機

隧洞通風機有軸流風機和離心風機。因軸流風機風壓低、風量大，串聯(lián)方便，適合長距離通風，在隧洞施工通風中被廣泛采用；離心風機使用較少。軸流風機通過串聯(lián)可增加風壓，通過并聯(lián)可增加風量。多級軸流風機串聯(lián)常采用兩兩對旋，對旋式風機相對于非對旋風機，具有損耗小，壓力大、效率高的特點。

5.2 通風管

隧洞施工通風中常用的風管有軟風管、硬風管和伸縮性風管。

軟風管是用涂塑布制成，基布為滌綸、維綸等紡織物，質(zhì)量小，漏風率低，拆裝搬運方便，適合做大直徑風管，只能用于正壓通風。

硬風管一般為鐵風管，通常采用法蘭盤連接，也有玻璃風管、鋁塑管、玻璃纖維塑料管，它們通常為板材在現(xiàn)場加工成型，可用于正壓通風也可用于負壓通風。

伸縮性風管通常為軟風管加鋼圈而成，主要用于負壓通風，由于阻力較大，僅用于短距離通風。

拉鏈式軟風管具有質(zhì)量小，漏風率小，拆裝搬運方便，適合于長隧洞的通風。輸水隧洞施工通風均采用拉鏈式軟風管，其中TBM軟風管單節(jié)長度在300 m以上。

6 結(jié)語

（1）水利工程中高海拔深埋長隧洞通常采用設(shè)置輔助通風豎井的通風方式，并充分利用豎井上、下壓差形成的自然風流，可減少風機供風量。

（2）通風計算時，需結(jié)合工程所處海拔和洞內(nèi)運輸方式，充分考慮海拔修正系數(shù)和柴油機械單位千瓦需風量，既要滿足工作面的最大需風量，也要滿足整條隧洞內(nèi)所有柴油機械需風總量。

（3）通風距離較長時，通常選用多級對旋式軸流風機和拉鏈式軟風管。