TBM隧洞施工長(zhǎng)距離通風(fēng)問(wèn)題研究

王 新，劉波波

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

1 工程概況

通風(fēng)問(wèn)題是長(zhǎng)大隧洞施工中需要解決的重要問(wèn)題之一。合理的通風(fēng)系統(tǒng)和理想的通風(fēng)效果是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)隧洞快速施工和保障施工人員身心健康的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)科學(xué)、先進(jìn)、合理的通風(fēng)系統(tǒng)和部署高效的通風(fēng)設(shè)備是解決長(zhǎng)大隧洞施工中通風(fēng)問(wèn)題的根本。

近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)大隧洞施工通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行了研究[1-4]。陳進(jìn)明[5]結(jié)合引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞的實(shí)際情況,研究了洞內(nèi)施工通風(fēng)、高壓供風(fēng)方案和通風(fēng)機(jī)械設(shè)備選型以及配套方案，取得了不錯(cuò)的效果；朱齊平等人[6]以遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程為背景，通過(guò)計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓、通風(fēng)功率等參數(shù)，通風(fēng)設(shè)備及其布局得到了優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了更好的通風(fēng)。沈熙智等[7]結(jié)合引大濟(jì)湟工程項(xiàng)目，對(duì)引水隧洞的通風(fēng)降溫問(wèn)題進(jìn)行了分析。此外，還有一些學(xué)者對(duì)長(zhǎng)大隧洞通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[8-9]，從理論研究的角度得出科學(xué)結(jié)論，指導(dǎo)洞內(nèi)通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

許多學(xué)者根據(jù)不同的工程實(shí)踐，從不同的角度研究了水工隧洞的通風(fēng)設(shè)計(jì)。但是針對(duì)主洞、支洞交叉，且超長(zhǎng)洞線的水工隧洞工程通風(fēng)研究較少。本文結(jié)合秦嶺隧洞嶺北TBM施工通風(fēng)的技術(shù)難題，通過(guò)分析研究，制定合理的處置方案。

引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM由2條主洞、2條支洞組成，具體為T(mén)BM主洞、6號(hào)主洞以及5號(hào)支洞、6號(hào)勘探試驗(yàn)洞。

其中5號(hào)支洞全長(zhǎng)4595m，位于TBM施工段落中部，主要用來(lái)解決TBM長(zhǎng)段落施工通風(fēng)、出渣、檢修等問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)建成第二長(zhǎng)的斜井支洞。

6號(hào)勘探試驗(yàn)洞全長(zhǎng)2470m，斷面為圓拱直墻型，凈空高6.75m，寬7.7m，支洞內(nèi)縱坡為-9.1%和-3%的單面下坡，綜合坡度8.23%。

6號(hào)主洞延伸段工程合同段為隧道單洞4414.5 m（樁號(hào)K63+050～K67+464.5）。該洞襯砌后斷面為 6.76 m×6.76 m，為馬蹄形斷面。

TBM主洞全長(zhǎng)16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主機(jī)組裝洞82 m，步進(jìn)洞245 m，TBM接應(yīng)洞918 m，檢修洞60 m，兩個(gè)始發(fā)洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一階段6788 m，第二階段8377 m）。5號(hào)支洞和TBM配套洞進(jìn)行鉆孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m開(kāi)敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。TBM通過(guò)6號(hào)勘探試驗(yàn)洞運(yùn)至組裝洞室，在洞內(nèi)組裝并完成調(diào)試后向三河口方向掘進(jìn)，第一階段貫通后，TBM在檢修洞內(nèi)檢修，TBM出渣、通風(fēng)系統(tǒng)以及輔助設(shè)備的供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)場(chǎng)至5號(hào)支洞，TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)檢修完畢后，開(kāi)始第二階段掘進(jìn)施工。施工平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 TBM施工平面布置圖

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

從圖1可以看出，本工程通風(fēng)設(shè)計(jì)要全面考慮TBM從6號(hào)勘探試驗(yàn)洞運(yùn)至組裝洞室開(kāi)始，向三河口方向掘進(jìn)至樁號(hào)K46+360為止全過(guò)程的通風(fēng)。在進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮支洞和主洞工程交叉通風(fēng)設(shè)計(jì)，還要綜合考慮TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)維修，不同施工段落銜接過(guò)渡時(shí)的通風(fēng)問(wèn)題。本工程通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于：

（1）克服超長(zhǎng)送風(fēng)線路（13.5 km）的困難，及時(shí)高效地排除洞內(nèi)污濁氣體，還要將足夠的空氣輸送至掌子面，是設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的最大難點(diǎn)；

（2）設(shè)計(jì)科學(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)，選擇既經(jīng)濟(jì)節(jié)能，又能滿足TBM施工兩階段通風(fēng)需求的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等也是通風(fēng)設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題；

（3）長(zhǎng)距離通風(fēng)常出現(xiàn)因漏氣、沿程阻力大造成供風(fēng)效率低下、供風(fēng)量不足等問(wèn)題，同時(shí)，風(fēng)管的彎折變形、出渣造成的機(jī)械摩損都是長(zhǎng)距離通風(fēng)必須面對(duì)的問(wèn)題，如何防止泄露和減少阻力是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通風(fēng)的關(guān)鍵；

（4）隧洞通風(fēng)效果除受到通風(fēng)系統(tǒng)布局、設(shè)備匹配等技術(shù)原因影響外，還受通風(fēng)管理水平的影響，通風(fēng)管理水平是保證通風(fēng)質(zhì)量的重要因素之一。

3 通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則和通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件

基于該項(xiàng)目在通風(fēng)設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際困難，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以“布局合理，優(yōu)化匹配，防漏降阻，加強(qiáng)管理，保證效益”為基本原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化管理。同時(shí)，由于隧洞施工通風(fēng)用電占隧洞施工用電相當(dāng)高的比重，還要考慮優(yōu)先選用節(jié)能型風(fēng)機(jī)以降低功耗，確保在滿足通風(fēng)效果的前提下，風(fēng)機(jī)的型號(hào)和數(shù)量合理。

針對(duì)秦嶺隧洞的實(shí)際情況，TBM段施工通風(fēng)設(shè)計(jì)需滿足施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件，即：CO含量不超過(guò)30 mg/m3，洞內(nèi)最低風(fēng)速0.5 m/s，每人每分鐘新鮮空氣供應(yīng)量不低于4 m3，每100 m風(fēng)道漏風(fēng)率不超過(guò)0.35%，風(fēng)機(jī)數(shù)量n用1備。

3.2 具體設(shè)計(jì)方案

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及本工程特點(diǎn)，施工期間的通風(fēng)設(shè)計(jì)分三個(gè)階段進(jìn)行考慮：

第一階段為T(mén)BM組裝期間的通風(fēng)，從經(jīng)濟(jì)效果考慮，組裝期間的通風(fēng)采用組裝洞開(kāi)挖時(shí)的通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)機(jī)設(shè)置在6號(hào)洞口，通過(guò)6號(hào)支洞和6號(hào)主洞，將新鮮風(fēng)送至TBM施工區(qū)。

第二階段（TBM掘進(jìn)第一階段），主要是TBM掘進(jìn)期間，滿足掘進(jìn)施工通風(fēng)，由TBM供貨商提供的壓入式風(fēng)機(jī)具有獨(dú)立的壓入式通風(fēng)裝置。利用5號(hào)支洞、6號(hào)支洞以及TBM第一階段施工段落形成的自然通風(fēng)，將通風(fēng)機(jī)設(shè)置在5號(hào)主洞和TBM第一階段施工段貫通面向上游300m的位置，通風(fēng)機(jī)通過(guò)主隧道向TBM施工區(qū)輸送新鮮空氣，臟污回風(fēng)通過(guò)5號(hào)支洞排放到洞外。

第三階段（TBM掘進(jìn)第二階段），由于TBM段第二階段掘進(jìn)總長(zhǎng)度8920 m（包括TBM掘進(jìn)8377 m，鉆爆法掘進(jìn)543 m），且需要通過(guò)5號(hào)支洞（長(zhǎng)4595 m）洞口進(jìn)行通風(fēng)，第三階段最大通風(fēng)長(zhǎng)度達(dá)13.5 km。也是本次通風(fēng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

根據(jù)隧道工程的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，隧道施工的通風(fēng)方式分為巷道通風(fēng)[10]、自然通風(fēng)和管道通風(fēng)。TBM隧洞的第二階段是單洞布局，沒(méi)有進(jìn)行巷道通風(fēng)的條件；單獨(dú)自然通風(fēng)不適合長(zhǎng)隧道施工通風(fēng)。有三種基本類(lèi)型的管道通風(fēng)：壓入式，吸出式和混合式。各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用的條件不同，布置形式不盡相同。如表1所示。

表1 管道通風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

考慮到污濁空氣的排除，在6號(hào)洞至5號(hào)接應(yīng)洞下游K55+690處采用自然通風(fēng)，風(fēng)機(jī)設(shè)置于K55+690處，自此里程開(kāi)始進(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)。壓入式通風(fēng)最大通風(fēng)距離9280 m（5號(hào)支洞接應(yīng)洞903 m＋TBM掘進(jìn)主洞8337 m）。同時(shí)，在5號(hào)支洞設(shè)置兩個(gè)接力軸流風(fēng)機(jī)（分別設(shè)置在斜900和斜2300附近），進(jìn)行洞內(nèi)污濁空氣的排除。具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 TBM通風(fēng)系統(tǒng)第二階段總體布置

3.2.2 風(fēng)量計(jì)算和風(fēng)機(jī)參數(shù)核算

在通風(fēng)系統(tǒng)中，一般由通風(fēng)機(jī)提供風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)量由風(fēng)點(diǎn)決定的。通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓除要考慮把風(fēng)送到掌子面的壓力外，還要考慮管路漏風(fēng)的影響，以及克服在管路中的風(fēng)流阻力。因此，應(yīng)對(duì)需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行核算。

1）需風(fēng)量

隧道施工掌子面要求的風(fēng)量按照同時(shí)在洞內(nèi)工作的最大人數(shù)，洞內(nèi)最低允許風(fēng)速，風(fēng)道內(nèi)除塵散熱所需風(fēng)量計(jì)算，經(jīng)高程修正后，將最大值作為控制風(fēng)量。計(jì)算過(guò)程如下所示：

式中：Q1為根據(jù)洞內(nèi)工人的最大數(shù)量計(jì)算所需風(fēng)量；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2；m為洞內(nèi)同時(shí)最高工作人數(shù)，取m=150；q為每人每分鐘最少需要的空氣量，取4 m3/min。經(jīng)計(jì)算，Q1=720 m3/min。

式中：Q2為根據(jù)洞室平均風(fēng)速計(jì)算的風(fēng)量；ν為確?？變?nèi)風(fēng)速穩(wěn)定的最小風(fēng)速，取ν=0.5 m/s；A為開(kāi)挖最大斷面積，本工程中A=π×（8.02÷2）2=50.5 m2。經(jīng)計(jì)算，Q2=1525 m3/min。

TBM隧洞施工中，洞內(nèi)和掌子面要求的風(fēng)速，除了要滿足排塵的要求外，還要綜合考慮TBM設(shè)備機(jī)組散熱、冷卻、工人工作舒適性等要求。目前，TBM施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算基本沿用《建筑工業(yè)中隧道開(kāi)挖作業(yè)安全實(shí)用規(guī)程》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按最低風(fēng)速0.5 m/s確定。

根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)用掘進(jìn)機(jī)的一些資料：秦嶺隧道Ⅰ線采用直徑為8.8 m的TBM，后配套系統(tǒng)配備1800 m3/min的風(fēng)量，隧洞內(nèi)風(fēng)速為0.5 m/s；在大伙房輸水隧洞工程中，使用了直徑8.0 m的TBM，實(shí)際采用風(fēng)量為1500 m3/min，洞內(nèi)風(fēng)速0.5 m/s；在天生橋水電站項(xiàng)目中，隧洞采用直徑10.8 m的TBM，洞內(nèi)風(fēng)量為1812.3 m3/min，風(fēng)速為0.33 m/s。經(jīng)過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，本工程計(jì)算隧洞內(nèi)風(fēng)速0.5 m/s，隧洞TBM供風(fēng)量取1525 m3/min是合適的。

2）風(fēng)機(jī)選型及參數(shù)核算

通過(guò)以上計(jì)算，結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似項(xiàng)目的通風(fēng)情況分析，經(jīng)過(guò)綜合考慮，嶺北TBM第二施工段將采用自然通風(fēng)結(jié)合獨(dú)頭壓入式通風(fēng)。洞口風(fēng)機(jī)采用法國(guó)進(jìn)口T2.160.3×200.4軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量57.6 m3/s（即3456 m3/min），最大風(fēng)量可達(dá)68 m3/s（4080 m3/min），風(fēng)筒直徑為 2.2 m，風(fēng)機(jī)功率：3×200kW，整機(jī)長(zhǎng)度9.6 m，進(jìn)風(fēng)口直徑2.04 m，出風(fēng)口直徑1.82 m。洞內(nèi)接力風(fēng)機(jī)為 T2.180.2×315 軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量 72 m3/s（4320 m3/min），最大風(fēng)量可達(dá)88 m3/s（5280 m3/min），電機(jī)功率2×315 kW。兩個(gè)風(fēng)機(jī)可供風(fēng)量均大于所需的最大風(fēng)量，能滿足通風(fēng)需求。

主洞風(fēng)管選擇從挪威進(jìn)口的Φ2.2 m通風(fēng)軟管。風(fēng)管直徑計(jì)算：風(fēng)阻較大時(shí)，容易導(dǎo)致風(fēng)管破裂，因此，風(fēng)速應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，本工程取不超過(guò)20 m/s。需風(fēng)量按最大額定風(fēng)量的85%確定。則TBM主洞風(fēng)筒直徑：

Φ=2×((0.85×Qmax額)/(3.14×60×V))^(1/2)=2×（0.85×5280/(3.14×60×20）)^(1/2)=2.18 m，主洞風(fēng)管直徑 2.2 m，符合要求。3.2.3 防漏降阻措施

將每段軟風(fēng)管的長(zhǎng)度由增加到200 m以上，同時(shí)減少各管段之間的接頭數(shù)量，達(dá)到降低漏風(fēng)率的目的；在隧洞斷面凈空允許的前提下，使用大直徑（Φ2.2 m）的軟風(fēng)管。通過(guò)這種在控制風(fēng)管長(zhǎng)度上“以長(zhǎng)代短”，在風(fēng)管直徑選用上“以大代小”的方式，達(dá)到降低漏風(fēng)率，降低通風(fēng)阻力，提高送風(fēng)效率的目的。

在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中要注意保護(hù)風(fēng)管，避免人為造成損傷和機(jī)械磨損，降低漏風(fēng)量；還要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)管的定期檢修，經(jīng)常檢查風(fēng)管各段接頭連接情況、懸掛是否完好、有無(wú)破損等，及時(shí)記錄并處理發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

3.2.4 配套措施

1）做好對(duì)塵源所產(chǎn)生的粉塵的控制，考慮在采用機(jī)械通風(fēng)、濕式鑿巖、出渣灑水、沖洗巖面等多措施并舉的綜合治理方法的基礎(chǔ)上，輔以局部?jī)艋?/p>

2）推廣使用低污染柴油車(chē)輛，同時(shí)盡量減少進(jìn)洞的內(nèi)燃車(chē)輛的數(shù)量和次數(shù)，降低洞內(nèi)廢氣排放量。

3.3 通風(fēng)效果

在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案布置通風(fēng)系統(tǒng)，配備風(fēng)機(jī)風(fēng)管后，TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，洞內(nèi)通風(fēng)狀況始終保持良好，各項(xiàng)氣體指標(biāo)均優(yōu)于施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件。

4 結(jié)論

（1）本文以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM施工段為例，對(duì)水工隧洞長(zhǎng)距離通風(fēng)設(shè)計(jì)普遍性技術(shù)難題進(jìn)行了研究，依據(jù)工程實(shí)際及TBM掘進(jìn)不同段落進(jìn)行三階段通風(fēng)設(shè)計(jì)，每段結(jié)合自身特點(diǎn)進(jìn)行具體、細(xì)化設(shè)計(jì)，提出了一套科學(xué)、合理、節(jié)能、高效的長(zhǎng)距離通風(fēng)方案，取得了良好的效果，可為類(lèi)似工程通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

（2）本文的初步研究結(jié)果表明，對(duì)于超長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)，分段通風(fēng)是合理可行的解決方案。但是，尚缺少對(duì)這種方案的節(jié)能效果進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，在后續(xù)研究和應(yīng)用中，結(jié)合各自工程實(shí)際，如何合理利用好配套設(shè)施，加強(qiáng)通風(fēng)效果，也值得進(jìn)一步研究和探討。