水工深埋長(zhǎng)隧洞通風(fēng)技術(shù)探討

【摘要】伴隨著水電站地下洞室和超長(zhǎng)引水工程的大量修建，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)大深埋隧洞蓬勃發(fā)展起來。尤其是我國(guó)西部大型水電站裝機(jī)容量大、水頭高，且位于高山峽谷地區(qū)，地下水位高，水工洞室常深埋于地下水位以下，于是水工深埋隧洞的各項(xiàng)技術(shù)也得到了實(shí)踐和發(fā)展。文章僅就水工深埋長(zhǎng)隧洞通風(fēng)技術(shù)展開探討。

【關(guān)鍵詞】水工深埋隧洞；通風(fēng)技術(shù)；探討

就深埋長(zhǎng)隧洞而言，國(guó)際隧洞協(xié)會(huì)把長(zhǎng)度3～5 km 的隧洞定義為長(zhǎng)隧洞； 我國(guó)水利水電系統(tǒng)將埋深大于600 m 的隧洞定義為深埋隧洞，鉆爆法施工中將長(zhǎng)度大于3 km、TBM 法施工大于10 km的隧洞定義為長(zhǎng)隧洞。目前，世界各國(guó)已經(jīng)在水利水電、鐵路、公路等領(lǐng)域建成近200多條接近或超過10km的長(zhǎng)大深埋隧洞。近20余年來，長(zhǎng)大深埋隧洞在我國(guó)水利水電、鐵路、公路等建設(shè)中蓬勃發(fā)展，其中，水工隧洞總體體現(xiàn)出“長(zhǎng)、大、深”的特點(diǎn)，代表性的有錦屏二級(jí)、天生橋二級(jí)、齊熱哈塔爾等水電站的發(fā)電引水隧洞、引大入秦工程等工程，經(jīng)過這些水利水電工程的實(shí)踐，我國(guó)的長(zhǎng)大深埋隧洞技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并取得了舉世矚目的成就。在水工深埋隧洞施工技術(shù)中，通風(fēng)技術(shù)也是十分重要的一項(xiàng)，對(duì)其展開研究也是十分必要的。

一、隧洞施工通風(fēng)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(fēng)方式，因此，在輸水隧洞工程中，當(dāng)隧洞長(zhǎng)度較短，或隧洞雖長(zhǎng)但淺埋、容易設(shè)置施工支洞實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)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(fēng)方式就能滿足通風(fēng)要求。當(dāng)隧洞既長(zhǎng)又深埋、且不便設(shè)置施工支洞實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)洞短打”的情況下，這就需要設(shè)置專門的輔助通風(fēng)豎井或斜井，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)情況下的通風(fēng)要求。以下僅探討水工深埋長(zhǎng)隧洞的通風(fēng)方式。

對(duì)于水利工程中的深埋長(zhǎng)隧洞，由于隧洞埋深大，設(shè)置施工支洞較困難，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，通常采用TBM掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。TBM施工通常采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣、機(jī)車進(jìn)料或全部采用機(jī)車運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑱C(jī)車一般采用無污染的電瓶車或低污染的內(nèi)燃機(jī)車牽引，這樣對(duì)于洞徑較大的隧洞，采用大管徑風(fēng)管，可不設(shè)置通風(fēng)豎井或少設(shè)置通風(fēng)豎井即可滿足通風(fēng)要求。通常當(dāng)管片襯砌或一次支護(hù)后洞徑大于6m時(shí)，可采用直徑2m及以上風(fēng)管，獨(dú)頭通風(fēng)距離可超過10km。比如大伙房輸水隧洞TBM1、引漢濟(jì)渭輸水隧洞嶺南TBM、吉林引松供水工程等，均采用2.2m直徑風(fēng)管，獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度均超過10km。對(duì)于洞徑較小的隧洞，采用的通風(fēng)管管徑較小，受風(fēng)管耐壓限制，獨(dú)頭通風(fēng)距離有限，這就需要設(shè)置通風(fēng)豎井以滿足通風(fēng)要求，通風(fēng)方式可采用將送風(fēng)機(jī)置于通風(fēng)豎井上風(fēng)側(cè)的射流巷道式通風(fēng)方式或正壓排風(fēng)混合式通風(fēng)方式。

二、通風(fēng)計(jì)算

隧洞施工通風(fēng)計(jì)算主要考慮施工人員需風(fēng)量、柴油機(jī)械需風(fēng)量和最小風(fēng)速等因素。下面結(jié)合深埋長(zhǎng)隧洞TBM 施工介紹通風(fēng)計(jì)算。

施工人員需風(fēng)量：Qp=3kpN

柴油機(jī)械需風(fēng)量：Qd=∑3ke

Pdi允許最低風(fēng)速所需風(fēng)量：Qv=Av

工作面需風(fēng)量按上述計(jì)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(fēng)量，m3/min；

kp——施工人員所需風(fēng)量修正系數(shù)，取1.3；

N——洞內(nèi)最多施工人數(shù)；

Qd——柴油機(jī)械需風(fēng)量，m3/min；

Pdi——工作面柴油機(jī)械功率，k W；

ke——柴油機(jī)械高程系數(shù)；

Qv——按允許最低風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量，m3/min；

A——斷面面積，m2；

v——允許最低風(fēng)速，m/s。

需要注意的是 TBM 施工運(yùn)輸若采用內(nèi)燃機(jī)車，車輛數(shù)目隨掘進(jìn)長(zhǎng)度逐步增加，通常工作面附近最大時(shí)有兩列車，而整條隧洞內(nèi)不只兩列車。因內(nèi)燃機(jī)車為移動(dòng)柴油機(jī)械，故不能簡(jiǎn)單地作為工作面需風(fēng)機(jī)械，因其尾氣沿程排放，管道漏風(fēng)對(duì)其有相同稀釋作用。但風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)滿足各段柴油機(jī)械分布要求。

三、通風(fēng)設(shè)備選擇

（一）通風(fēng)機(jī)

隧洞通風(fēng)機(jī)有軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)。因軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓低、風(fēng)量大，串聯(lián)方便，適合長(zhǎng)距離通風(fēng)，在隧洞施工通風(fēng)中被廣泛采用；離心風(fēng)機(jī)使用較少。軸流風(fēng)機(jī)通過串聯(lián)可增加風(fēng)壓，通過并聯(lián)可增加風(fēng)量。多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)串聯(lián)常采用兩兩對(duì)旋，對(duì)旋式風(fēng)機(jī)相對(duì)于非對(duì)旋風(fēng)機(jī)，具有損耗小，壓力大、效率高的特點(diǎn)。

（二）通風(fēng)管

隧洞施工通風(fēng)中常用的風(fēng)管有軟風(fēng)管、硬風(fēng)管和伸縮性風(fēng)管。軟風(fēng)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(fēng)率低，拆裝搬運(yùn)方便，適合做大直徑風(fēng)管，只能用于正壓通風(fēng)。硬風(fēng)管一般為鐵風(fēng)管，通常采用法蘭盤連接，也有玻璃風(fēng)管、鋁塑管、玻璃纖維塑料管，它們通常為板材在現(xiàn)場(chǎng)加工成型，可用于正壓通風(fēng)也可用于負(fù)壓通風(fēng)。伸縮性風(fēng)管通常為軟風(fēng)管加鋼圈而成，主要用于負(fù)壓通風(fēng)，由于阻力較大，僅用于短距離通風(fēng)。拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管具有質(zhì)量小，漏風(fēng)率小，拆裝搬運(yùn)方便，適合于長(zhǎng)隧洞的通風(fēng)。輸水隧洞施工通風(fēng)均采用拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管，其中TBM 軟風(fēng)管單節(jié)長(zhǎng)度在300 m以上。隨著通風(fēng)管質(zhì)量的不斷提升，獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)度有明顯的增加，如西康線秦嶺隧道，獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度已達(dá)7.5 km，巴基斯坦N-J 水電站工程A4 下游工作面獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度 5.3km，從大量國(guó)內(nèi)外工程獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度分析，鉆爆法施工獨(dú)頭通風(fēng)長(zhǎng)度達(dá)4 km 即屬于先進(jìn)水平。隧洞采用TBM 施工時(shí)，通風(fēng)管節(jié)長(zhǎng)大幅增加，一般在200m以上，最大節(jié)長(zhǎng)已達(dá)500 m，管節(jié)的增長(zhǎng)使管路漏風(fēng)率大幅減小，通風(fēng)機(jī)有效通風(fēng)距離大幅增長(zhǎng)，一般可達(dá)10 km以上 。

綜上所述，通過對(duì)水工深埋長(zhǎng)隧洞通風(fēng)技術(shù)的探討，可以得出如下結(jié)論：（1）水利工程中高海拔深埋長(zhǎng)隧洞通常采用設(shè)置輔助通風(fēng)豎井的通風(fēng)方式，并充分利用豎井上、下壓差形成的自然風(fēng)流，可減少風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。（2）通風(fēng)計(jì)算時(shí)，需結(jié)合工程所處海拔和洞內(nèi)運(yùn)輸方式，充分考慮海拔修正系數(shù)和柴油機(jī)械單位千瓦需量，既要滿足工作面的最大需風(fēng)量，也要滿足整條隧洞內(nèi)所有柴油機(jī)械需風(fēng)總量。（3）通風(fēng)距離較長(zhǎng)時(shí)，通常選用多級(jí)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)和拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。

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