單線鐵路特長隧道施工通風(fēng)防塵技術(shù)方案

劉 震

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 100855）

1 工程概況

天河山隧道為邢和單線鐵路控制性工程，隧道起訖里程D2K33+710～D2K45+405，長度1 1695 m，最大埋深615 m，呈東西走向，位于山西省左權(quán)縣和河北省邢臺市交界處，穿越太行山山脈。洞內(nèi)線路設(shè)計縱坡為-4‰/20 m、-14‰/11 220 m、-5‰/455 m 的單面坡。

本隧道設(shè)置1 條雙車道斜井及1 條平行導(dǎo)洞作為施工輔助坑道。1 號斜井設(shè)置于D2K38+315 處線路前進方向左側(cè)，與線路小里程方向平面夾角80°，斜井長1 581 m，平行導(dǎo)洞位于天河山隧道出口，全長3 150 m，與正洞平行，平導(dǎo)采用無軌單車道+錯車道，每隔300 m 左右設(shè)一處錯車道，平導(dǎo)與正洞直線段間距為35 m，平導(dǎo)進口段由于地形條件限制線間距約25 m～35 m，平導(dǎo)與正洞間通過橫通道鏈接，平導(dǎo)終點的橫通道與正洞相交于D2K42+265 線路右側(cè)，其余地段根據(jù)施工工期要求或排水需要設(shè)置橫通道。

隧道為整個標段的節(jié)點工程，隧道的順利貫通影響整線工期進度，隧道特點主要體現(xiàn)在工期短、隧道長、通風(fēng)難度大（隧道最長通風(fēng)距離4 635m）。

施工通風(fēng)是隧道施工的重要工序之一。合理的通風(fēng)系統(tǒng)、理想的通風(fēng)效果是實現(xiàn)隧道快速施工、保障施工安全和施工人員身心健康的重要保證。

2 通風(fēng)防塵控制條件

（1）隧道內(nèi)氧氣含量：按體積計不得小于20%。（2）粉塵允許濃度：每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2 mg；含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6 mg；二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物質(zhì)的礦物性和動植物性的粉塵為10 mg。（3）有害氣體濃度：一氧化碳不大于30 mg/m3，當施工人員進入開挖面檢查時，濃度不超過100 mg/m3，但必須在30 min 內(nèi)降至30 mg/m3；二氧化碳按體積計不超過0.5%；氮氧化物（換算為NO2）5 mg/m3以下。洞內(nèi)溫度：隧道內(nèi)氣溫不超過28℃，洞內(nèi)噪聲不大于90 dB。（4）洞內(nèi)風(fēng)量要求：隧道施工時供給每人的新鮮空氣量不應(yīng)低于4 m3/min，采用內(nèi)燃機械作業(yè)時供風(fēng)量不應(yīng)低于4 m3/(min.kw)。（5）洞內(nèi)風(fēng)速要求：全斷面開挖時不小于0.15 m/s，分部開挖時不小于0.25 m/s。

3 施工通風(fēng)方案

圖1 洞內(nèi)通風(fēng)管布置圖

根據(jù)以往隧道通風(fēng)經(jīng)驗及對當前通風(fēng)設(shè)備技術(shù)性能的調(diào)研結(jié)果，按照自成體系的原則，綜合考慮施工過程中可能出現(xiàn)的情況，制定隧道通風(fēng)方案。

根據(jù)確定的施工方案和任務(wù)劃分情況，施工通風(fēng)采用管道壓入式通風(fēng)，與風(fēng)機相接的風(fēng)管選用φ1 500 mm 負壓管（長度10 m），在洞內(nèi)轉(zhuǎn)彎處加設(shè)負壓通風(fēng)管。洞外風(fēng)機進風(fēng)口至斜井井口距離不小于20 m，風(fēng)管出風(fēng)口至掌子面距離L = 60 m。進口工區(qū)：承擔正洞施工長度為3 110 m；出口工區(qū)：承擔正洞施工長度為4 635 m；1 號斜井工區(qū)：承擔1#斜井1 581 m，往進口方向承擔正洞施工長度為1 495 m，往出口方向承擔正洞施工長度為2 455 m，進口方向合計3 076 m，出口方向合計4 036 m； 采用獨管路壓入式通風(fēng)，在交叉口往進口方向16 m 處設(shè)置風(fēng)室作為二級接力通風(fēng)風(fēng)室，體積為270 m3。風(fēng)室旁另架設(shè)兩臺55×2 kW 風(fēng)機分別給進出口方向通風(fēng)，風(fēng)機與風(fēng)室采用φ1 500 mm 鋼管連接，洞內(nèi)通風(fēng)管布置見圖1。

4 所需風(fēng)量計算

（1）按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算： Q1=qmk （1）

式中：q——每人每分鐘呼吸所需空氣量取q = 4 m3/min·人；

m——同時工作人數(shù)，斜井、單線單洞正洞取m = 40 人；

k——風(fēng)量備用系數(shù)，取k = 1.15。

由式（1）計算風(fēng)量得： Q1=qmk =4×40×1.15=184 m3/min。

（2）按允許最低平均風(fēng)速計算： Q2= 40Av （2）

式中：A——隧道斷面積，正洞單線單洞面積為50 m2；

v——洞內(nèi)平均風(fēng)速，斜井取0.25 m/s，正洞取0.15 m/s。

則正洞按式（2）計算風(fēng)量為 Q2= 40Av = 40×50×0.15 = 300 m3/min。

（3）按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計算

采用壓入式通風(fēng)，工作面需要風(fēng)量為：

式中：t——通風(fēng)時間，取t = 30min；

G——同時爆破炸藥用量，斜井、正洞均按Ⅱ級圍巖考慮，每循環(huán)最大進尺取3.5 m。正洞單位裝藥量取0.95 kg/m3，則G = 50×3.5×0.95 = 166.25 kg；

L——掌子面滿足下一循環(huán)施工的長度，取200 m。

則斜井井身施工時工作面需要風(fēng)量按式（3）計算得：

（4）按稀釋和排除內(nèi)燃機廢氣計算

采用無軌運輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，工作面考慮施工高峰期需要的內(nèi)燃機械使用情況為：挖掘機1 臺（功率110 kW），裝載機裝載機1 臺（功率為162 kW），汽車5 臺（每臺功率為180 kW，洞內(nèi)同時工作3 臺），混凝土罐車2 臺（每臺功率為85 kW），總功率為982 kW。則稀釋內(nèi)燃機排出廢氣的需要空氣量： Q4= V/K （4）

式中： V = ∑αP ，其中α ——單位功率內(nèi)燃機每分鐘產(chǎn)生有害氣體量，按照有凈化裝置機械產(chǎn)生的CO 氣體為0.09×10-3（m3/min·kw）；P ——內(nèi)燃機功率，P = 982 kW； K——允許濃度0.008%。

按式（4）計算得： Q4= V/K=（0.09×10-3×982）/0.008% =1 104.8 m3/min。

則按稀釋和排除內(nèi)燃機廢氣的所需要風(fēng)量為1 105 m3/min。

上述四種計算結(jié)果，風(fēng)量取其最大值（Q=1 105 m3/min）作為通風(fēng)布置依據(jù)。

（5）各個洞口所需要空氣量

其中，β ——風(fēng)管百米漏風(fēng)率，取β =0.015；L 為通風(fēng)長度。

通風(fēng)機供風(fēng)量： Q供=PcQ （6）

依據(jù)式（5）和式（6）計算各個洞口所需通風(fēng)機供風(fēng)量，見表1。

表1 各個洞口所需通風(fēng)機供風(fēng)量

5 風(fēng)機風(fēng)壓和功率計算

5.1 風(fēng)機風(fēng)壓計算

其中， f ——摩阻系數(shù)取 25002.0=f kg/m3；D——通風(fēng)管直徑，隧道通風(fēng)軟管統(tǒng)一采用取直徑D=1.5 m。

按式（7）計算管道阻力系數(shù)見表2。

式中： HD——隧道內(nèi)阻力損失取50 Pa； H其他——其他阻力損失取60 Pa。

則風(fēng)機設(shè)計全壓fHH= ，即

各洞口風(fēng)機全壓計算結(jié)果如表2 所示。

表2 風(fēng)機全壓計算結(jié)果

5.2 風(fēng)機功率計算

式中：H——風(fēng)機工作風(fēng)壓，Pa； η——風(fēng)機工作效率，取80%； K——功率儲備系數(shù)，取1.05。

各洞口風(fēng)機功率計算結(jié)果如表3 所示。

表3 風(fēng)機功率計算結(jié)果

6 通風(fēng)設(shè)備選擇

考慮到斜井井口通風(fēng)機設(shè)備需滿足所有通風(fēng)風(fēng)壓和風(fēng)量的要求，斜井與正洞交叉口位置設(shè)計轉(zhuǎn)換風(fēng)室，綜合考慮通風(fēng)設(shè)備選擇如下：（1）1 號斜井出口方向選取1 臺SDF(B)-4-No 13 型號風(fēng)機； 1 號斜井進口方向選取1 臺SDF(B)-4-No11 型號風(fēng)機；斜井與正洞交叉口設(shè)置轉(zhuǎn)換風(fēng)室，增設(shè)一臺2 臺SDF(B)-6-NO16 型號風(fēng)機。（2）正洞進口方向選取1 臺SDF(B)-4-No11 型號風(fēng)機；正洞出口方向選取2 臺SDF(B)-6-No 17 型號風(fēng)機。本隧道配備風(fēng)機型號及參數(shù)見表4。

表4 風(fēng)機型號及參數(shù)

7 通風(fēng)和防塵措施

7.1 通風(fēng)措施

以長代短。風(fēng)管節(jié)長由以往的20～30 m 加長至50～100 m，減少接頭數(shù)量，即減少漏風(fēng)量；以大代小：在凈空允許的條件下，盡量采用大直徑風(fēng)管；截彎取直：風(fēng)管安裝前，先按5 m 間距埋設(shè)吊掛錨桿，并在桿上標出吊線位置，再將φ8 mm 盤條吊掛線拉直并焊固在錨桿上，而后在吊掛線上掛風(fēng)管。這樣可使風(fēng)管安裝到達平、直、穩(wěn)、緊，不彎曲、無褶皺，減少通風(fēng)阻力。加強風(fēng)管的檢查維修，發(fā)現(xiàn)破損及時粘補。

7.2 防塵措施

隧道施工防塵采取綜合治理的方案控制粉塵的產(chǎn)生，鉆眼作業(yè)采用濕式鑿巖；裝碴前必須進行噴霧、灑水；長大隧道在距掌子面30m 外邊墻兩側(cè)各放一臺水幕降塵器，爆破前10min 打開閥門，放炮30min 后關(guān)閉；在掌子面后安裝GC300 型隧道集塵器。隧道集塵器主要是捕捉3μm 以上的粉塵；施工人員佩帶防塵口罩。