羊毛灣引水工程施工I 標(biāo)段引水隧洞施工通風(fēng)改進(jìn)方案

田旭智，張 濤

（陜西省交口抽渭灌溉管理局，陜西 渭南 714000）

1 工程概況

羊毛灣引水工程是為解決乾縣縣城及石牛、臨平、新陽、漠西4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（社區(qū)）嚴(yán)重缺水的重大民生工程。引水隧洞部分是該工程的關(guān)鍵控制工程，該隧洞全長7.744 km，進(jìn)口位于羊毛灣水庫大壩溢洪道下游左側(cè)，出口位于臨平鎮(zhèn)小咸陽村境內(nèi)，洞身斷面為城門洞型，最大開挖斷面尺寸為2.8 m 寬×3.2 m高，最小開挖斷面尺寸為2.3 m 寬×2.75 m 高。施工支洞位于五星村龍背溝內(nèi)，全長645.63 m 與主洞在樁號4+775 處相接，洞身斷面為城門洞型，開挖斷面尺寸為4.3 m 寬×3.85 m 高。

2 施工通風(fēng)技術(shù)的難點(diǎn)

1）隧洞開挖斷面小，最小開挖尺寸僅為2.75 m 高×2.3 m寬，洞內(nèi)運(yùn)輸采用三輪車作為運(yùn)輸工具，三輪車的高×寬為1.2 m×1.35 m，兩側(cè)剩余空間較小，且在洞身一側(cè)必須布設(shè)水、電線路以及通風(fēng)風(fēng)管,很難滿足吸風(fēng)管及設(shè)備安裝所占空間需求,同時機(jī)械運(yùn)輸材料中容易造成風(fēng)帶損壞,進(jìn)一步造成風(fēng)損較大,且隨著開挖距離的增加，壓入的風(fēng)量明顯不足,最終導(dǎo)致洞內(nèi)空氣質(zhì)量無法滿足正常施工需求。

2）單口通風(fēng)距離長，根據(jù)施工部署安排進(jìn)口段單口通風(fēng)距離長達(dá)2580 m，支洞上游單口通風(fēng)距離長達(dá)2840.13 m，支洞下游單口通風(fēng)距離長達(dá)1220.63 m，出口段單口通風(fēng)距離長達(dá)2414 m。要保證相應(yīng)的掘進(jìn)速度對通風(fēng)時間有嚴(yán)格的限制，所以具有很大的技術(shù)難度。

3 目前隧洞通風(fēng)現(xiàn)狀及存在問題分析

工程于2014 年7 月8 日正式開工，依據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)采用三口四個工作面進(jìn)行，通風(fēng)方式主要以壓入式通風(fēng)為主，截止2016 年6 月22 日，出口累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)2560 m；支洞下游累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)980m；支洞上游累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)1350 m；進(jìn)口累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)1300 m。

經(jīng)對目前各工作面洞內(nèi)空氣觀測分析，出口段為土質(zhì)隧洞，采用電動扒渣機(jī)開挖柴油三輪車出渣進(jìn)行施工，洞內(nèi)主要廢氣由運(yùn)輸設(shè)備即三輪車產(chǎn)生，通風(fēng)主要采用4 臺（FBD No5.6A）風(fēng)機(jī)柔性管筒壓入式送風(fēng)，2015 年5 月份在距離出口1530 m 處增設(shè)了通風(fēng)豎井配合通風(fēng)，有效的解決了洞內(nèi)空氣質(zhì)量差的問題，目前該處已實(shí)現(xiàn)獨(dú)頭通風(fēng)2560 m，考慮到再有不足40 m將和支洞下游貫通，故出口段通風(fēng)不再進(jìn)行優(yōu)化。

支洞上下游均為石質(zhì)隧洞，采用全斷面爆破開挖，柴油三輪車出渣進(jìn)行施工，洞內(nèi)廢棄有爆破后產(chǎn)生的廢氣和三輪車產(chǎn)生的廢煙，通風(fēng)主要采用2 臺（FBD No5.9A）風(fēng)機(jī)柔性管筒壓入式送風(fēng)。由于受支洞比降大、彎道多、和主洞垂直相接等因素影響，目前支洞洞內(nèi)通風(fēng)主要存在問題：

1）因風(fēng)筒角度變化過大、多處出現(xiàn)褶皺、破損漏風(fēng)，風(fēng)筒末端的風(fēng)速和風(fēng)量均不能滿足施工生產(chǎn)要求；

2）上下游兩個工作面同時施工，施工機(jī)械在洞內(nèi)的工作時間長、風(fēng)能損耗大、廢氣量增加，加之洞外送風(fēng)量不足,上下游煙氣出現(xiàn)串流的現(xiàn)象；

3）支洞比降大受內(nèi)外氣壓差影響排煙不暢。目前支洞下游已實(shí)現(xiàn)獨(dú)頭通風(fēng)980 m，考慮到再有不足40 m 將和出口貫通，故支洞下游通風(fēng)不再進(jìn)行優(yōu)化；支洞上游已累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)1350 m，洞內(nèi)空氣已嚴(yán)重不能滿足施工生產(chǎn)，考慮到后續(xù)該工作面仍有1500 余米的掘進(jìn)任務(wù)，因此必須對該處的通風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以滿足施工生產(chǎn)要求。

進(jìn)口段為石質(zhì)隧洞，采用全斷面爆破開挖，柴油三輪車出渣進(jìn)行施工，洞內(nèi)廢棄有爆破后產(chǎn)生的廢氣和三輪車產(chǎn)生的廢煙，通風(fēng)主要采用2 臺（FBD No5.6A）風(fēng)機(jī)柔性管筒壓入式送風(fēng)。目前累計(jì)獨(dú)頭通風(fēng)1300 m，因只在洞口位置架設(shè)了兩臺（FBD No5.6A）風(fēng)機(jī)，隨著掘進(jìn)的長度加大，風(fēng)筒的長度加長，風(fēng)速和風(fēng)量降低，洞內(nèi)廢氣排出困難。該工作面仍有1500 余米的掘進(jìn)任務(wù)，因此必須對該段通風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表

4 通風(fēng)方案改進(jìn)優(yōu)化

在本次工程隧洞施工中，通風(fēng)方法主要采用管道法（一般有管道法，巷道法、機(jī)械法等），而管道法按照其送風(fēng)方式又分為壓入法、吸出法、混合法三大類，各種送風(fēng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。吸出法的優(yōu)點(diǎn)是施工工作面的廢氣及粉塵能夠得到快速凈化，并且凈化質(zhì)量較高,但是通風(fēng)機(jī)需要根據(jù)工作面頻繁地移動,噪聲污染較大,管道極易漏風(fēng)，并且會造成重復(fù)污染;壓入法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在排除廢氣及粉塵的速度較快,在安裝拆卸過程中更為簡單、易操作,缺點(diǎn)主要是空氣輸入需全部通過通風(fēng)管;混合法雖然是施工隧洞通風(fēng)中最佳的,空氣質(zhì)量好、速度快,但由于羊毛灣洞室斷面過小，不滿足該方案的實(shí)際運(yùn)用條件。根據(jù)羊毛灣隧洞的現(xiàn)場實(shí)際情況,綜合考慮各種不利因素,采用壓入法通風(fēng)方案合理可行。

4.1 通風(fēng)量分析

隧洞施工通風(fēng)應(yīng)能滿足洞內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)所需要的最大通風(fēng)量，風(fēng)量按每人每分鐘供應(yīng)新鮮空氣3 m3計(jì)算，一般采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時，功率為1 kW 供風(fēng)量不小于3 m3/min，風(fēng)速在全斷面開挖時不小于0.15 m/s，坑道內(nèi)不小于0.25 m/s，但均不應(yīng)大于6 m/s。根據(jù)實(shí)際情況及以往施工經(jīng)驗(yàn)在洞室獨(dú)頭掘進(jìn)時,采用電雷管起爆，工作面在爆炸的瞬間及之后數(shù)分鐘內(nèi),被爆破產(chǎn)生的污染氣體及粉塵僅是距工作面40 m 左右的隧洞空間。如果能及時采取有效措施, 將污染氣體及粉塵控制在爆破后所延伸的范圍內(nèi),則很大程度能減少除塵排煙所需的風(fēng)量,極大的縮短通風(fēng)時間,且可減輕或避免廢氣及粉塵污染整個隧洞空氣。

4.2 風(fēng)量計(jì)算

隧洞內(nèi)所需風(fēng)量按照下列幾種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并取計(jì)算結(jié)果的最大值作為供風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.1 按滿足在洞內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)所需要的最大通風(fēng)量計(jì)算

式中：q 為按每人每分鐘供應(yīng)新鮮空氣3 m3計(jì)算；m 為同時工作人數(shù)，取m=15 人；k 為風(fēng)量備用系數(shù)，取k=1.2。

經(jīng)計(jì)算，Q1=54.0 m3/min。

4.2.2 按稀釋內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)計(jì)算工作面風(fēng)量

式中：a 為1 kW 供風(fēng)量3 m3/min；K1為內(nèi)燃機(jī)功率有效系數(shù)，K1=1.0；K2為內(nèi)燃機(jī)工作系數(shù)，K2=1.0；∑N 為內(nèi)燃機(jī)功率之和，∑N=6×16.2=97.2 kW。

經(jīng)計(jì)算，Q2=291.6 m3/min。

4.2.3 按允許最低平均風(fēng)速計(jì)算

式中：A 為隧道開挖斷面面積，取A=7.5 m2；V 為允許最小風(fēng)速，取 V=0.15 m/s。

經(jīng)計(jì)算，Q3=67.5 m3/min。

4.2.4 按照爆破后稀釋有害氣體達(dá)到允許濃度計(jì)算

采用壓入式通風(fēng)，工作面需要風(fēng)量：

Q4=[7.8×（GA2L2）1/3]/t

式中：t 為通風(fēng)時間，取t=30 min；G 為爆破所用最大炸藥量，取G=55 kg；A 為隧道斷面面積，取 A=7.5 m2；L 為空氣質(zhì)量滿足下一循環(huán)施工長度，取L=40 m。

經(jīng)計(jì)算，Q4=44.31 m3/min。

4.2.5 通風(fēng)設(shè)計(jì)量選取

依據(jù)計(jì)算選取上面四種計(jì)算中最大值作為通風(fēng)設(shè)計(jì)量，即取風(fēng)量Q=300 m3/min。

根據(jù)施工安排單口掘進(jìn)最大長度按L=1000 m。

風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)Pc=1/（1-β）=3，通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Q供=PcQ，則Q供=PcQ=3×300=900 m3/min，取 Q供=900 m3/min。

4.3 管道阻力系數(shù)

風(fēng)阻系數(shù)Rf=6.5αL/（5D），摩阻系數(shù)α=λρ/8=0.00225 kg/m3，取風(fēng)管（軟管）直徑D=0.6 m。

則Rf=6.5αL/（5D）=6.5×0.00225×1000/（5×0.6）=4.875。

4.4 管道阻力損失

管道阻力損失：

式中：Qj為通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，取設(shè)計(jì)風(fēng)量Qj=Q供=900 m3/min；Qi為管道末端流出風(fēng)量，取Qi=Q2=300 m3/min；HD為隧道內(nèi)阻力損失，取 HD=60 Pa；H其他為其他阻力損失，取 H其他=50 Pa（支洞 H其他=50+555=605 Pa）。

1）隧道進(jìn)口管道阻力損失：

2）隧道支洞管道阻力損失：

4.5 隧洞風(fēng)機(jī)全壓

1）進(jìn)口隧洞風(fēng)機(jī)全壓：

2）支洞口風(fēng)機(jī)全壓：

4.6 風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

式中：Q 為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；H 為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓；K 為功率儲備系數(shù)，取1.05；η 為風(fēng)機(jī)工作效率，取90%；

1）進(jìn)口隧道風(fēng)機(jī)功率計(jì)算：

W=QHK/(60η)=900×475.625×1.05/(60×0.9)=8.323kW

2）支洞隧道風(fēng)機(jī)功率計(jì)算：

W=QHK/(60η)=900×980.625×1.05/(60×0.9)=17.16kW

4.7 通風(fēng)機(jī)選擇

通風(fēng)機(jī)選擇配置主要依據(jù)風(fēng)壓、風(fēng)量以及功率。結(jié)合羊毛灣隧洞工施工實(shí)際,選用軸流式通風(fēng)機(jī),因其體積小,安裝簡單方便,效率也高,但噪音較大，現(xiàn)場實(shí)際使用風(fēng)機(jī)與優(yōu)化后理論風(fēng)機(jī)參數(shù)對照見表2。

表2 實(shí)際使用風(fēng)機(jī)與理論風(fēng)機(jī)參數(shù)對照表

5 通風(fēng)方案的實(shí)施

經(jīng)計(jì)算分析，目前支洞口和進(jìn)口所架設(shè)的風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)機(jī)流量不能滿足理論流量，需在進(jìn)口和支洞口再各增加一臺同型號風(fēng)機(jī)（進(jìn)口FBD No5.6A 型號一臺，支洞FBD No5.9A 型號一臺，具體布設(shè)見圖1、圖2）。

圖1 進(jìn)口通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)平面示意圖

圖2 支洞通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化布設(shè)示意圖

考慮到兩個工作面將來獨(dú)頭供風(fēng)均要超過2500 m，為保證因通風(fēng)距離長風(fēng)壓降低，在兩個口進(jìn)尺1000 m 處各架設(shè)風(fēng)機(jī)一臺串聯(lián)接力供風(fēng)，同時為加快洞內(nèi)廢氣的出排，采取每隔100 m 增設(shè)局扇混合式通風(fēng)。

設(shè)備預(yù)算見表3。

表3 羊毛灣引水工程隧洞通風(fēng)優(yōu)化所需設(shè)備預(yù)算

6 施工通風(fēng)管理

1）通風(fēng)管的安裝必須平順、接頭嚴(yán)密，彎管半徑不小于風(fēng)管直徑的3 倍，風(fēng)管采用軟質(zhì)橡膠管，如有破損及時修理或更換，加強(qiáng)日常維修管理工作。

2）安設(shè)在洞口的風(fēng)機(jī)要距離洞口20 m 以外的上風(fēng)向，盡量避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)；出風(fēng)管靠近作業(yè)工作面的距離小于15 m。

3）定期測試隧洞內(nèi)通風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量，檢查通風(fēng)設(shè)備的供風(fēng)能力和線路連接，作業(yè)過程中做好通風(fēng)灑水防塵措施，搞好個人防護(hù)。

4）進(jìn)口、支洞工區(qū)配置專職安全人員對現(xiàn)場通風(fēng)情況及時定期進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，對通風(fēng)系統(tǒng)作出優(yōu)化調(diào)整，最終必須保證洞內(nèi)溫度不得高于30℃、一氧化碳（CO）小于30 mg/m3；二氧化碳（CO2）濃度按體積計(jì)算小于0.5%；氮氧化合物（NO2）小于 5 mg/m3～8mg/m3；甲烷（CH4）按體積計(jì)算小于 0.5%。

5）按照隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)要求安裝主風(fēng)機(jī)，輔助風(fēng)機(jī)安裝在洞內(nèi)新鮮氣流中，通風(fēng)機(jī)裝置安設(shè)牢固、安全，當(dāng)發(fā)生風(fēng)機(jī)故障時能自動停機(jī)，通風(fēng)管每節(jié)長度控制在20 m。

6）因?yàn)樵擁?xiàng)目進(jìn)口、支洞獨(dú)頭掘進(jìn)距離較長，洞內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備所采用的三輪車較多，運(yùn)輸過程中排放的廢氣和產(chǎn)生的粉塵量較大，隧洞開挖采用爆破方式所產(chǎn)生的有害氣體和粉塵也較多。為了避免對洞內(nèi)作業(yè)人員造成人身傷害，若發(fā)現(xiàn)不符合廢氣和粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)立即采取有效的處理措施，以滿足人身健康安全和環(huán)境保護(hù)的要求。

7 結(jié)語

本工程屬于長距離小斷面引水隧洞，在施工作業(yè)時，面對洞內(nèi)的空氣輸送，不斷的優(yōu)化通風(fēng)方案，采取有效的處理措施，在洞內(nèi)外布設(shè)風(fēng)機(jī)，洞內(nèi)通過距離不斷串聯(lián)接力風(fēng)機(jī)，為施工提供有利條件，也為施工作業(yè)提供了人身健康安全和環(huán)境保護(hù)，達(dá)到了安全可靠、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的目的，對于類似工程具有參考意義。