中東抽水蓄能K項目尾調(diào)通氣洞施工通風(fēng)的分析與探討

趙 維 剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中東抽水蓄能K項目由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站及進場道路組成。其中進廠交通洞長度約1 003 m，呈城門洞型和馬蹄型斷面。根據(jù)不同的圍巖條件，開挖斷面從6.2 m×7.45 m到11.288 m×8.95 m(寬×高)，洞內(nèi)縱坡坡比為-10%，最大轉(zhuǎn)彎半徑為628 m，轉(zhuǎn)彎角度為16.84°。

尾調(diào)通氣洞連接進廠交通洞與尾水調(diào)壓室，樁號為ATL0+000～0+523.27，高程為-229.54～-176.5 m，洞內(nèi)縱坡坡比為-10.5%。進口位于進廠交通洞樁號AC0+476.457處，與進廠交通洞軸線呈120°夾角，隧洞斷面呈馬蹄形，結(jié)構(gòu)尺寸為6 m×(6.28～6.45)m，最大開挖面積為36.4 m2，隧洞直徑為3.4 m。

尾調(diào)通氣洞縱斷面見圖1，尾調(diào)通氣洞開挖典型斷面見圖2。

2 通風(fēng)的目的

在隧洞施工過程中，不可避免地會產(chǎn)生一些有害氣體并排放到隧洞空氣中，造成對隧洞空氣的污染，嚴(yán)重地?fù)p害隧洞內(nèi)作業(yè)人員的身心健康。這些有害氣體主要包括一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫和瓦斯等，其主要來源包括人員呼吸、放炮作業(yè)、內(nèi)燃設(shè)備的尾氣、洞內(nèi)火災(zāi)、瓦斯爆炸、有機物氧化和焊接等。

因此，需要采用有效的施工通風(fēng)措施以降低洞內(nèi)空氣中有害氣體的濃度，保證施工人員正常呼吸及施工機械的有效運轉(zhuǎn)和施工安全，保持施工進度、文明施工和員工的身體健康，為洞室開挖及支護施工提供一個安全良好的施工環(huán)境。

3 施工通風(fēng)的計算及布置

圖1 中東抽水蓄能K項目尾調(diào)通氣洞縱剖面圖

單位：cm圖2 中東抽水蓄能K項目尾調(diào)通氣洞開挖典型斷面圖

(1)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。

按照《中東一般隧洞施工技術(shù)要求》54.06.02款中的規(guī)定及中東標(biāo)準(zhǔn)5567的要求，隧洞洞室斷面面積小于100 m2的隧洞洞內(nèi)的最低風(fēng)速為0.5 m/s，洞內(nèi)每人的供風(fēng)量為不小于5.6 m3/min，柴油設(shè)備供風(fēng)量不少于3.8 m3/kW。

關(guān)于洞內(nèi)有害氣體濃度，中東標(biāo)準(zhǔn)5567有以下規(guī)定的限值：二氧化碳(CO2)，隧洞中空氣的5 000 ppm(0.5%)；一氧化碳(CO)，隧洞中空氣的30 ppm(0.003%)；二氧化氮(NO2)，隧洞中空氣的3 ppm(0.000 3%)；硫化氫(H2S)，隧洞中空氣的10 ppm(0.001%)；甲烷，隧洞開挖面的1.5%。

而對于影響作業(yè)環(huán)境的相關(guān)因素和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，在我國《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ 1-2010)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)因素》(GBZ 2.1-2007)和《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第2部分：物理因素》(GBZ 2.2-2007)中，對與隧洞施工作業(yè)環(huán)境有關(guān)、常見的幾種化學(xué)物質(zhì)(有害氣體)容許濃度及粉塵容許濃度都有明確的規(guī)定，其主要內(nèi)容見表1。

中東標(biāo)準(zhǔn)5567中有害氣體的濃度與我國規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定對比情況見表1，隧洞內(nèi)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及人員需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)對比情況見表2。

表1 隧洞工作場所空氣中化學(xué)物質(zhì)容許濃度對比表

表2 隧洞內(nèi)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及人員需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)對比表

(2)通風(fēng)規(guī)劃。

依據(jù)經(jīng)監(jiān)理工程師審核的開挖及支護施工方案，尾調(diào)通氣洞的開挖及支護由進廠交通洞向尾水調(diào)壓室單向獨頭掘進，施工通風(fēng)方式選擇壓入式通風(fēng)，利用設(shè)置在洞外的通風(fēng)機械通過通風(fēng)管道將新鮮空氣送至工作面，供給洞內(nèi)足夠的新鮮空氣。

根據(jù)施工方案中的人力資源、設(shè)備配置、爆破設(shè)計等計算施工現(xiàn)場的通風(fēng)量及風(fēng)速，除必須滿足施工人員正常呼吸、稀釋機械廢氣濃度、降低有害氣體的濃度及降溫等的最小通風(fēng)量外，還需滿足洞內(nèi)的最小風(fēng)速，以保持洞內(nèi)空氣的新鮮程度。

施工通風(fēng)采用正壓軸流風(fēng)機供風(fēng)、柔性連續(xù)風(fēng)筒送風(fēng)。風(fēng)機架設(shè)在進廠交通洞外約30 m，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面約20 m，風(fēng)筒通過鋼絲懸吊在隧洞拱頂位置。

(3)通風(fēng)風(fēng)量。

通過對滿足施工人員正常呼吸、排除爆破及機械廢氣、降低有害氣體濃度等的最大通風(fēng)量，以及滿足洞室最小風(fēng)速且不超過最大容許風(fēng)速進行施工所需通風(fēng)量的分別計算，確定最大的需風(fēng)量。

①施工人員正常呼吸所需風(fēng)量計算公式：

Q1=m×q1×k

式中Q1為隧洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所需的總風(fēng)量(m3/min)；m為工作人數(shù)；q1為每個人需要的通風(fēng)量，取5.6 m3/min；k為通風(fēng)備用系數(shù)，取1.1～1.25。

根據(jù)尾調(diào)通氣洞開挖支護施工方案，施工作業(yè)面高峰期的人員總數(shù)為31人，按照中東標(biāo)準(zhǔn)5567的要求，以每人5.6 m3/min新鮮空氣需要量進行計算，施工人員所需風(fēng)量計算如下：

Q1=m×q1×k

=30×5.6×1.25=217(m3/min)

②計算爆破排煙需風(fēng)量。

尾調(diào)通氣洞爆破開挖施工過程中的主要爆破參數(shù)見表3。

表3 尾調(diào)通氣洞爆破參數(shù)表(進尺3 m)

考慮到中東規(guī)范5567要求達到的CO濃度為30 ppm，即0.003%，遂選擇采用沃洛寧公式計算壓入式通風(fēng)方式下排除炮煙的需風(fēng)量，其計算公式為：

式中Q2為爆破排煙工作面需風(fēng)量(m3/min)；t為通風(fēng)時間。依國際隧協(xié)規(guī)定，取15 min；G為同時爆破的炸藥量，依據(jù)爆破設(shè)計，取118.5 kg；b為每千克炸藥爆炸時產(chǎn)生的CO(L/kg)，一般取b=40 L/kg，遇到煤層時取b=100 L/kg；L0為通風(fēng)長度；A為隧洞開挖斷面積，依據(jù)設(shè)計圖計算為42 m2；Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比；Ca為要求達到的CO濃度(%)，取值為0.003%。

a.通風(fēng)長度的確定。

當(dāng)隧洞長度較短、小于排煙安全距離時，隧洞長度即為通風(fēng)長度；當(dāng)隧洞長度較長、大于排煙安全距離時，則取排煙安全距離作為通風(fēng)長度(排煙安全距離指炮煙從工作面向外排除過程中濃度不斷降低、隧洞斷面上的炮煙平均濃度已降到平均濃度時該斷面到掘進工作面的距離)。

排煙安全距離的計算公式根據(jù)沃洛寧公式推導(dǎo)得到，即：

Ls=0.1×G×b/(Ca×A)

=0.1×118.5×40/(0.003×36.4)

=4 340.66(m)

尾調(diào)通氣洞長度為523.7 m，小于排煙安全距離，故通風(fēng)長度L0取523.7 m。

b.通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比Pq的計算。

尾調(diào)通氣洞用于連通進廠交通洞及尾水調(diào)壓室，開挖及支護施工時，供風(fēng)風(fēng)機架設(shè)在進場交通洞外，通風(fēng)風(fēng)管經(jīng)進廠交通洞轉(zhuǎn)入尾調(diào)通氣洞，風(fēng)管的長度應(yīng)為尾調(diào)通氣洞與相應(yīng)進廠交通洞段及洞外安全距離的總和，計算通風(fēng)管漏風(fēng)量時應(yīng)予以考慮，以便于計算通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比。

Pq= 1/(1-L/100×P100)

=1/(1-1 059.73/100×2% )=1.27

式中Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比；P100為百米通風(fēng)管漏風(fēng)率，一般取2%；L為洞長或風(fēng)機控制長度，取值1 059.73 m(尾調(diào)通氣洞長523.27 m，進廠交通洞段長476.46 m，風(fēng)機離開洞口的安全距離為約10倍隧洞直徑，即60 m)。

c.排除炮煙的需風(fēng)量計算。

=2 155.69(m3/min)

按允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量：

Q3=60vA

式中Q3為最小風(fēng)速通風(fēng)量(m3/min)；v為洞室中要求的最小風(fēng)速(m/s)。

按照中東隧洞開挖指導(dǎo)準(zhǔn)則要求，隧洞中的最低風(fēng)速按0.5 m/s、隧洞最大開挖斷面積按36.4 m2進行計算，所需風(fēng)量如下：

Q3=60×v×A=60×0.5×36.4

=1 092(m3/min)

d.按稀釋和排出內(nèi)燃機廢氣計算風(fēng)量。

稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量為:

Q4=W×q2

式中Q4為稀釋內(nèi)燃設(shè)備排放廢氣隧洞內(nèi)所需要的總風(fēng)量(m3/min)；W為洞內(nèi)同時作業(yè)的內(nèi)燃設(shè)備的總額定功率(kW)；q2為內(nèi)然設(shè)備每千瓦需要的通風(fēng)量，按國際隧協(xié)規(guī)定，柴油機械按額定功率計算的最小供風(fēng)量為4 m3/(min·kW)。

根據(jù)不同工況計算洞內(nèi)機械設(shè)備的用風(fēng)量，根據(jù)施工方案，鉆孔采用兩臂鉆，清渣采用液壓反鏟挖掘機，出渣采用裝載機裝車、自卸汽車運輸，支護采用濕噴臺車、錨桿臺車施工(表4)。

表4 不同工況下洞內(nèi)施工設(shè)備表

在出渣工況下，隧洞內(nèi)同時工作的內(nèi)燃設(shè)備總額定功率最大，因此計算內(nèi)燃設(shè)備用風(fēng)量時考慮的洞內(nèi)設(shè)備組合為裝載機裝卸、自卸汽車運輸。由于棄渣運輸距離較短、裝載機裝車效率高、出渣時洞內(nèi)實際同時作業(yè)的內(nèi)燃設(shè)備應(yīng)為裝載機1臺、自卸汽車1臺，考慮裝載機全部時間在洞內(nèi)作業(yè)的設(shè)備額定總功率計算如下：

W=163+235=393(kW)

稀釋上述設(shè)備組合內(nèi)燃機廢氣所需的總風(fēng)量為：

Q4=W×q2=393×4=1 716.25 (m3/min)

e.風(fēng)機工作點風(fēng)量的計算。

Q0=Pq×Q

式中Q0為風(fēng)機工作點風(fēng)量，m3/min；Q為以各種條件計算的洞內(nèi)所需最大通風(fēng)量，m3/min；Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比。

根據(jù)以上計算，可以確定洞內(nèi)通風(fēng)所需的最大風(fēng)量為爆破排煙所需的風(fēng)量(2 155.69 m3/min)，通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比為1.27，則風(fēng)機工作點風(fēng)量的計算如下：

Q0=Pq×Q

=1.27×2 155.69=2 737.72 (m3/min)

洞室需風(fēng)量計算結(jié)果見表5，鉆孔、爆破排煙、出渣、支護等階段的最大需風(fēng)量見表6。

表5 洞室需風(fēng)量計算結(jié)果一覽表

表6 鉆孔、爆破排煙、出渣、支護等階段最大需風(fēng)量表

(4)通風(fēng)風(fēng)壓。

根據(jù)通風(fēng)量計算風(fēng)阻及通風(fēng)機的工作全風(fēng)壓，計算結(jié)果見表3～5。

①通風(fēng)風(fēng)壓計算公式。

計算通風(fēng)管通風(fēng)阻力：

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

式中h1為通風(fēng)管通風(fēng)阻力，Pa；Rf為通風(fēng)管摩擦阻力，Rf=6.5×α×L/d5；Rj為通風(fēng)管局部阻力，Rj=ζ×1/d4；d為通風(fēng)管直徑，取值1.5 m；α為通風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)(N·s2/m4)，取值為0.003 04；ζ為通風(fēng)管局部阻力系數(shù)；L為洞長或風(fēng)機控制長度，取值1 059.73 m。

a.通風(fēng)管局部阻力系數(shù)的計算。

彎道局部阻力系數(shù)按照ξ=0.008×a0.75/n0.8進行計算，式中ξ為彎道局部阻力系數(shù)；a為轉(zhuǎn)彎角度；n=R/d，R為隧洞轉(zhuǎn)彎半徑，d為通風(fēng)管直徑。

通風(fēng)管的彎道局部阻力計算結(jié)果見表7。

在隧洞施工通風(fēng)中常用的局部阻力系數(shù)取以下值。管道入口，ξ=0.6；管道出口，ξ=1。

尾調(diào)通氣洞通風(fēng)管局部阻力系數(shù)的計算：ξ=0.6+0+0.05+0.02+0.01+0.03+1=1.72。

b.計算通風(fēng)管的摩擦阻力。

Rf=6.5×α×L/d5

=6.5×0.003 04×1 059.73/1.55

=2.76(kg/m7)

c.計算通風(fēng)管的局部阻力。

表7 尾調(diào)通氣洞通風(fēng)管彎道局部阻力系數(shù)表

Rj=ζ×1/d4=1.72×1/1.54=0.34(Pa)

d.計算通風(fēng)管的通風(fēng)阻力。

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

=(2.76+0.34)×2 737.73×2 155.69/3 600

=5 075.82(Pa)

②由于通風(fēng)機的全風(fēng)壓等于總的通風(fēng)阻力，因此通風(fēng)機工作的全風(fēng)壓為：

h全=h1+h0

a.計算通風(fēng)管出口風(fēng)阻。

h0=ζ×Q2/d4

=1.72×2 155.692/1.54=437.16(Pa)

b.計算通風(fēng)機工作的全風(fēng)壓。

h全=h1+h0

=5 075.82+437.16=5 512.98(Pa)

風(fēng)機工作風(fēng)壓的計算成果見表8。

表8 風(fēng)機工作風(fēng)壓計算成果一覽表

(5)通風(fēng)機械設(shè)備的選擇。

根據(jù)最大需風(fēng)量及風(fēng)機工作全風(fēng)壓選擇適配的正壓軸流式局部通風(fēng)機及配套的柔性連續(xù)風(fēng)筒，推薦采用的通風(fēng)機械設(shè)備及配套的風(fēng)筒的型號、數(shù)量見表9。

表9 風(fēng)機及風(fēng)筒配置表

4 施工通風(fēng)的管理

目前，在進廠交通洞洞口布置了一臺正壓軸流風(fēng)機SFD-Ⅲ-NO11并配備了φ1.5 m的柔性風(fēng)筒，用于尾調(diào)通氣洞的施工通風(fēng)，并在施工過程中加強了對施工通風(fēng)的管理，采用風(fēng)速測速儀4 h監(jiān)測一次，風(fēng)筒出風(fēng)口處的風(fēng)力滿足設(shè)計要求。

根據(jù)項目實際情況，筆者認(rèn)為：在施工過程中應(yīng)加強以下幾項工作：

(1)加強環(huán)境保護意識，重視通風(fēng)工作，成立專業(yè)的通風(fēng)隊伍，負(fù)責(zé)通風(fēng)機、通風(fēng)管的安裝、維護以及通風(fēng)方式的變換，承擔(dān)通風(fēng)效果的責(zé)任。

(2)加強對有害氣體濃度、放射性物質(zhì)的監(jiān)測，根據(jù)濃度調(diào)整風(fēng)量，合理供風(fēng)。

(3)風(fēng)機應(yīng)由專業(yè)人員管理，及時了解風(fēng)機的工作壓力，以免造成風(fēng)阻過載而燒毀電機。

5 結(jié) 語

通過學(xué)習(xí)和參考隧洞施工通風(fēng)方面的專業(yè)資料，結(jié)合中東抽水蓄能K項目現(xiàn)場實際情況，筆者僅以尾調(diào)通氣洞作為計算對象，通過對隧洞開挖及支護施工過程中對隧洞環(huán)境的污染源分析，從滿足作業(yè)人員呼吸需風(fēng)量、爆破排煙需風(fēng)量、按允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量、按稀釋和排出內(nèi)燃機廢氣計算供風(fēng)量等四個角度計算了在隧洞獨頭施工中采用通風(fēng)管路將新鮮空氣送到施工作業(yè)面、排出有害氣體和粉塵、創(chuàng)造必要的施工作業(yè)環(huán)境所需的最大供風(fēng)量、風(fēng)機工作風(fēng)壓、通風(fēng)管路直徑等參數(shù)，對尾調(diào)通氣洞的施工通風(fēng)進行了分析和探討，以提高對隧洞施工通風(fēng)計算的認(rèn)識，所取得的經(jīng)驗可供類似工程參考。