高地溫隧道斜井施工正洞及迂回導坑通風降溫系統(tǒng)研究及優(yōu)化

鐘 亞 王永偉 周 洋 林 佳

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

西雙版納隧道位于野象谷站～西雙版納站區(qū)間，在本標段起點里程是DK352+198，本標段內施工長度6532m，本隧均為雙線隧道，左右線線間距為4.2～5.083m。隧道線路縱坡：隧道進口段為150m‰的平坡，其后依次為12‰（606m長）、17‰（8794m 長）、9‰（1000m 長）下坡，出口段為130m0‰的平坡，隧道洞身最大埋深620m。線路平面：除洞身DK348+050～DK348+970.404 段920.404m位于R-7000m 的右偏曲線上和DK357+877.963～DK358+730 段852.037m 位于R-5000m 的左偏曲線上外，其余均位于直線上。

2 儲風室

西雙版納隧道2#斜井正洞為單洞雙線隧道、開挖斷面積較大、混合式送風距離較遠、斜井坡度較大、采用無軌運輸、除爆破炮煙外內燃機械作業(yè)和出碴機械作業(yè)產生大量煙塵。以上諸多因素要求施工通風提供的風量較大、克服的通風阻力也較大。

正洞內新增迂回導坑后，需要對原先通風系統(tǒng)進行改造，以滿足正洞工作面及新增作業(yè)面供風需求。受施工條件限制只有2#斜井單個供風口，斜井段長1064m，小里程方向施工長度2552m，供風路徑長，通風效果會明顯變差。為保后期掌子面通風效果，前期采用壓入接力通風方式，主要思路為：在斜井小里程方向DK354+146 處修建儲風室，儲風室尺寸為30m×4.5m×4.5m，風室內部采用I18型鋼做橫向、豎向支撐，I16 型鋼做斜支撐，外部采用6mm 厚鋼板密封焊接，風室進口端連接斜井洞口風機通風袋，出口端根據(jù)各掌子面計算需求風量安置4 臺2×132kw 軸流風機，風室底部盛40cm 高水量，為了更好地解決各工作面高溫情況，采取兩種降低風室內空氣溫度措施，一是每日運送工業(yè)冰塊放入儲風室底部水中；二是在儲風室進口端安設兩臺40 匹空調，這兩種措施對風室內空氣進行降溫，然后輸送至各工作面，確保輸送至各工作面的空氣溫度低于洞內原有空氣溫度。

斜井洞口采用Ф1.8m 軟式風管壓入式通風，將新鮮冷空氣沿風帶輸送至儲風室內，風室出口端風機再次將新鮮空氣分別輸送至各施工作業(yè)面?，F(xiàn)場施工時，可根據(jù)具體情況在適當位置配置射流風機，輔助通風、換氣。

3 通風系統(tǒng)比選

西雙版納隧道2#斜井輔助坑道長1076m，輔助坑道與正洞交點里程為DK354+750，儲風室位置為DK354+146，小里程現(xiàn)正洞掌子面計劃施工975m，迂回導坑計劃施工長度為1655m，小里程剩余工程量為1723m，迂回導坑增加各掌子面施工正洞總長度為748m。

3.1 通風系統(tǒng)一

3.1.1 風量計算

（1）小里程方向（洞口至儲風室）風量計算：Q=VA×60=0.2×92.095×60（Q為工作面風量，m3/min；V 為最小風速，m/s；A 為隧道最大開挖面積，為92.095m2）。取以上計算方法計算單個工作面所需風量Q=92.095×0.2×60=1105.14m3/min。

在長管通風系統(tǒng)中，當確定風管（或掌心）末端的風量時，風扇的風量取決于系統(tǒng)的泄漏。百米風率在正常情況下控制在2%以內。此段最長通風距離為1680m，據(jù)此計算系統(tǒng)漏風系數(shù)P 為1.506。

因此，隧道通風要求風機的供風量不少于：Q需=PQ=1.506 ×1105.14=1664.34m3/min，即Q總需=3×Q需=4993.02m3/min。

系統(tǒng)風壓計算：理論上在克服通風阻力后，通風系統(tǒng)在風管末端具有一定的動壓力。壓力、動壓和靜壓之和就是系統(tǒng)所需的風壓：H=Hd+Hs（H 為系統(tǒng)風壓，Pa；Hd為系統(tǒng)動壓，Pa；Hs為系統(tǒng)靜壓，Pa）。動壓按下式計算：

式中，ρ-空氣密度，取1.29kg/m3；V末-末端管口風管風速，取5.0m/s。

靜壓按下式計算：Hs=h+hf（h 為摩擦阻力，Pa；hf為局部阻力，hf=0.1h，Pa），其中：

式中，λ-管道摩阻系數(shù)；L-通風距離，m；D-通風管直徑，m；V平-管內平均流速，m/s。

分別取λ=0.016；L=1680m；D=1.8m；V平=9.14m/s。經(jīng)計算得：Hd=16.125Pa、h=804.65Pa、hf=80.47Pa、Hs=885.12Pa、H=901.25Pa。

（2）同上計算可得出：儲風室至小里程掌子面Q1=1812.43m3/min；儲風室至最遠平導開正洞掌子面長度為1655+748=2403m，Q2=2127.72m3/min，本迂回導坑設計增加三個掌子面，按照最大風量計算，Q平總=3Q2=3×2127.72=6383.16m3/min。即出風口風量需求為Q出總=Q1+Q平總=8195.59m3/min。

3.1.2 各掌子面風機選型

由以上計算斜井洞口至儲風室段可選擇的通風機的最低技術參數(shù)為：Q進總=4993.02m3/min，H=901.25Pa?？紤]隧道長度及系統(tǒng)風壓，可選用1 臺侯馬鑫豐康型號為SDF（p2）-No18、轉速990r/min、Q=2162～5100m3/min、H 風=950～5100Pa、功率為2×200kw 的風機通風，此風機提供最小風量Q進min=2162m3/min。

為了各掌子面通風得到最大保障，儲風室出口端配備4 臺2×132kw 軸流風機，每臺風機風量Q=1695～3330m3/min，按照最小風量計算，4 臺風機風量為Q1-4=6780m3/min，因Q提供min=Q1-4+Q進min=6780+2162=8942m3/min＞Q出總=Q1+Q平總=8195.59m3/min。故通風系統(tǒng)中配備1 臺2×200kw、4 臺2×132kw 軸流風機滿足各掌子面供風要求。

3.2 通風方案二

3.2.1 風量計算

方案二設計從儲風室引進一條通風道，經(jīng)過橫通道2#、3#、4#分別開口接入各橫通道風機，其中按2#橫通道占總風量的1/2，3#、4#橫通道各占1/4 來計算。

（1）小里程方向（洞口至儲風室）風量、儲風室至原正洞掌子面的風量在方案一中已計算，方案二中不在計算。

（2）為了保證新增掌子面通風充分得到保障，新增各掌子面按照最后一個掌子面最大風量計算。儲風室至最后一個掌子面風量計算：其中長度L=1723m。

Q=VA×60=0.2×92.095×60（Q 為工作面風量，m3/min；V 為最小風速，m/s；A 為隧道最大開挖面積，為92.095m2）。取以上計算方法計算單個工作面所需風量Q=1105.14m3/min。

在長管通風系統(tǒng)中，當確定風管（或掌心）末端的風量時，風機的風量取決于系統(tǒng)的泄漏系數(shù)。正常情況下100m 風速控制在2%以內。此段最長通風距離為1723m，據(jù)此計算系統(tǒng)漏風系數(shù)P=1.53。

因此，儲風室至最后一個掌子面軸流風機供風量需：Q拱min=PQ=1690.86m3/min。

系統(tǒng)風壓計算：理論上在克服通風阻力后，通風系統(tǒng)在風管末端具有一定的動壓力?？朔淖枇θQ于系統(tǒng)的靜壓力，動壓與靜壓之和即為系統(tǒng)需供風壓：Hs=h+hf。動壓按下式計算：

靜壓按下式計算：Hs=h+hf，其中：

分別取λ=0.016；L=1145m；D=1.8m；V 平=9.14m/s。經(jīng)計算得：Hd=16.125Pa、h=825.25Pa、hf=82.53Pa、Hs=907.78Pa、H=923.91Pa、Q需min=1690.86m3/min。

方案二設計中，2#、3#、4#橫通道各安置一臺軸流風機，從風室引入的通風帶主要目的是降低溫度，其中Q2#-風室=1690.86×1/2=845.43m3/min，Q3#-風室=Q4#-風室=422.7m3/min，每個橫通道新開掌子面的需風量按照最后一個掌子面供給，即各掌子面實際供風：Q2#實=1690.86+845.43=2536.29＞Q需min=1690.86m3/min，Q3#實=Q4#實=422.7+1690.86=2113.56＞Q需min=1690.86m3/min。

3.2.2 各掌子面風機選型

由以上計算可知選擇的通風機的最低技術參數(shù)為：Q2#實=2536.29m3/min，Q3#=Q4#=422.7+1690.86=2113.56m3/min，H=923.91Pa?？紤]隧道長度及系統(tǒng)風壓，可選用1 臺侯馬鑫豐康型號為SDF（p2）-No10、轉速1480r/min、Q=1695～3330m3/min、H 風=1276～7172Pa、功率為2×132kW 的風機通風。

通過方案一、方案二橫通道風機安設位置不同，計算新增各工作面需求風量不同，方案二中比方案一種計算需求風量?。海?）風機型號不變，最大供風量不變，計算需求風量越小，供風距離就會越長，更適合特長隧道施工供風；（2）由于方案一種在儲風室進口端安置三臺軸流風機，每臺風機安裝1.5m 軟風管通往各新增掌子面，由于迂回導坑凈空較小，同時引入三個風袋會對后續(xù)運碴作業(yè)造成阻礙影響，縱上相比方案二更適合現(xiàn)場施工。

4 通風系統(tǒng)優(yōu)化后溫度及進度

以12月份為界，分別統(tǒng)計通風系統(tǒng)優(yōu)化后關鍵線路掌子面溫度計進度，統(tǒng)計結果表明：通風系統(tǒng)比選優(yōu)化后各工作面的溫度明顯降低，相應工效大幅度提升，其中2#斜井小里程通風系統(tǒng)更換優(yōu)化后月均進度提升57%，迂回導坑月均進度提升72%。因此在高地溫長隧道內施工，良好的通風系統(tǒng)顯的尤為重要。

5 結束語

以上給出了單洞雙線隧道正洞、斜井及迂回導坑通風降溫方案，對原通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化，為下一步更深入研究做了鋪墊。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路特長隧道逐步增多，對通風技術上的要求將會越來越高。單種通風模式已不能滿足現(xiàn)場高效施工要求，如何優(yōu)化出更合理、更經(jīng)濟的方案等還需要繼續(xù)深入廣泛研究。