大直徑長距離盾構(gòu)隧道施工通風(fēng)方案探討

謝 智，劉 露

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司,福建廈門 361000；2.中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，四川成都 610200)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，深埋長距離大直徑盾構(gòu)掘進往往成為最經(jīng)濟、安全的施工工藝。由于獨頭盾構(gòu)掘進受到地溫影響，且盾構(gòu)法施工設(shè)備多、散熱大，因此，施工需要的風(fēng)量大。辛德林等[1]以新街一井緩坡斜井盾構(gòu)法施工為工程背景，研究得出了長距離緩坡斜井盾構(gòu)法施工不同風(fēng)筒長度的風(fēng)量及負(fù)壓變化規(guī)律，滿足煤炭行業(yè)對掘進工作面瓦斯、有毒有害氣體、設(shè)備散熱及排氣、人員需風(fēng)量、適宜風(fēng)速等多方面的要求。王海濱[2]用盾構(gòu)隧道段壓入式雙風(fēng)機雙風(fēng)筒送風(fēng)，取得了良好通風(fēng)效果，大幅度提高了隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)工作能力，將隧道內(nèi)有害氣體濃度降低至規(guī)范要求以下。劉春等[3]為優(yōu)化超大斷面瓦斯隧道掌子面的風(fēng)筒布置，改善掌子面通風(fēng)狀況。利用FLUENT軟件建立流體力學(xué)分析模型，研究了壓入式通風(fēng)下超大斷面隧道瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速的變化規(guī)律以及風(fēng)筒位置對隧道沿程風(fēng)流流場及瓦斯?jié)舛鹊挠绊懬闆r，最終確定了風(fēng)筒最佳的安裝位置。任銳等[4]通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬手段相結(jié)合的方法，對拱形截面風(fēng)道90°彎折處，在設(shè)置不同彎曲半徑與導(dǎo)流板數(shù)目條件下的風(fēng)速場分布規(guī)律以及局部阻力系數(shù)進行分析，以提出合適的彎折處減阻方案。張雄[5]為研究該長大區(qū)間中間風(fēng)井最佳通風(fēng)方案，采用SES軟件建立全線數(shù)值計算模型，分析對比不同中間風(fēng)井活塞通風(fēng)模式下，該區(qū)間隧道的新風(fēng)量、溫度、初投資和牽引能耗費用等，得到中間風(fēng)井最佳通風(fēng)方案。

目前，我國在富水砂層單線長距離大直徑隧道施工通風(fēng)方面經(jīng)驗不足。本文將從通風(fēng)方式、通風(fēng)量計算、風(fēng)壓計算等方面對隧道掘進和內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工的長距離大直徑盾構(gòu)通風(fēng)進行探討。

1 工程概況

福州濱?？炀€濱海新城站—中間風(fēng)井區(qū)間采用泥水盾構(gòu)進行施工，單線盾構(gòu)總長4 000 m，內(nèi)直徑8.6 m，開挖面積58 m2。線路縱斷面為W型坡，最大縱坡25 ‰。通過研究，通風(fēng)方式采用基于沖淡通風(fēng)理論的長單風(fēng)筒獨頭機械壓入式通風(fēng)。根據(jù)測試結(jié)果及GB 50307-2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》條文說明，CH4的含量為0.10 %～0.95 %小于1.5 %；O2含量20.13 %～20.90 %>18.0 %，施工過程切割微量有機質(zhì)的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土產(chǎn)生的有害氣體量在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，不排除測量鉆孔處存在產(chǎn)生有害氣體量超過規(guī)范允許值現(xiàn)象。

2 風(fēng)量計算

2.1 作業(yè)人員呼吸需風(fēng)量

隧道施工中作業(yè)人員需風(fēng)量的計算公式為(表1)[6]：

表1 盾構(gòu)施工不同風(fēng)筒長度風(fēng)機供風(fēng)量

Q=qmk

(1)

式中：q為單人呼吸所需風(fēng)量，在GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》要求q≥3 m3/(min·人)，本工程取q=4 m3/(min·人)；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取k=1.15；m為隧道內(nèi)最大作業(yè)人數(shù)，本工程取25人。

2.2 按稀釋有害氣體濃度計算風(fēng)量

有害氣體需風(fēng)量是通過單位面積圍巖中泄露的瓦斯量進行計算，計算公式如下：

(2)

式中：qCH4表示工作面瓦斯涌出量(m3/min)；Ca表示工作面允許的瓦斯?jié)舛龋?.75 %；C0表示送人風(fēng)流中瓦斯的濃度，0；K表示瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，K=1.5。本工程中，采用泥水平衡盾構(gòu)機掘進，管片與盾構(gòu)形成密封系統(tǒng)，只有泥漿管道的瓦斯可能存在持續(xù)泄露。假定每1 h泄露的瓦斯體積為管路過流氣體體積的1 %，另外壓力由0.9 MPa減小至0.1 MPa，且溫度不變，由理想氣體狀態(tài)方程可知，其體積擴大9倍。

2.3 最低允許風(fēng)速需風(fēng)量

隧道內(nèi)最低允許風(fēng)速需風(fēng)量的計算公式[6]：

Q=60νA

(3)

式中：A為過風(fēng)斷面的斷面積(m2)；ν為過風(fēng)斷面內(nèi)最低風(fēng)速，GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》規(guī)定：隧道內(nèi)防止瓦斯積聚的最小風(fēng)速不得小于0.25 m/s。本工程取0.25 m/s。

由式(1)～式(3)最大值Qmax=870.88m3/min

2.4 漏風(fēng)計算

隧道漏風(fēng)計算一般采用青函隧道公式，公式如下：

(4)

(5)

式中：PL為風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)；P100表示風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率，0.5 %；L為管路長度m.Qf表示風(fēng)機供風(fēng)量(m3/min);Q表示管路末端風(fēng)量(m3/min)，取870.88 m3/min。

3 風(fēng)壓計算

通風(fēng)阻力是選擇風(fēng)機的主要依據(jù)，包括摩擦阻力和局部阻力。

3.1 摩擦阻力

管路的摩擦阻力是風(fēng)流與通風(fēng)管周壁摩擦以及分子間的擾動和摩擦而產(chǎn)生的能量消耗。當(dāng)通風(fēng)管漏風(fēng)時，摩擦阻力計算公式如下(表2)[7]：

表2 盾構(gòu)施工不同風(fēng)筒長度摩擦阻力

(1-P100Li/100)-1Qf2=RfQf2

(6)

式中：λ是管路摩擦系數(shù),以直徑1.5 m的PVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管為例取0.015；L表示風(fēng)管長度(m);d表示風(fēng)管當(dāng)量直徑(m)；ρ表示空氣密度(1.2 kg/m3)；P100表示風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率；Qf表示風(fēng)機供風(fēng)量(m3/s)。Rf表示摩擦風(fēng)阻(kg/m7)。

3.2 局部壓力

風(fēng)流流經(jīng)突然擴大或縮小、轉(zhuǎn)彎交叉等的管路時，會產(chǎn)生能量消耗，其計算公式如下(圖1)[7]：

圖1 d=1.5 m風(fēng)管在不同長度下的風(fēng)阻特性曲線

(6)

式中:hx表示管路的局部阻力Pa；ξ是局部阻力系數(shù)；ρ表示空氣密度(kg/m3)；Q表示流經(jīng)管路處的風(fēng)量(m3/s)；A表示管路斷面面積(m2)。在隧道入口處，豎直的風(fēng)管經(jīng)90°彎管連接水平風(fēng)管，風(fēng)流在流經(jīng)此處時會發(fā)生能量消耗，因此要計算彎管處和風(fēng)管出入口處的局部阻力，綜合取ξ=1.5。

4 結(jié)論

綜上計算分析所得；當(dāng)通風(fēng)距離一定時，風(fēng)管阻力隨風(fēng)速增大而增大；當(dāng)風(fēng)速一定時，風(fēng)管阻力隨通風(fēng)距離增大而增大。通過計算得知，當(dāng)通風(fēng)距離為4 000 m時，風(fēng)壓為6 584 Pa，可滿足隧道施工安全。通過本文的研究，為盾構(gòu)掘進和內(nèi)部同步施工的情況下隧道通風(fēng)提供了計算參考。