水工隧洞鉆爆施工中通風(fēng)散煙問題及解決措施

顏朝偉

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

1 案例基本工程概況

祿勸縣大河邊水庫工程最大壩高約52.0m，總庫容784.61 萬m3，正常庫容667.47萬m3，興利庫容630.13 萬m3；依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)和《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)的相關(guān)規(guī)定，本工程的等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小⑴型，主要水工建筑物級別為4 級，次要水工建筑物級別為5級。輸水線路總長為44.63km(其中干線長38.28km，阿巧支線6.35km)，主要建筑物由蓋板渠、渡槽、倒虹吸、輸水隧洞和無壓管渠組成，其中蓋板渠段長16.58km，倒虹吸長6.54km，渡槽長89.10m，管渠長14.98km，隧洞長6.21km，跌坎消能段長231.23m。起點位于大河邊水庫輸水隧洞出口，高程2546.80m，終點位于烏東德鎮(zhèn)新村村委會，高程1981.59。渠首取水流量為0.53m3/s，經(jīng)觀音廟和羊橋箐2座水庫調(diào)節(jié)后，按0.56m3/s 流量向下游供水[1]。

1#輸水隧洞自Q13+668.0-Q16+793.65段(長度3125.65m)，隧洞長度較長，而且無施工支洞，僅進、出口兩個工作面，施工強度較高，特別是在出碴期間，出碴設(shè)備多，柴油機廢氣量大，爆破后炮煙排出較為困難，因此為保證洞內(nèi)空氣條件，在隧洞未貫通前整個施工過程中一直采用通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)，貫通后在底板清渣時也采用通風(fēng)設(shè)備進行機械通風(fēng)與自然通風(fēng)結(jié)合。出碴前和出碴過程中對開挖面爆破碴堆灑水除塵，進洞車輛均安裝尾氣凈化器，使洞內(nèi)有害氣體和粉塵含量在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2 隧洞鉆爆施工通風(fēng)散煙問題分析

隧洞鉆爆施工時會通過炸藥對其爆破，在此過程中會產(chǎn)生非常多的有害氣體(例如CO、CO2、SO2、NH3等)，大大影響隧洞內(nèi)空氣中氧氣含量。另外，隧洞鉆爆施工過程中也會形成非常多的粉塵，同時施工時所用內(nèi)燃機會產(chǎn)生非常多熱量以及廢氣，這些廢氣中存在很多可以引發(fā)病變或者致癌的物質(zhì)。上述這些有害物質(zhì)會對隧洞內(nèi)工作人員的健康造成較大影響，因此需要向隧洞內(nèi)部通入新鮮空氣，將有毒有害氣體排除出去，有效降低隧洞內(nèi)部粉塵濃度，改善內(nèi)部勞動環(huán)境，確保隧洞內(nèi)部人員身體健康。

3 隧洞內(nèi)通風(fēng)防塵的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

為了確保建筑物開挖過程中能夠保障人們的身體健康，中國頒布了《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》和與之相關(guān)的規(guī)定，從中對于隧洞內(nèi)部勞動衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)進行了闡述，主要包括如下4個方面內(nèi)容：

1)CO屬于毒性較大的氣體，對于水工隧洞來說，其內(nèi)部CO的穩(wěn)定性更高，濃度也相對SO2以及NO2更高，并且持續(xù)時間較長，具有更大的危害性。所以要控制CO的最高容許濃度≤30mg/m3，如果存在特殊情況也可以在濃度為200mg/m3的情況下進行施工，但是此種情況下工作不能超過20min；

2)SO2以及NO2具有較強的刺激性，一般控制SO2濃度≤15mg/m3，NO2濃度≤5 mg/m3。

3)粉塵屬于隧洞空氣污染的關(guān)鍵因素，對其進行控制濃度具有如下規(guī)定：具有10%以上游離SiO2的粉塵≤2 mg/m3；具有10%以下游離SiO2的粉塵≤10 mg/m3；具有10%以下游離SiO2的水泥粉塵≤6 mg/m3；

4)對于隧洞內(nèi)部溫度和風(fēng)速也有所規(guī)定：若隧洞內(nèi)部溫度在15℃以下時要控制風(fēng)速<0.5m/s；溫度在15-20℃時風(fēng)速<1m/s；溫度在20-22℃情況下風(fēng)速>1m/s；溫度在22-24℃情況下風(fēng)速>1.5m/s；溫度在24-28℃情況下風(fēng)速>2m/s.

4 隧洞通風(fēng)散煙相應(yīng)計算以及設(shè)備選型

4.1 通風(fēng)散煙方式的確定

一般情況下，水工隧洞通風(fēng)散煙的方式主要分為“自然通風(fēng)”、“機械通風(fēng)”兩種方式，其中自然通風(fēng)的整體成本相對較低，但是并不適用于隧洞貫通之前的情況，很難確保通風(fēng)效果。而大河邊輸水工程1#隧洞通風(fēng)最主要的是要解決隧洞掘進過程中的通風(fēng)散煙，所以不管是在貫通前還是在貫通后都要利用設(shè)備將新鮮空氣和洞內(nèi)有害氣體分割，利用通風(fēng)機送風(fēng)排風(fēng)的方式形成通風(fēng)回路，就是所謂的機械通風(fēng)。其主要分為“壓入式”、“吸出式”以及“混合式”等[2]。

4.2 通風(fēng)量計算以及設(shè)備選型

4.2.1 通風(fēng)量的計算

水工隧洞通風(fēng)主要是利用外部空氣將施工時產(chǎn)生的有害氣體稀釋或排除，從而確保洞內(nèi)空氣達到安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。不同水工隧洞的通風(fēng)散煙方法、設(shè)備類型以及通風(fēng)范式都有所差異，但都要確保風(fēng)量能夠滿足通風(fēng)散煙的需要。在實際應(yīng)用中，要按照水工隧洞具體情況來確定出洞內(nèi)風(fēng)速、通風(fēng)量、風(fēng)機工作量以及風(fēng)壓等內(nèi)容，以此為依據(jù)選定合適的通風(fēng)模式。具體計算內(nèi)容為：

1)施工人員風(fēng)量需求計算。施工人員風(fēng)量需求的計算公式為：

Vp=vpmK

(1)

式中：vp表示隧洞內(nèi)部全部人員需要的新鮮空氣量，一般為3m3/min；m表示隧洞內(nèi)同時工作的人員數(shù)量，設(shè)定為m=6；K表示風(fēng)量的備用系數(shù)，設(shè)定為K=1.25，那么可以得到Vp為22.5m3/min。

2)通風(fēng)散煙所需風(fēng)量計算。指鉆爆之后為了沖淡有害氣體所需要的風(fēng)量，設(shè)定鉆爆后通風(fēng)時間為50min，沖淡有害氣體直到滿足標(biāo)準(zhǔn)范圍的散煙通風(fēng)量按照如下公式計算：

(2)

式中：Q為單次爆破投入炸藥量，設(shè)定為Q=48kg；S為隧洞的斷面面積，設(shè)定為S=9.56m2；t為通風(fēng)的時間，設(shè)定t=50min，那么Vh/y=9.7m3/min。

3)風(fēng)速最低情況下需求風(fēng)量。按照如下公式計算：

Vd=60vminSmax

(3)

式中：vmin為隧洞內(nèi)部最小風(fēng)速，對于小截面隧洞來說設(shè)定vmin≥0.05m/s；Smax為隧洞截面面積最大值，Smax=9.56m2，那么Vd=28.7m3/min。

4)柴油機械所需通風(fēng)量。一般情況下柴油機械設(shè)備排放的有害氣體數(shù)量會隨著機械設(shè)備類型、保養(yǎng)情況、燃油類型、載荷、能耗等情況變化較大，所以很難確定非常準(zhǔn)確的數(shù)值。一般情況下沖淡以及排除柴油機械所形成的有害氣體需風(fēng)量按照如下公式計算：

Vg=n1q1+n2q2

(4)

式中：n1為柴油機械設(shè)備數(shù)量，設(shè)定n1=1(15W)；q1為柴油機械設(shè)備單位馬力所排出的廢氣量，設(shè)定q1=0.85m3/(min﹒W)；n2為同時工作的柴油機械數(shù)量，設(shè)定n2=1(15kW/臺)；q2為單臺柴油機械單位馬力所排廢氣量，設(shè)定q2=0.85 m3/(min·W)。計算所得：Vg=25.5m3/min。

水工隧洞鉆爆通風(fēng)散煙的最終標(biāo)準(zhǔn)就是將內(nèi)部有害氣體和煙塵沖淡并排除，符合正常呼吸標(biāo)準(zhǔn)，隧洞所需通風(fēng)量V=Vp+Vg=48 m3/min。按照此種方式所計算的施工通風(fēng)量不但要滿足隧洞內(nèi)部最小風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)外，同時也要保證其不會超出隧洞內(nèi)勻速風(fēng)速最大值，因此水工隧洞鉆爆通風(fēng)散煙所需風(fēng)量可以設(shè)定為單位工作面開挖需風(fēng)量最大值，即Vmax=50m3/min[3]。

4.2.2 漏風(fēng)計算

該水工隧洞工程通風(fēng)管主要采用的是PVC增強塑料纖維布，該纖維布材料每百米的漏風(fēng)率在控制在1.5%之內(nèi)，隧洞工程的通風(fēng)距離設(shè)定為650m，那么通風(fēng)機所供應(yīng)風(fēng)量的最大值計算所得為1405.8 m3/min。因此能夠得到水工隧洞鉆爆施工范圍內(nèi)單位工作面通風(fēng)量最小值為1405.8 m3/min。

4.3 風(fēng)機的選型

從目前來看，隧洞鉆爆施工的通風(fēng)散煙時應(yīng)用最廣的就是對轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機，本隧洞鉆爆施工通風(fēng)散煙中采用2×22KW臺軸流式通風(fēng)機掛? 500mm風(fēng)帶抽風(fēng)排煙，風(fēng)帶安裝于隧洞頂部。通風(fēng)系統(tǒng)的布置示意圖，見圖1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)的布置示意圖

1)施工用風(fēng)。隧洞施工主要用風(fēng)有：隧洞開挖鉆爆用風(fēng)；施工期洞內(nèi)通風(fēng)；錨桿造孔及噴混凝土用風(fēng)。分為開挖動力用風(fēng)和隧洞排煙用風(fēng)。

2)開挖動力用風(fēng)。在1#隧洞進、出口適當(dāng)位置各設(shè)置1個固定式壓風(fēng)站，內(nèi)設(shè)至少2臺23m3/min的電動空壓機。采用100mm鋼管，對隧洞進、出口開挖鉆爆及支護進行供風(fēng)。

3)隧洞排煙用風(fēng)。在隧洞進、出口的開挖掘進過程中分別設(shè)置專用排煙風(fēng)機。隧洞進、出口適當(dāng)位置各安置一臺抽風(fēng)機，抽風(fēng)機功率2×22kw，懸掛于洞頂，由風(fēng)帶將風(fēng)逐級送出，并隨著開挖掘進的加長，大約每增加600-700m在適當(dāng)部位增加一臺通風(fēng)機。

洞內(nèi)施工布置，見圖2。

圖2 洞內(nèi)施工布置

5 通風(fēng)布置以及風(fēng)機運行

5.1 通風(fēng)布置情況

根據(jù)1#隧洞施工情況來看，將施工中通風(fēng)散煙的設(shè)置按照如下情況來進行，具體為：

在1#隧洞開挖過程中所有工作都是獨立進行的，無法形成比較好的貫通性風(fēng)流條件，所以為了有效提升通風(fēng)的效率、確保具有充足的新鮮空氣能夠進入到隧洞中，可以和后續(xù)工程通風(fēng)形成貫通性，此階段可以通過正負壓相結(jié)合的混合式通風(fēng)模式來進行[4]。

5.2 風(fēng)機的運行管理

對于強風(fēng)軸流風(fēng)機的通風(fēng)運行來說，需要在引水隧洞還沒有貫通的情況下始終保持通風(fēng)設(shè)備的開啟，以此來有效改善通風(fēng)循環(huán)以及隧洞的整體通風(fēng)情況。1#隧洞鉆孔主要采取的是濕式鑿巖設(shè)備，為了降低粉塵量采取濕噴法進行混凝土噴射，同時設(shè)置有害氣體濃度監(jiān)測設(shè)備以及報警降塵裝置。在隧洞鉆爆通風(fēng)散煙過程中將爆渣灑水浸透。在選定油料時盡可能選擇含硫量較低的柴油。另外，需要將隧洞進、出風(fēng)口設(shè)置在不同的空間，避免壓風(fēng)時所排出粉塵等重新進入到隧洞當(dāng)中，按照隧洞開挖具體需求風(fēng)量來對風(fēng)機運行功率進行必要調(diào)整，爆破完成之后的排煙出渣期間一定要確保風(fēng)機全功率開啟，其他的施工工序要按照通風(fēng)所需相應(yīng)降低風(fēng)機載荷，也可以采取間歇式通風(fēng)方式，以便在確保通風(fēng)效果的基礎(chǔ)上節(jié)能環(huán)保。

6 結(jié) 語

文章主要以祿勸縣大河邊水庫輸水線路工程1#隧洞為例探討了水工隧洞鉆爆施工通風(fēng)散煙技術(shù)問題，參照工程進度計劃來選定合適的通風(fēng)方式以及通風(fēng)方案，通過通風(fēng)量的計算為依據(jù)進行通風(fēng)設(shè)備的選擇，按照隧洞內(nèi)部粉塵的具體濃度設(shè)定通風(fēng)散煙的具體方案，保證水工隧洞施工的順利進行。通過文章的介紹能夠?qū)λに矶淬@爆施工通風(fēng)散煙提供一定參考和幫助，對于確保水工隧洞順利施工具有重要作用。