滇中引水工程香爐山深埋隧洞施工長(zhǎng)距離通風(fēng)研究

朱 學(xué) 賢，倪 錦 初，張 治 軍，帖 熠，凌 旋

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)距離通風(fēng)是深埋長(zhǎng)隧洞施工中的關(guān)鍵技術(shù)之一，作為施工期通風(fēng)，保證通風(fēng)效果與經(jīng)濟(jì)性是深埋長(zhǎng)隧洞施工中一對(duì)較難解決的矛盾。

滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，已納入國(guó)務(wù)院批復(fù)的《長(zhǎng)江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告(1990年修訂)》《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃(2010～2030年)》《長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃(2012～2030年)》。該工程以解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個(gè)州(市)的35個(gè)縣(市、區(qū))，國(guó)土面積3.69萬(wàn)km2；補(bǔ)水湖泊為滇池、杞麓湖和異龍湖[1]。

滇中引水工程主要建設(shè)內(nèi)容包括水源工程和輸水工程兩個(gè)部分。香爐山隧洞是滇中引水線(xiàn)路中最長(zhǎng)的深埋隧洞，長(zhǎng)約62.60 km，共布置10條施工支洞作為施工通道，采用“TBM法+鉆爆法”的組合施工方案。隧洞海拔高程約1 994～2 035 m，各施工支洞洞口高程約1 994～2 508 m。施工斜井開(kāi)挖斷面尺寸約7.9 m×7.2 m(寬×高，下同)、施工平洞開(kāi)挖斷面尺寸約9.5 m×7.8 m。輸水隧洞為圓形斷面，開(kāi)挖直徑9.1～10.0 m。TBM段最長(zhǎng)通風(fēng)距離為23.05 km，鉆爆段最長(zhǎng)通風(fēng)距離為3.94 km，具有通風(fēng)斷面大、最大獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)，施工通風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。隧洞施工期需風(fēng)量大、風(fēng)壓高，對(duì)通風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和接頭都有很高的技術(shù)要求。

2 香爐山長(zhǎng)隧洞通風(fēng)防塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

為了保障地下施工人員的身心健康，保證安全生產(chǎn)，我國(guó)相關(guān)行業(yè)都對(duì)地下施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)做了明確的規(guī)定[2]。依據(jù)GBZ 2.1-2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學(xué)有害因素》和SL 303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》等，并結(jié)合香爐山隧洞的施工方案，確定了香爐山隧洞通風(fēng)防塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

地下洞室開(kāi)挖施工過(guò)程中，洞內(nèi)空氣中氧氣體積不應(yīng)小于20%，有害氣體和粉塵容許含量詳見(jiàn)表1。

表1 空氣中有害氣體和粉塵容許量Tab.1 Allowable values of harmful gases and dust in the air

開(kāi)挖施工時(shí)，地下洞室內(nèi)平均溫度不應(yīng)超過(guò)28 ℃，洞內(nèi)風(fēng)速可根據(jù)不同的洞內(nèi)溫度按表2進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表2 洞內(nèi)溫度與風(fēng)速的關(guān)系Tab.2 Relation between temperature and wind speed in tunnel

對(duì)采用鉆爆法施工的隧洞工作面附近的最小風(fēng)速不應(yīng)小于0.25 m/s，最大風(fēng)速應(yīng)不超過(guò)表3規(guī)定。

表3 鉆爆法洞井內(nèi)最大容許風(fēng)速Tab.3 Maximum allowable wind velocity in tunnel for drilling and and blasting method

當(dāng)采用TBM施工通風(fēng)時(shí)，工作面要求的風(fēng)量除了應(yīng)滿(mǎn)足排塵風(fēng)速要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足TBM機(jī)組設(shè)備散熱、冷卻、人員舒適性的要求，按最低風(fēng)速0.5 m/s考慮。

該工程所處位置大部分位于海拔2 000 m以上，計(jì)算出的通風(fēng)量應(yīng)乘以高程修正系數(shù)。

3 香爐山長(zhǎng)隧洞施工期通風(fēng)方案及方式

3.1 通風(fēng)原則

隧洞施工期通風(fēng)是使洞外的新鮮空氣不斷補(bǔ)充到洞內(nèi)，消除洞內(nèi)有害氣體在洞內(nèi)滯留和相互串通現(xiàn)象，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，確保施工人員的身心健康和地下洞室施工安全、高效地進(jìn)行[3-4]。隧洞施工期通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下原則：

(1) 施工通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低通風(fēng)技術(shù)難度，便于施工管理。

(2) 各工作面都必須采用獨(dú)立通風(fēng)，嚴(yán)禁任何兩個(gè)工作面之間串連通風(fēng)。

(3) 通風(fēng)系統(tǒng)布置必須滿(mǎn)足施工人員正常呼吸及沖淡機(jī)械廢氣、有害氣體及降溫等的最小通風(fēng)量，并保持洞內(nèi)空氣最小流動(dòng)速度。

(4) 各工作面應(yīng)盡量利用最近的支洞和隧洞進(jìn)出口作為通風(fēng)口，以縮短通風(fēng)距離[5]。

(5) 風(fēng)管選擇應(yīng)從通風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，通風(fēng)距離較短的工作面采用漏風(fēng)率較高、經(jīng)濟(jì)性較好的風(fēng)管，通風(fēng)距離較長(zhǎng)的工作面采用漏風(fēng)率低、價(jià)格較高的風(fēng)管。

(6) 為降低設(shè)備采購(gòu)量和便于管理，風(fēng)機(jī)型號(hào)不宜過(guò)多、過(guò)雜[6]。

3.2 通風(fēng)方式

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，香爐山隧洞采用風(fēng)管式通風(fēng)方案。通風(fēng)方式有壓入式、吸出式和混合式3種[7-8]。

(1) 壓入式通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)：有效射程大，沖淡和排除炮煙的作用比較強(qiáng)；可以用柔性風(fēng)管。缺點(diǎn)：長(zhǎng)距離排出炮煙需要的風(fēng)量大，通風(fēng)排煙時(shí)間較長(zhǎng)，回風(fēng)流污染整條隧道。

(2) 吸出式通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)：在有效吸程內(nèi)排煙效果好，排除炮煙所需的風(fēng)量小，回風(fēng)流不污染隧道。缺點(diǎn)：吸出式通風(fēng)的有效吸程很短，風(fēng)管口離工作面很近，易受爆破飛石損壞；如風(fēng)機(jī)布置洞外，只能采用硬風(fēng)管；如布置洞內(nèi)，需隨掌子面的開(kāi)挖頻繁移動(dòng)，噪聲大。

(3) 混合式通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合了壓入式和吸出式的優(yōu)點(diǎn)，通風(fēng)能力強(qiáng)；吸出風(fēng)機(jī)的送風(fēng)長(zhǎng)度相對(duì)較短，需要的風(fēng)量也較小[9-10]。缺點(diǎn)：作為吸出式的風(fēng)機(jī)布置在洞內(nèi)，需隨掌子面的開(kāi)挖頻繁移動(dòng)；需要兩套以上的設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。

香爐山隧洞要求采用邊開(kāi)挖邊襯砌的施工方法，隧洞內(nèi)除了自卸車(chē)、進(jìn)料礦車(chē)、鋼模臺(tái)車(chē)通行外，還要布置風(fēng)、水、電管道和人行道，如采用吸出式或混合式的通風(fēng)方式，在洞內(nèi)布置風(fēng)機(jī)較困難，需要頻繁移動(dòng)風(fēng)機(jī)、拆接風(fēng)管，會(huì)延長(zhǎng)施工時(shí)間，降低施工效率，不利于施工總工期控制。

綜合比較，采用洞外布置風(fēng)機(jī)與壓入式通風(fēng)方式的方案。

3.3 通風(fēng)方案

根據(jù)香爐山隧洞施工支洞布置特點(diǎn)，按照獨(dú)頭工作面通風(fēng)距離最短的原則進(jìn)行施工期通風(fēng)方案設(shè)計(jì)[11-12]。

對(duì)于鉆爆段，每個(gè)工作面只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的施工通道(主洞進(jìn)出口或?qū)?yīng)的施工支洞)，其施工通道作為通風(fēng)通道。

對(duì)于TBMa段(上游向下游掘進(jìn)的TBM)，在施工TBMa-1時(shí)，選擇最近的3-1號(hào)施工支洞作為通風(fēng)通道；在施工TBMa-2時(shí)，選擇最近的5號(hào)施工支洞作為通風(fēng)通道。對(duì)于TBMb段(下游向上游掘進(jìn)的TBM)選擇7號(hào)施工支洞作為通風(fēng)通道。香爐山長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)方案示意見(jiàn)圖1。1號(hào)和2號(hào)施工支洞作為勘察試驗(yàn)性工程先行實(shí)施。

圖1 香爐山長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)方案示意(尺寸單位：km)Fig.1 Schematic diagram of construction ventilation scheme for Xianglushan tunnel

3.4 通風(fēng)計(jì)算

根據(jù)香爐山隧洞施工程序、方法、施工設(shè)備配置及確定通風(fēng)方式，計(jì)算出滿(mǎn)足施工人員正常呼吸及沖淡、排出地下有害氣體等的通風(fēng)量?？紤]通風(fēng)散煙的時(shí)間、一次起爆藥量、隧洞斷面的最小風(fēng)速要求、施工人員與機(jī)械廢氣稀釋的要求等因素，計(jì)算施工人員所需風(fēng)量、壓入式通風(fēng)散煙、爆破散煙所需風(fēng)量，按最大通風(fēng)量選擇通風(fēng)設(shè)施[13-14]。

該工程所處位置大部分位于海拔2 000 m以上，通風(fēng)量需考慮高程修正系數(shù)，取1.4。

3.4.1施工人員所需風(fēng)量

施工人員所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算，每人每分鐘供給3 m3的新鮮空氣。洞內(nèi)使用柴油機(jī)械時(shí)，按每千瓦每分鐘消耗4.1 m3風(fēng)量計(jì)算，并與工作人員所需風(fēng)量疊加。計(jì)算公式如下：

Qp=vpmK

式中：Qp為施工人員所需風(fēng)量，m3/min；vp為洞井內(nèi)每人所需新鮮空氣量，水利工程按3 m3/min計(jì)；m為洞井內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)；K為風(fēng)量備用系數(shù)，取用1.10～1.15。

通過(guò)計(jì)算，各個(gè)工作面施工人員需風(fēng)量約110 m3/min。

3.4.2使用柴油機(jī)械時(shí)通風(fēng)量

施工柴油機(jī)械時(shí)通風(fēng)量計(jì)算公式如下[15]：

Vg=υ0P

式中：Vg為使用柴油機(jī)械時(shí)的通風(fēng)量，m3/min；υ0為單位功率需風(fēng)量指標(biāo)，取4.1 m3/(KW·min)；P為洞內(nèi)同時(shí)工作的柴油機(jī)械的總額定功率，kW。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，自卸車(chē)、裝載機(jī)等柴油機(jī)械采用凈化器、微粒過(guò)濾器尾氣處理后，可降低其有害氣體的排放量。

通過(guò)計(jì)算，各個(gè)工作面使用柴油機(jī)械的需風(fēng)量約1 850～2 120 m3/min。

3.4.3鉆爆施工洞段爆破散煙所需要風(fēng)量

根據(jù)之前分析，該工程采用壓入式通風(fēng)方式，通風(fēng)計(jì)算公式：

式中:Vy為壓入式通風(fēng)計(jì)風(fēng)量，m3/min；t為爆破后的通風(fēng)時(shí)間，min；Q為同時(shí)爆破的最大藥量，kg；S為隧洞的斷面面積，m2；L為隧洞長(zhǎng)度，m。

從開(kāi)挖面至稀釋炮煙到安全濃度的距離L′可按式L′=400 m計(jì)算，當(dāng)L

通過(guò)計(jì)算，各個(gè)工作面爆破散煙需風(fēng)量約2 090～2 232 m3/min。

3.4.4TBM施工洞段需風(fēng)量計(jì)算

TBM施工段需風(fēng)量主要受風(fēng)速控制，其計(jì)算公式為

Qd=60vminSmax

式中：Qd為保證洞內(nèi)最小風(fēng)速所需風(fēng)量，m3/min；vmin為洞內(nèi)容許最小風(fēng)速，TBM法取0.50 m/s；Smax為隧洞最大斷面面積，m2。

通過(guò)計(jì)算，TBM施工段需風(fēng)量約1 809 m3/min。

3.4.5需風(fēng)量確定

根據(jù)以上各工況的通風(fēng)量計(jì)算，香爐山長(zhǎng)隧洞鉆爆施工段各工況各通風(fēng)口需風(fēng)量見(jiàn)表4。

表4 香爐山長(zhǎng)隧洞鉆爆施工段各工況各通風(fēng)口需風(fēng)量Tab.4 Air demand of each vent under various working conditions in drilling and blasting section of Xianglushan tunnel

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按滿(mǎn)足不同需風(fēng)工況要求計(jì)算出來(lái)的需風(fēng)量相差較大，通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)能力應(yīng)能滿(mǎn)足工作面對(duì)風(fēng)量的最大要求，即鉆爆施工洞段受爆破通風(fēng)散煙工況控制，TBM施工洞段按風(fēng)速控制。

3.5 不同掌子面供風(fēng)量計(jì)算及通風(fēng)設(shè)備選擇

根據(jù)各施工方法、最大需風(fēng)量以及通風(fēng)長(zhǎng)度，選用相應(yīng)的通風(fēng)管進(jìn)行計(jì)算，其中通風(fēng)距離超過(guò)3.00 km以上時(shí)采用漏風(fēng)率較小的通風(fēng)管，小于3.00 km的采用經(jīng)濟(jì)性較好的普通通風(fēng)管。香爐山長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)計(jì)算及設(shè)備選擇見(jiàn)表5。

表5 香爐山長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)計(jì)算及設(shè)備選擇Tab.5 Ventilation calculation and equipment selection for Xianglushan tunnel

4 施工期通風(fēng)三維仿真計(jì)算與分析

采用Ventsim三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)對(duì)香爐山長(zhǎng)隧洞施工期通風(fēng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算。該軟件可以在三維環(huán)境中進(jìn)行輸水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)過(guò)程模擬和可視化通風(fēng)管理，通過(guò)設(shè)置顏色圖例，對(duì)風(fēng)流、壓力、通風(fēng)成本和其他主要通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行建模，顯示結(jié)果非常直觀，可以對(duì)溫度、有害氣體擴(kuò)散進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，可對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，在保證安全通風(fēng)要求的前提下，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)約通風(fēng)成本。

Ventsim采用最常用的Hardy-ross法進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)解算(回路法)，根據(jù)模型屬性數(shù)據(jù)、風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律、風(fēng)阻定律來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)擬合修正，使各分支風(fēng)量達(dá)到預(yù)定的精度時(shí)結(jié)束計(jì)算。

4.1 典型隧洞段通風(fēng)仿真模型及參數(shù)

選擇香爐山隧洞2號(hào)施工支洞上、下游鉆爆段和香爐山隧洞7號(hào)施工支洞上游TBM段作仿真模型分析。兩典型隧洞段通風(fēng)仿真三維模型分別見(jiàn)圖2～3。

圖2 香爐山隧洞2號(hào)施工支洞通風(fēng)仿真模型Fig.2 Ventilation simulation model of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

圖3 香爐山隧洞7號(hào)施工支洞通風(fēng)仿真模型Fig.3 Ventilation simulation model of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

4.2 隧洞通風(fēng)仿真參數(shù)

根據(jù)前述供風(fēng)計(jì)算，典型隧洞段施工通風(fēng)風(fēng)管、風(fēng)量與風(fēng)速等有關(guān)參數(shù)如表6所示。

表6 典型隧洞段通風(fēng)風(fēng)管、風(fēng)量與風(fēng)速有關(guān)參數(shù)Tab.6 Parameters of ventilation duct，air volume and wind speed in typical tunnel section

鉆爆法和TBM法施工隧洞在進(jìn)行施工通風(fēng)時(shí)隧洞進(jìn)行了錨噴、鋼拱架等初期支護(hù)，采用初期支護(hù)隧洞作為通風(fēng)回路形成壁面風(fēng)阻，摩擦系數(shù)取0.012 kg/m3。

4.3 隧洞通風(fēng)仿真分析

通過(guò)Ventsim仿真計(jì)算，香爐山隧洞2號(hào)施工支洞上、下游控制段風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速為9.6 m/s，隧洞內(nèi)風(fēng)速為0.6 m/s；7號(hào)施工支洞上游控制段風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速為10.3 m/s，隧洞內(nèi)風(fēng)速為1.2 m/s，均達(dá)到了設(shè)計(jì)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。

鉆爆法施工通風(fēng)污染物組成主要包括有害氣體和粉塵等，其中有害氣體主要包括一氧化碳、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫[4，8]等。根據(jù)隧洞施工爆破相關(guān)規(guī)范，上述有害氣體統(tǒng)一折合為一氧化碳進(jìn)行計(jì)算[16-17]，即隧洞鉆爆法施工每千克炸藥爆破產(chǎn)生有害氣體折合一氧化碳量約40 L。粉塵主要為巖石開(kāi)挖爆破產(chǎn)生二氧化硅粉塵，每千克炸藥爆破產(chǎn)生粉塵量約54.2 mg，其中80%以上為粒徑小于10 μm的呼吸性粉塵。按以上原則，可估算香爐山隧洞2號(hào)施工支洞控制段每循環(huán)產(chǎn)生一氧化碳約5 520 L，粉塵量7.7 mg/m3；7號(hào)施工支洞上游控制段污染物主要以粉塵為主，粉塵量0.5 mg/m3。

經(jīng)計(jì)算，香爐山隧洞2號(hào)施工支洞控制段上、下游污染物稀釋最長(zhǎng)時(shí)間分別為25 min和23 min；7號(hào)施工支洞控制段上游污染物稀釋最長(zhǎng)時(shí)間為20 min。典型隧洞段施工通風(fēng)仿真結(jié)果見(jiàn)表7，通風(fēng)仿真計(jì)算視圖分別見(jiàn)圖4～5。

表7 典型隧洞段施工通風(fēng)仿真結(jié)果Tab.7 Ventilation simulation results for typical tunnel section

圖4 香爐山隧洞2號(hào)施工支洞通風(fēng)仿真計(jì)算視圖Fig.4 Ventilation simulation result of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

圖5 香爐山隧洞7號(hào)施工支洞通風(fēng)仿真計(jì)算視圖Fig.5 Ventilation simulation result of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

仿真分析是對(duì)典型控制段最大獨(dú)頭掘進(jìn)距離最不利情況進(jìn)行分析，通過(guò)最不利情況分析可知典型控制段通風(fēng)方案能滿(mǎn)足經(jīng)常性通風(fēng)和強(qiáng)制性通風(fēng)的需要，通風(fēng)量及風(fēng)速滿(mǎn)足工作面施工要求，通風(fēng)效果良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

通風(fēng)散煙是香爐山長(zhǎng)隧洞施工安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是施工難點(diǎn)。根據(jù)香爐山長(zhǎng)隧洞施工方案，計(jì)算分析確定了各施工期環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)和各工作面的需風(fēng)量。基于對(duì)國(guó)內(nèi)已建和在建地下工程施工通風(fēng)方案的調(diào)研和綜合分析，規(guī)劃了施工通風(fēng)總體方案，確定了風(fēng)機(jī)型號(hào)和功率、風(fēng)管直徑等。在此基礎(chǔ)上，采用通風(fēng)仿真軟件對(duì)不同方案的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明該工程設(shè)計(jì)的隧洞長(zhǎng)距離通風(fēng)方案是可行和可靠的，能滿(mǎn)足經(jīng)常性通風(fēng)和強(qiáng)制性通風(fēng)的需要。