長距離小斷面隧道進(jìn)口獨(dú)頭串聯(lián)接力通風(fēng)技術(shù)

閆 肅

（1.中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018；2.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東青島 266580）

1 引言

截至2020年底，中國已投入運(yùn)營的特長鐵路隧道共209座，總長2 811 km。其中長度20 km以上特長鐵路隧道11座，累計(jì)長度262 km。規(guī)劃特長鐵路隧道338座，總長5 054 km。其中長度20 km以上的特長鐵路隧道37座，累計(jì)長度999 km［1］。隨著我國鐵路隧道工程建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷擴(kuò)大，機(jī)械化配套水平的逐步提升，隧道建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)［2］。

長大隧道工程量大、水文地質(zhì)復(fù)雜、建設(shè)工期長，施工組織難度大。隧道通風(fēng)作為長大隧道安全生產(chǎn)的基本前提以及工程進(jìn)度和質(zhì)量的重要保證，尤為重要［3］。通風(fēng)設(shè)計(jì)管理不到位，往往會(huì)成為影響施工組織設(shè)計(jì)實(shí)施的決定性因素。如何保證長距離獨(dú)頭掘進(jìn)隧道施工的通風(fēng)效果，改善隧道作業(yè)環(huán)境，是我國隧道建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題之一［4－5］。

2 隧道通風(fēng)方式

制定隧道施工通風(fēng)方案時(shí)，需要根據(jù)隧道掘進(jìn)長度、施工方法、輔助坑道的設(shè)置方法、機(jī)械設(shè)備等因素確定。通常情況下，長大隧道通過設(shè)置平導(dǎo)、斜井、豎井等輔助坑道，增加工作面，實(shí)現(xiàn)隧道長隧短打，來提高隧道施工效率，滿足工期要求［6］。而獨(dú)頭掘進(jìn)的通風(fēng)能力的大小決定是否采用多頭掘進(jìn)、多頭掘進(jìn)規(guī)模大小以及能否實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速施工重要因素之一。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備能力，使隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長度最大化，減少工作面，從而減少資金和人力的投入。隧道通風(fēng)方式分類及對(duì)比見表1。

表1 通風(fēng)方式分類及對(duì)比

3 工程概況及重難點(diǎn)分析

3.1 工程概況

浩吉鐵路崤山隧道設(shè)計(jì)采用左右兩條單線隧道，隧道全長為22.7 km，是全線第一長隧道。崤山隧道開挖斷面為47.5～73.4 m2，屬于小斷面隧道。

3.2 工程重難點(diǎn)分析

（1）采用新奧法施工，隧道開挖所有工區(qū)均采用無軌運(yùn)輸，施工總工期為46個(gè)月，其中全隧開挖貫通時(shí)間43個(gè)月，工程量巨大，工期緊張，施工任務(wù)艱巨。

（2）崤山隧道原設(shè)計(jì)采用5座斜井作為隧道開挖的輔助坑道，但通過經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析后，取消了1＃斜井。由于1＃桑園斜井的取消，導(dǎo)致崤山隧道進(jìn)口施工任務(wù)由原來的2 300 m，增加至近4 000 m。隨著進(jìn)口開挖進(jìn)尺的增加，對(duì)隧道通風(fēng)提出了更高的要求［7－8］。

4 獨(dú)頭掘進(jìn)串聯(lián)接力通風(fēng)技術(shù)

崤山隧道左右線單洞隧道，通風(fēng)方式根據(jù)工區(qū)不同采用不同方式。通過對(duì)比分析，隧道進(jìn)口工區(qū)采用第一階段壓入式通風(fēng)，第二階段巷道式通風(fēng)，第三階段接力式巷道通風(fēng)的串聯(lián)接力通風(fēng)方式［9］，見表2。

表2 三階段通風(fēng)范圍及方式

4.1 設(shè)備選型

根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9653—2017）中的通風(fēng)規(guī)定，需進(jìn)行作業(yè)人員需風(fēng)量、炸藥爆破需風(fēng)量、內(nèi)燃機(jī)械廢氣稀釋需風(fēng)量、排塵需風(fēng)量、射流風(fēng)機(jī)風(fēng)量等計(jì)算［10］，并取其中的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風(fēng)量，最后按排塵最低風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，軸流風(fēng)機(jī)選型需滿足的技術(shù)參數(shù)為：Q＞2 542.9 m3/min，h＞4 507.1 Pa，對(duì)比選擇馭創(chuàng)風(fēng)機(jī)型號(hào)SDF（C），功率2×75 kW、2×110 kW軸流風(fēng)機(jī)。射流風(fēng)機(jī)需滿足的技術(shù)參數(shù)為：Qs＞16.2 m3/s，對(duì)比選擇馭創(chuàng)風(fēng)機(jī)型號(hào) SDS-Ⅱ35 kW型、SDS-Ⅱ15 kW型射流風(fēng)機(jī)。具體參數(shù)如表3所示。

表3 崤山隧道通風(fēng)設(shè)備

4.2 通風(fēng)管布置

在施作好二次襯砌地段，通風(fēng)管布置于隧道拱頂。通過襯砌臺(tái)車后，避免形成瓶頸，通風(fēng)管道采取布置于隧道左側(cè)拱腰處，同時(shí)方便安裝作業(yè)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)管布置

通風(fēng)管采用接頭為拉鏈?zhǔn)降?φ1 500 mm的WSFG型塑布軟管和鋼絲軟管。

4.3 通風(fēng)技術(shù)

崤山隧道進(jìn)口工區(qū)總長3 762 m，考慮到風(fēng)機(jī)送風(fēng)效率，采用三階段通風(fēng)方式，根據(jù)隧道開挖的長度動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道的通風(fēng)方案。

4.3.1 第一階段壓入式通風(fēng)

隧道開挖施工未到1 200 m時(shí)，均采取普通隧道壓入式通風(fēng)方式，即左右線隧道洞口外各設(shè)置1組2×75 kW風(fēng)機(jī)［11］。通風(fēng)時(shí)，采用風(fēng)門封閉1＃橫通道，利用2、3＃橫通道交通導(dǎo)流。通風(fēng)組織如圖2所示。

圖2 第一階段壓入式通風(fēng)

4.3.2 第二階段巷道式通風(fēng)

隧道開挖1 200～2 500 m范圍內(nèi)，采取巷道式通風(fēng)，左線隧道外軸流風(fēng)機(jī)保持不動(dòng)［12］。在3＃橫通道前，設(shè)置1個(gè)移動(dòng)式風(fēng)機(jī)臺(tái)架（見圖3）。同時(shí)將右線隧道外2×75 kW軸流風(fēng)機(jī)移至洞內(nèi)供左線隧道通風(fēng)，另外加設(shè)1組2×110 kW軸流風(fēng)機(jī)（第一風(fēng)機(jī)）供右線隧道通風(fēng)。

圖3 洞內(nèi)移動(dòng)式風(fēng)機(jī)臺(tái)架

考慮右線隧道排煙差，右線2＃橫通道對(duì)應(yīng)樁號(hào)的正洞處增加1臺(tái)35 kW射流風(fēng)機(jī)，采用2根 18工字鋼懸挑于隧道拱部?？拷揖€隧道掌子面處，初期支護(hù)左側(cè)采用錨桿懸掛1臺(tái)15 kW射流風(fēng)機(jī)。隨著隧道向前開挖掘進(jìn)，右線隧道每開挖1個(gè)橫通道增加1臺(tái)15 kW射流風(fēng)機(jī)。通風(fēng)組織如圖4所示。

圖4 第二階段巷道式通風(fēng)示意

4.3.3 第三階段接力式巷道式通風(fēng)

隧道開挖掘進(jìn)2 500 m時(shí)，將左線隧道洞外1臺(tái)75 kW風(fēng)機(jī)解體放于第三個(gè)風(fēng)機(jī)段前。利用風(fēng)機(jī)段集風(fēng)效果，給左線隧道進(jìn)氣加壓，增加洞內(nèi)進(jìn)風(fēng)量。同時(shí)將之前右線隧道洞外移至左線隧道內(nèi)2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)中2×75 kW作為接力。拆下2×110 kW軸流風(fēng)機(jī)，并放置于6＃橫通道對(duì)應(yīng)樁號(hào)的正洞處。同時(shí)加工安裝三向通風(fēng)裝置，利用橫通道給左右線隧道掌子面供風(fēng)，在右線施作好二襯地段調(diào)整射流風(fēng)機(jī)安放距離，改為800 m一組。具體布置見圖5。

圖5 第三階段接力式巷道式通風(fēng)示意

隨著隧道掌子面的開挖推進(jìn)，左線隧道洞外的風(fēng)機(jī)繼續(xù)隨著橫通道開挖貫通同步向前移置。當(dāng)隧道掘進(jìn)至3 000 m時(shí)，移動(dòng)起到接力作用的右線隧道洞外風(fēng)機(jī)，直至隧道貫通。

4.4 通風(fēng)實(shí)施效果

根據(jù)分析，第三階段接力式巷道式通風(fēng)為最不利通風(fēng)階段。采用獨(dú)頭串聯(lián)接力通風(fēng)，分別對(duì)第三階段的YDK677＋799、DK678＋465、DK678＋519等多個(gè)斷面進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4。并對(duì)隧道YDK677＋799斷面進(jìn)行爆破后40、60 min離掌子面不同距離處選點(diǎn)以及噴漿作業(yè)時(shí)和裝運(yùn)碴時(shí)測(cè)粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

表4 隧道內(nèi)不同斷面處塵毒監(jiān)測(cè)記錄

圖6 YDK677+799斷面監(jiān)測(cè)效果

由表4和圖6可知，隧道內(nèi)CO、NxOy以及粉塵濃度均符合國家勞動(dòng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，隧道施工段通風(fēng)效果理想。

5 結(jié)論

隨著掌子面不斷向前開挖掘進(jìn)，通過左線隧道外風(fēng)機(jī)、右線隧道外風(fēng)機(jī)、第一風(fēng)機(jī)、第二風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)段的串聯(lián)接力，充分保證了隧道施工的通風(fēng)效果，改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，保證了工作面的施工進(jìn)度。

（1）采用三階段串聯(lián)接力通風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)了隧道長距離獨(dú)頭掘進(jìn)的通風(fēng)要求，縮短了爆破通風(fēng)時(shí)間。

（2）通過串聯(lián)接力通風(fēng)，延長了隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長度，減少輔助坑道的設(shè)置，降低了成本。

（3）與常規(guī)壓入式通風(fēng)方案比，接力式巷道式通風(fēng)每小時(shí)節(jié)約用電量200 kW，同時(shí)可節(jié)約通風(fēng)管近50%，經(jīng)濟(jì)合理。