八達嶺長城站大型地下洞室群施工期通風技術探究

李路恒，楊新安，*，王 浩，蔣 思

(1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804； 2. 同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804； 3. 中鐵五局集團第四工程有限責任公司, 廣東 韶關 512031)

0 引言

京張高鐵是國家規(guī)劃實施的重點建設項目，也是2022年北京、張家口聯(lián)合舉辦冬奧會的配套工程。京張高鐵八達嶺長城站位于八達嶺長城景區(qū)之下、新八達嶺隧道中，車站主體為地下3層結構，地下建筑面積約3.6 km2，車站洞室數(shù)量多、洞型復雜、交叉節(jié)點密集，是目前國內最復雜的暗挖洞群車站工程[1-2]。車站采用礦山法施工，多洞室、多工作面同時施工導致其通風、除塵、散煙成為施工過程中的關鍵問題和難題，因此，結合本工程特點開展復雜洞室群通風研究具有重要的工程與理論意義。

近年來，對大型地下洞室群通風的研究主要集中在水電工程和油氣儲備工程方面，且多采用數(shù)值模擬方法分析洞室風流分布及主要污染物擴散規(guī)律，優(yōu)化通風方案[3-5]。李艷玲等[6]對不同通風方案下的地下主廠房施工通風流場進行模擬分析，給出了最優(yōu)通風方案； 南春子等[7]模擬分析了不同通風方案下，地下洞室中有害氣體的擴散特征； 李秀春等[8]以地下儲氣庫群為背景，研究了風倉尺寸和風機布置方案對通風效率的影響。在長大隧道施工領域，羅燕平等[9]針對特長螺旋隧道施工通風難題，提出風倉式通風方案； 李自強等[10]以虹梯關特長隧道為依托，提出聯(lián)合式施工通風方案，并基于數(shù)值模擬結果，調整風機布置。上述研究主要針對隧洞群中單一掘進面施工期間的通風方案可行性，且多是優(yōu)化已經形成的巷道式通風系統(tǒng)，并未進行不同施工階段、多工作面同時施工時，地下洞室群需風量的動態(tài)性研究。

隨著地下洞室群規(guī)模的增大和系統(tǒng)復雜性的提高，國內外學者也對復雜通風網絡展開了研究，但主要針對礦井通風難題[11-13]。鐘德云等[14]基于回路風量法解算原理，優(yōu)化Scott-Hinsley法，解算更加復雜的通風網絡； 周福寶等[15]基于通風參數(shù)實時監(jiān)測和風網調節(jié)優(yōu)化模型，建立了礦井智能通風系統(tǒng)。礦井通風是為采掘服務，通風網絡變化相比地下洞室群較緩慢，且隧洞布置分散，所以還需針對地下車站洞室群對通風網絡解算、風網調節(jié)方法做適用性優(yōu)化。

本文針對地下復雜洞室群施工通風的時變性和動態(tài)特性，結合八達嶺長城站施工安排，在完成不同階段的初步通風設計后，首先，采用數(shù)值模擬方法分析通風方案的合理性；然后，基于施工期間的實測數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性地采用通風網絡解算方法，明確風網結構變化對各洞室通風效果的影響，進行通風系統(tǒng)的動態(tài)調整。與已有研究相比，本文不再局限于研究地下洞室群某一施工節(jié)點的通風需求，而是采用現(xiàn)場實測及風網解算方法，動態(tài)優(yōu)化施工全過程的通風系統(tǒng)，以確保洞室群通風效果與施工安全，保證車站如期運營。

1 工程概況與施工方案

1.1 工程概況

八達嶺長城站埋深102 m，從上至下依次是出站層、進站層及站臺層，如圖1所示。站臺層洞室群包括車站左、中、右3座正線隧道、車站兩端三連拱段、大跨過渡段、各類消防救援通道、2座輔助正洞施工的斜井及若干個分通道，如圖2所示。部分洞室設計施工參數(shù)如表1所示。

圖1 八達嶺長城站結構圖

圖2 車站站臺層結構平面圖

八達嶺長城站規(guī)模大、結構復雜，車站總長470 m，設置進出站通道、通風井等各類洞室78個，斷面形式88種，車站及各類洞室累計長度4 754 m。八達嶺長城站作為冬奧會配套交通基礎設施重點控制性工程，2019年底必須開通，土建工期緊張。為盡快建成通車，該工程高峰期有13個工作面同時掘進作業(yè)，掘進工作面鉆孔、爆破、運渣作業(yè)頻繁，加之各類洞室分布密集、自然通風道少，因此，施工期間通風散煙壓力極大，必須開展通風專項研究。

表1 洞室設計施工參數(shù)

1.2 施工方案

站臺層作為八達嶺長城站施工主體部分，洞室結構復雜、規(guī)模龐大，掘進工作面開挖作業(yè)時間集中，運輸車輛眾多，通風組織難度高，故本文將重點討論站臺層施工期間的通風難題。

為加快施工進度，隧道設置2座斜井及相應8個輔助通道開挖正洞及車站站臺層，其中1#、8#分通道輔助車站兩端正洞施工，2#、3#、7#、8#分通道相向分部開挖大跨過渡段，4#、5#、6#分通道施工車站主體。根據(jù)輔助通道形成的先后順序，隧道正洞及站臺層施工遵循平行錯開、多工作面同時作業(yè)的原則。首先，施工2#左、右斜井和與其相連的1#、2#及8#分通道，用于開挖其余輔助通道及隧道正洞，并結合3#及7#分通道開挖車站兩端大跨過渡段； 其次，通過4#及6#分通道盡快貫通車站左洞，以形成巷道式通風； 再結合其他分通道開挖車站中、右2洞和消防救援通道。與此同時，為進一步緩解站臺層施工期間通風散煙壓力，計劃將服務于車站運營期的3#、4#通風豎井提前修建，以盡快在施工期間形成混合式通風。

2 施工期間的通風規(guī)劃

由于施工期間的通風設計和施工組織順序密不可分，根據(jù)施工階段的組織方案，結合本工程各地下洞室位置特點、施工工序及進度，為滿足各階段施工作業(yè)通風需要和節(jié)能降耗目標，將站臺層隧道施工通風劃分為3個階段，具體通風方案規(guī)劃如下。

2.1 第1階段通風方案規(guī)劃

本階段在2#左斜井口設置2臺軸流風機，初期供應6#—8#分通道施工通風，之后服務大跨段、救援通道、站臺層左線及右線隧道的開挖； 2#右斜井口同樣設置2臺軸流風機，供應1#—5#分通道及后續(xù)隧道正線、站臺層左線及右線隧道施工通風。通風方案規(guī)劃示意見圖3。本階段由于尚未形成通風回路，故采用壓入式通風方式，即通過2#斜井口的風機將新鮮風流通過風筒送至各掘進工作面。由于各掘進工作面附近污濁空氣不能向外抽排，加之后期送風線路長、洞室交叉點多、開挖工程量大，因此，各工作面的通風壓力極大。

圖3 第1階段通風方案規(guī)劃示意圖

2.2 第2階段通風方案規(guī)劃

為盡快緩解復雜洞室施工通風壓力，按照施工進度安排，將首先完成4#、6#分通道開挖，然后盡快貫通左線隧道，形成部分通風回路，實現(xiàn)巷道式通風，通風方案規(guī)劃示意見圖4。4#、6#分通道及左線隧道貫通后，具備了形成巷道式通風的基本條件，但實測結果表明，2#右斜井、4#分通道、左線隧道、6#分通道和2#左斜井回路形成的自然風壓值很小，通風量不能滿足通風除塵需要。因此，需在左線隧道適當位置安裝主通風機(軸流式)作抽壓式通風，形成由上述隧道構成的巷道式全風壓通風系統(tǒng)。

圖4 第2階段通風方案規(guī)劃示意圖

綜上所述，本階段通風規(guī)劃是采用2#右斜井進風、2#左斜井回風的主貫穿風流巷道式通風，且左洞內主通風機作為抽壓式、已有風機作為壓入式的通風方式。本階段通風系統(tǒng)中增加了抽出式風機，形成了負壓通風系統(tǒng)，使得新鮮風流和污風基本得到分離，相較于第1階段，本階段各掘進工作面通風除塵效果良好。

2.3 第3階段通風規(guī)劃

隨著3#、4#豎井施工建成，將分別通過2～3個左、右聯(lián)絡坑道使正洞與左、右洞等區(qū)域連通。此時，設定3#、4#豎井上口(地面)分別安裝1臺同等能力的主通風機作為抽出式通風； 同時，將現(xiàn)有(局部)風機移至2#左、右斜井井底隧道內作為壓入式通風，共同擔負著正洞(大、小里程4個)、5#分通道、救援通道等各掘進工作面的供風任務，施工進度及通風方案如圖5所示。本階段站臺層隧道施工混合式通風系統(tǒng)基本形成，新鮮風流由2#左、右斜井送入，污風經豎井排出，通風除塵壓力將得到極大緩解，施工進度進一步加快。

圖5 第3階段通風規(guī)劃示意圖

3 通風方案計算分析

3.1 第1階段通風計算分析

第1階段通風期間，各洞室和豎井尚未貫通，各工作面爆破頻繁，污染物產量大，通風散煙矛盾最為突出，是需重點研究的最不利工況。

本階段通風具有線路長、洞室交叉點多、開挖工程量大、多掘進工作面同時施工的特點，是整個車站施工通風最困難的時期，需進一步研究通風方案的合理性。

3.1.1 通風數(shù)值模擬

2#右斜井長距離掘進作為本階段第1個施工難點，單一掘進，隧道斷面尺寸見圖6。擬在2#右斜井口安設軸流風機，接風管至掌子面進行壓入式通風，風機選型如表2所示。為驗證通風方案可靠性，在無相關實測通風數(shù)據(jù)的情況下，選擇使用流體力學軟件Fluent建立三維數(shù)值模型，對隧道施工時長距離壓入式通風風速分布、有害氣體排出時間等指標進行驗證。選擇2#右斜井為建模對象，模型含隧道、2條風筒。風筒出口距離掘進工作面40 m，風筒直徑1.5 m，位于隧道拱頂中線兩側。模型網格為非結構化六面體網格，網格總數(shù)量約60萬個，計算模型網格劃分如圖7所示，模擬選用的數(shù)學模型及基本參數(shù)見表3和表4。

圖6 輔助坑道斷面尺寸(單位： cm)

表2 2#右斜井風機選型

圖7 計算模型網格劃分

1)隧道內風速分布。如圖8(a)所示，在風筒中線垂直斷面x=0.85 m上，風筒出口至掘進工作面區(qū)間內，風流流動分為射流擴張、射流收縮、渦流及回流4個分區(qū)。在靠近射流擴張與回流區(qū)之間的垂向區(qū)域中存在明顯的渦流，渦流下方的回流風速增加。掘進工作面區(qū)域最低風速約0.2 m/s，回流核心區(qū)風速約1.1 m/s，回風流靠近壁面區(qū)域風速約0.5 m/s。如圖8(b)所示，隨著接近隧道出口方向，風流分布逐漸穩(wěn)定。當距掘進工作面約100 m后，距隧道底板y=1 m、y=2 m、y=4 m, 監(jiān)測線上的風速趨于相同，表明隧道斷面風速分布基本穩(wěn)定。

表3 計算數(shù)學模型設定

表4 數(shù)值模擬參數(shù)設置

(a) 隧道掘進工作面附近風流矢量圖(單位： m/s)

(b) 隧道軸向風速變化曲線

2)通風量滿足爆破排煙能力。炮煙中有害成分主要為有毒氣體，如CO、NO2等，因此將通過對爆破后不同時刻CO質量濃度變化來分析炮煙運移規(guī)律。

炮煙拋擲長度[16]

l=15+G/5。

(1)

式中:l為炮煙拋擲長度，m；G為電雷管同時起爆的炸藥量，取645 kg。

CO初始質量濃度為[16]

C=Gb/(lA)。

(2)

式中:b為1 kg乳化炸藥生成的CO氣體體積，取30 L/kg；A為隧道斷面面積，m2。

通過計算得到，2#右斜井CO初始質量濃度為3 667.43 mg/m3，即初始摩爾分數(shù)為2.934×10-3； 按規(guī)范，隧洞內CO質量濃度應小于30 mg/m3，因此其符合規(guī)定的摩爾分數(shù)應為2.4×10-5。

圖9示出不同時刻的CO質量濃度分布云圖。高濃度炮煙在爆源點生成后，由于掘進工作面的限制和風筒通風形成的渦流雙重影響，會迅速向隧道出口方向蔓延擴散，前鋒到達出口時間約為9 min，隨著新鮮風的不斷涌入，煙氣逐漸離開隧道。排煙時間28 min后，隧道內各點CO質量濃度均低于30 mg/m3。

3)模擬結果分析與建議。對通風量是否滿足柴油設備廢氣排出及粉塵稀釋能力，也進行了模擬驗證。根據(jù)數(shù)值模擬結果，將正常通風、滿足爆破排煙需求、滿足柴油設備廢氣排出需求3種情況下的模擬結果及與Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》要求進行對比，結果表明，2#右斜井施工時的通風量能滿足需求，具體對比結果見表5。

基于上述對比結果，建議2#右斜井掘進面在實施爆破作業(yè)后，適當提高風速，以使掌子面附近空氣質量盡快滿足規(guī)范要求。

3.1.2 多掘進工作面施工通風計算

如圖3所示的第1階段通風方案中，左、右斜井井口分別安設2臺不同型號的風機，分別為SFD-III-No.13和2×ZVN1-14-132/4。為進一步明確本階段后期多掘進工作面同時施工時的通風狀態(tài)，分別對3洞分離處左洞掘進工作面及4#分通道掘進工作面爆破后的風速、風量和粉塵質量濃度進行實測，2地點風速分別為0.21、0.13 m/s，風量約為756、470 m3/min，粉塵質量濃度為2.75、4.58 mg/m3。

根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)，若將掘進工作面粉塵質量濃度降至規(guī)定范圍，則左洞掘進工作面和4#分通道掘進工作面所需風量分別約為1 040、1 076 m3/min； 若掘進工作面最優(yōu)排塵風速按0.5 m/s考慮，如將掘進工作面爆破作業(yè)時最大粉塵質量濃度降至符合相關標準，則每個掘進工作面的通風除塵需風量應大于1 700 m3/min。左斜井以6#分通道到右洞掘進工作面為例，風機出口距掘進工作面約650 m，通過理論計算得到風機出口風量為2 153 m3/min，風機工作風壓約為8 951 Pa； 右斜井以3#分通道掘進工作面為例，風機出口距掘進工作面約860 m，計算得到風機出口風量為2 324 m3/min，風機工作風壓約為12 783 Pa。分析上述計算結果，鑒于第1階段通風后期2#左、右斜井送風距離長、風筒轉彎多、風機風壓增高，因此提出本階段后期通風技術方案改進措施為： 1)更換大直徑風筒，提高風筒懸掛質量以降低風筒阻力； 2)在電動機功率允許范圍內，適當提高風機轉速。前述措施或是降低通風阻力，或是改善通風機性能，以提高隧道掘進期間通風機供風量。

(a) 爆破后1 min (b) 爆破后10 min

(c) 爆破后20 min (d) 爆破后28 min

表5 模擬結果與規(guī)范要求對比

3.2 第2階段通風計算分析

考慮到2#斜井送風距離不斷延長、風筒阻力變大，為降低風機功耗、提高通風質量，決定將2#右斜井口的風機移至其斜井內，安設于4#分通道與斜井交岔口處，2#左斜井口的原有風機位置不變。上述風機作為壓入式風機，一起擔負復雜洞室群內各掘進工作面供風任務。

為進一步確定左洞位置處軸流式風機規(guī)格，設定本階段2#右斜井井底隧道內風機至掘進工作面最遠距離為400 m，現(xiàn)場實測得到風管百米漏風率為3.57%，掘進工作面需風量為1 700 m3/min，共計4個掘進工作面。每臺局部風機通風量Qf可按日本青函隧道計算公式計算：

Qf=Qh/(1-η100)l′/100。

(3)

式中：Qf為通風機風量，m3/s；Qh為風管末端風量，m3/s；η100為風筒百米漏風率；l′為風筒長度，m。

計算得到每臺通風機風量為1 966.1 m3/s，故可假定軸流式風機通風量為8 000 m3/min，通風機風壓為1 020.6 Pa。為達到地下洞室群通風除塵的良好效果，通風機所適配的電機功率按下式計算：

(4)

式中:Ne為電機功率，kW；Ns為風機輸出功率，W；Hs為風機風壓，Pa；Qj為風機風量，m3/s；η為風機運行效率，取0.6；K為電機容量備用系數(shù)，K=1.1～1.2，本次計算取1.15。

將相關參數(shù)帶入式(4)可計算得到通風機電機功率為260.86 kW。根據(jù)Hs=1 020.6 Pa，Qj=133.3 m3/s，Ne=260.86 kW，即可確定適用于該通風方案的主通風機設備及配套的電機，推薦選用高效率、低噪聲、特性曲線無駝峰的K系列節(jié)能風機。

3.3 第3階段通風計算分析

為評價第3階段通風規(guī)劃的可行性，基于實測通風數(shù)據(jù)，利用通風系統(tǒng)運行狀態(tài)預測模擬軟件模擬解網，按需分風，得到各隧道通風參數(shù)及豎井處主通風機運行工況。通風豎井建成后，通過中隔墻內的聯(lián)絡通道連通正洞與左、右洞等區(qū)域，同時將局部風機移至2#左、右斜井井底作壓入式通風。

3.3.1 計算條件

設定2#左、右斜井井底隧道內風機至掘進工作面最遠距離為300 m，風管百米漏風率為3.57%，掘進工作面需風量為1 700 m3/min，共6個掘進工作面需要通風，則2#左、右斜井總需進風量(通風機總風量)至少為11 400 m3/min。部分隧道百米風阻及摩擦阻力系數(shù)如表6所示，站臺層第3階段施工通風網絡見圖10。

表6 部分隧道模擬解網參數(shù)

3.3.2 模擬解網結果

運行通風系統(tǒng)運行狀態(tài)預測模擬軟件，輸入所需基礎參數(shù)(見表7)，得到3#豎井主通風機運行工況為風量5 850 m3/min、風壓1 352.9 Pa、自然風壓-6.4 Pa、通風功耗131.9 kW； 4#豎井主通風機運行工況為風量5 724 m3/min、風壓1 352.9 Pa、自然風壓-6.5 Pa、通風功耗129.1 kW。

圖10 第3階段通風網絡圖

從模擬解網結果可知，3#、4#豎井井筒下段斷面直徑1.4 m偏小，導致該段阻力和風速過高，預測阻力1 168 Pa，當過風量大于5 800 m3/min時，井筒下段風速將超過64 m/s,通風功耗過大。而當豎井井筒擴挖至直徑為2.3 m時，井筒內風速及風阻迅速降低，部分主要隧道風量分配、阻力大小情況如表8所示。

表7 豎井井筒解網風機工況(φ2 300 mm)

表8 部分隧道風量分配、阻力大小情況

綜合上述模擬解網結果，3#、4#豎井建成后通風方案為： 采用2#左、右斜井進風，3#、4#豎井回風的主貫穿風流隧道，且地面主通風機作為抽出式，現(xiàn)有風機作為壓入式的通風方式和方法。建議施工單位進行通風豎井下部擴挖工作，力爭形成合理的斜井進風、豎井回風的全風壓通風系統(tǒng)。

4 通風監(jiān)測與效果分析

4.1 第1階段通風監(jiān)測結果與分析

在車站施工期間，為更準確、直觀地評價通風效果，在第1階段通風期間對1#分通道掘進工作面通風狀態(tài)進行測試，測試地點距掘進工作面20 m，通風機處于正常工作狀態(tài)，對爆破前及爆破后15、30 min 3個時間節(jié)點時的空氣污染物(CO、NxOy、粉塵)質量濃度及風速開展監(jiān)測，具體監(jiān)測結果見表9。

表9 1#分通道空氣污染物測試結果

由上述測試結果可知，掘進工作面爆破后通風30 min，空氣中主要污染物質量濃度均符合規(guī)范要求，施工現(xiàn)場通風效果良好，說明通風方案合理。

隨著站臺層隧道施工不斷推進，同時施工的掘進工作面增加，難以準確測試單一掘進工作面掘進時的通風狀態(tài)。為確定通風方案在多工作面開挖時的合理性，選取同時掘進工作面最多的第1階段施工后期(如圖3所示)，對各掘進工作面和隧道交叉點位置的風速、粉塵及CO質量濃度進行測試，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表10。其中，監(jiān)測時4#分通道剛結束爆破作業(yè)，因此監(jiān)測點13處粉塵及CO質量濃度較大。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，各測點粉塵及CO質量濃度基本達到規(guī)范要求。實測發(fā)現(xiàn)背向掘進的隧道，如左洞測點1、3和右洞測點2，粉塵質量濃度偏高，因此，增設了除塵設備，空氣質量得到明顯改善。另外，各測試點的風速雖達到要求但整體偏低，這是因為隨著開挖隧道的增多，其需風量不斷增加，因此，對于風量不足的位置，建議在適當位置安設輔助通風設備，以緩解通風壓力，改善作業(yè)環(huán)境。

表10 第1階段通風監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 第2、3階段通風監(jiān)測結果與分析

當車站左洞貫通并形成巷道式通風系統(tǒng)后，對車站各通道及作業(yè)面進行通風監(jiān)測，此時施工進度如圖4所示。監(jiān)測時，右洞掘進面進行了爆破作業(yè)(已通風20 min)，因此，右洞掘進工作面及2#左斜井粉塵質量濃度較大。第3階段通風監(jiān)測時車站施工進度如圖5所示。由表11中監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，相比于前2個施工階段，通風豎井的貫通，混合式通風系統(tǒng)的形成，降低了空氣中粉塵質量濃度，有效改善了車站施工通風質量。

為進一步提高車站洞室群通風換氣效率，在車站輔助通道直角轉彎處安設導流風機，如6#分通道、1#救援通道兩端及其與2#、3#救援通道交叉位置。為改善車站施工期間左、右、正洞背向掘進時作業(yè)面多、作業(yè)空間較小導致的粉塵質量濃度較高的問題，在洞內使用除塵設備并在適當位置安裝水幕墻，以左洞背向掘進面、左洞與4#分通道交叉處通風質量監(jiān)測為例，除塵技術使用前，粉塵質量濃度依次為2.64、1.49 mg/m3，采取降塵措施后，粉塵質量濃度降為1.68、0.97 mg/m3，空氣質量得到明顯改善。

表11 第2、3階段通風監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結論與討論

1)針對八達嶺長城站復雜洞室群通風難題，依據(jù)車站施工進度，提出了3階段通風設計，并采用通風網絡解算和現(xiàn)場實測等方法，動態(tài)調整通風措施，實現(xiàn)了車站洞室群施工期間空氣的高效置換。

2)數(shù)值模擬結果表明，2#右斜井掌子面爆破后通風30 min，空氣質量滿足規(guī)范要求； 針對多工作面同時作業(yè)時通風散煙難題，可以從降低通風阻力和改善風機性能2方面出發(fā)，增加隧道進風量，提高通風質量。

3)通風網絡解算結合通風參數(shù)計算能有效分析復雜洞室群各施工階段通風狀態(tài)，指導優(yōu)化通風措施，如第2階段通風時將右斜井井口風機移至斜井內； 擴挖通風豎井井筒，以減小風阻，降低通風功耗。

4)復雜洞室群施工期間的通風監(jiān)測顯示，通風質量符合規(guī)范要求，說明分階段通風設計、動態(tài)調整通風方案可以解決復雜洞室群施工期通風難題，輔助通風設備和除塵設備的使用，能進一步優(yōu)化通風質量。

本文主要通過人工進行風網解算和通風監(jiān)測，結果獲取相對滯后，難以及時指導通風決策。針對地下空間建設信息化、智能化的發(fā)展趨勢，應進一步開展通風參數(shù)在線監(jiān)測和通風網絡實時解算系統(tǒng)研究，建立通風診斷和智能化決策平臺，并通過通風設施智能化調控，實現(xiàn)復雜洞室群的智能化通風。