新烏鞘嶺隧道利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案

鄧薦

（中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的持續(xù)發(fā)展，施工技術(shù)和設(shè)備不斷進(jìn)步，鐵路線(xiàn)路中隧道占比越來(lái)越高，長(zhǎng)大隧道［1］的設(shè)計(jì)與施工越來(lái)越普遍，隧道通風(fēng)難度也隨之提高。如何有效解決長(zhǎng)大隧道的施工通風(fēng)問(wèn)題，成為鐵路建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。結(jié)合蘭州—張掖三四線(xiàn)鐵路（簡(jiǎn)稱(chēng)蘭張三四線(xiàn)鐵路）新烏鞘嶺隧道施工，研究、比選不同通風(fēng)方案，論述利用既有線(xiàn)通風(fēng)的實(shí)施方案及其效果，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道站前工程為新建蘭張三四線(xiàn)鐵路中川機(jī)場(chǎng)—武威段的控制性工程，該隧道平面布置見(jiàn)圖1。隧道起訖里程DK160+920—DK178+045，全長(zhǎng)17 125 m，為雙線(xiàn)隧道，設(shè)計(jì)速度250 km/h，最大埋深952 m。LZX-ZWXQ1 標(biāo)承建隧道起訖里程DK160+920—DK168+941，標(biāo)段全長(zhǎng)8 021 m，共設(shè)3座輔助支洞，其中在既有5號(hào)斜井［1］630 m和1 750 m處分別設(shè)置1、2號(hào)施工支洞，支洞長(zhǎng)度分別為264、728 m；在既有7號(hào)斜井2 310 m處設(shè)置3號(hào)施工支洞，長(zhǎng)度為270 m。施工中存在隧道通風(fēng)長(zhǎng)度長(zhǎng)、通風(fēng)海拔較高、需風(fēng)斷面較大等困難。

圖1 新烏鞘嶺隧道平面布置

新烏鞘嶺隧道各洞口海拔高度為2 700～3 000 m，氣候垂直分帶性明顯，天氣寒冷，日溫差大，陰雨風(fēng)雪冰雹天氣多變，冰凍時(shí)間長(zhǎng)。

2 斜井洞口壓入式通風(fēng)方案及其問(wèn)題

2.1 通風(fēng)風(fēng)管及風(fēng)機(jī)選型

隧道斜井進(jìn)入正洞段落，原設(shè)計(jì)通風(fēng)方案均為從斜井洞口外向洞內(nèi)壓入式供風(fēng)，通風(fēng)距離長(zhǎng)。以標(biāo)段內(nèi)通風(fēng)距離最長(zhǎng)的7 號(hào)斜井3 支洞工區(qū)小里程段為例，進(jìn)行通風(fēng)驗(yàn)算，通風(fēng)距離最大為4 447 m（距離斜井口20 m+斜井長(zhǎng)度2 310 m+支洞長(zhǎng)度270 m+小里程工區(qū)長(zhǎng)度1 847 m）。7 號(hào)斜井洞口壓入式通風(fēng)平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 7號(hào)斜井洞口壓入式通風(fēng)平面布置

2.1.1 通風(fēng)風(fēng)管直徑選擇

根據(jù)通風(fēng)風(fēng)損、風(fēng)阻與風(fēng)管直徑的關(guān)系，以及斜井內(nèi)凈空條件的限制，選擇最優(yōu)的風(fēng)管直徑，隧道斜井段選取直徑1.7 m 的風(fēng)管，支洞及正洞段選取直徑2.0 m的風(fēng)管。

2.1.2 風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)算

施工通風(fēng)需風(fēng)量分別按最低風(fēng)速要求、洞內(nèi)最大工作人數(shù)、爆破排煙、稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)械廢氣等因素計(jì)算，取其中風(fēng)量最大值作為最大需風(fēng)量。

通風(fēng)采用壓入式，通風(fēng)設(shè)備選用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率不大于1.0%，考慮通風(fēng)管局部彎曲、個(gè)別破損等，取百米漏風(fēng)率β為1.0%，摩擦阻力系數(shù)λ為0.017。

按照最不利情況選擇隧道內(nèi)施工參數(shù)，作為通風(fēng)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。計(jì)算洞內(nèi)最小允許風(fēng)速所需的隧道最大開(kāi)挖斷面數(shù)據(jù)，選擇設(shè)計(jì)最大斷面上、下臺(tái)階同時(shí)爆破的情況，最大開(kāi)挖斷面面積Amax為136 m2。計(jì)算爆破排煙需風(fēng)量所需的1次爆破最大炸藥用量參數(shù)，選擇掌子面上、下臺(tái)階同時(shí)爆破并掘進(jìn)允許范圍最大值所需的炸藥量Gmax，取值為340 kg。計(jì)算作業(yè)人員所需新鮮風(fēng)量所采用的洞內(nèi)最多作業(yè)人員參數(shù)，選擇1個(gè)作業(yè)面范圍同時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖、仰拱、二襯等工序施工的人數(shù)總和，取值為100人。

2.1.2.1 風(fēng)量計(jì)算

（1）隧道內(nèi)最大需風(fēng)量比選。計(jì)算比選以下4種需風(fēng)量，選擇其中最大值作為隧道最大需風(fēng)量：保證洞內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)流最小風(fēng)速不小于0.15 m/s所需的風(fēng)量；同一時(shí)間最多工作人員所需新鮮空氣量；爆破排煙所需風(fēng)量［2-3］；稀釋內(nèi)燃機(jī)械廢氣所需風(fēng)量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算、比選，稀釋內(nèi)燃機(jī)械廢氣所需風(fēng)量為隧道內(nèi)最大需風(fēng)量［4］。

式中：Q4為所需風(fēng)量；k為通風(fēng)計(jì)算系數(shù)，取3.0 m3/min·kW；Ni為某類(lèi)內(nèi)燃設(shè)備總臺(tái)數(shù)；Mi為各臺(tái)柴油設(shè)備的額定功率；Ti為各臺(tái)柴油機(jī)設(shè)備工作時(shí)柴油機(jī)利用率系數(shù)，取挖機(jī)0.65、裝載機(jī)0.65、出渣車(chē)0.65、罐車(chē)0.50，其他車(chē)輛0.10。隧道作業(yè)段內(nèi)使用的內(nèi)燃機(jī)械包括：1臺(tái)挖機(jī)、1臺(tái)裝載機(jī)、2臺(tái)出渣車(chē)、1臺(tái)罐車(chē)，挖機(jī)功率125 kW，裝載機(jī)功率162 kW，出渣車(chē)功率215 kW，罐車(chē)功率215 kW，其他車(chē)功率103 kW。

（2）高原風(fēng)量修正。新烏鞘嶺隧道平均海拔約為2 800 m，反算海拔大氣壓為72 000 Pa；1 mm 汞柱（mmHg）=133.22 Pa；72 000/133.22=540 mmHg。通過(guò)式（2）對(duì)最大需風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，得到高原隧道作業(yè)面的修正需風(fēng)量［4］。

式中：P高為高山地區(qū)大氣壓力；Q為正常條件下計(jì)算的風(fēng)量；Q高為高原隧道所需風(fēng)量。

（3）反算風(fēng)機(jī)出口所需風(fēng)量。通過(guò)作業(yè)面所需風(fēng)量、百米漏風(fēng)率及通風(fēng)管長(zhǎng)度，計(jì)算風(fēng)機(jī)出口需要達(dá)到的最低風(fēng)量［5-6］。

式中：β為百米漏風(fēng)率平均值，取1%；L為通風(fēng)管長(zhǎng)度；Q機(jī)為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量。

2.1.2.2 風(fēng)壓計(jì)算

對(duì)風(fēng)管的局部阻力以及沿程阻力進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行組合得出通風(fēng)管路的總風(fēng)阻，既是風(fēng)機(jī)對(duì)抗風(fēng)阻所需的最低風(fēng)壓。

（1）局部阻力。局部阻力主要包括風(fēng)管轉(zhuǎn)角處以及變截面處增加的風(fēng)阻，計(jì)算公式如下［2］：

式中：hx為管路的局部阻力；ξ為局部阻力系數(shù)；v為管路小斷面處的風(fēng)速；ρ為空氣密度。

① 管道轉(zhuǎn)彎時(shí)，ξ=0.008α0.75/n0.8，α為轉(zhuǎn)彎角度；n=R/d，R為轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑，d為管道直徑。

② 對(duì)于突然擴(kuò)大的異徑管接頭，ξ=（1-A1/A2）2，A1、A2分別為進(jìn)出接頭的管道截面積。

（2）沿程阻力。風(fēng)管的沿程風(fēng)阻為風(fēng)管通長(zhǎng)的整體阻力，計(jì)算中還應(yīng)考慮風(fēng)管漏風(fēng)率，計(jì)算公式如下［2］：

式中：hf為風(fēng)管的沿程壓損；λ為摩擦系數(shù)；Q0為送到作業(yè)面的風(fēng)量。

（3）風(fēng)機(jī)出口所需全壓。將風(fēng)管局部阻力以及沿程阻力按照式（6）進(jìn)行組合計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)出口全壓Ht，即風(fēng)機(jī)對(duì)抗風(fēng)阻所需的最低風(fēng)壓［2］。

經(jīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)出口所需全壓為7 440 Pa。

2.1.3 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型。選擇能夠同時(shí)滿(mǎn)足通風(fēng)所需風(fēng)量及風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)，對(duì)隧道作業(yè)面進(jìn)行壓入式通風(fēng)。通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型（斜井洞口通風(fēng)方案）

2.2 問(wèn)題分析

新烏鞘嶺隧道各斜井施工段落，通過(guò)斜井及支洞進(jìn)入正洞施工，斜井長(zhǎng)度普遍大于1 700 m，從斜井洞口向掌子面進(jìn)行壓入式通風(fēng)，通風(fēng)距離很長(zhǎng)，存在以下問(wèn)題：

（1）必須采用超大功率風(fēng)機(jī)，耗電量大，供電系統(tǒng)壓力大，根據(jù)風(fēng)機(jī)選型計(jì)算，7 號(hào)斜井3 支洞工區(qū)小里程段至少要采用功率3×160 kW=480 kW 的風(fēng)機(jī)，才能滿(mǎn)足隧道內(nèi)的通風(fēng)需要。

（2）通過(guò)沿程阻力的計(jì)算公式可知，風(fēng)阻與風(fēng)管直徑的5 次方成反比，風(fēng)管直徑每降低0.1 m，風(fēng)阻將大幅度增大。風(fēng)管直徑與風(fēng)阻關(guān)系見(jiàn)表2（根據(jù)7 號(hào)斜井3支洞工區(qū)小里程段相應(yīng)條件計(jì)算得出）。

表2 風(fēng)管直徑與風(fēng)阻關(guān)系

通過(guò)表2可得，為滿(mǎn)足通風(fēng)需要，斜井內(nèi)必須使用1.7 m以上直徑的風(fēng)管。

既有斜井通風(fēng)所需凈高見(jiàn)圖3，在風(fēng)管直徑為1.7 m時(shí)，既有斜井內(nèi)凈空高度至少需要6.2 m才能滿(mǎn)足行車(chē)需要。經(jīng)實(shí)測(cè)斜井內(nèi)實(shí)際凈高平均為5.6 m 左右，為滿(mǎn)足行車(chē)凈高，需要對(duì)既有斜井底板進(jìn)行開(kāi)挖來(lái)降低標(biāo)高，起到增加斜井凈空高度的作用，存在工程量大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

圖3 既有斜井通風(fēng)所需凈高

（3）通過(guò)風(fēng)機(jī)出口所需風(fēng)量反算公式可知，風(fēng)機(jī)出口所需風(fēng)量與風(fēng)管的長(zhǎng)度及漏風(fēng)率成正比。通風(fēng)距離越長(zhǎng)風(fēng)損越大，不可控因素越多，通風(fēng)效果難以保證。

3 利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案

針對(duì)斜井洞口壓入式通風(fēng)存在的問(wèn)題及困難，項(xiàng)目部提出風(fēng)機(jī)接力與隔板通風(fēng)的解決方案，但研究論證的結(jié)論是：洞內(nèi)設(shè)置接力風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方式，對(duì)于實(shí)際增加掌子面風(fēng)量及風(fēng)壓并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的作用；斜井設(shè)置隔板通風(fēng)方式，存在技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、成本相對(duì)較高、維修相對(duì)麻煩、風(fēng)阻及漏風(fēng)相對(duì)較高等問(wèn)題。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，新烏鞘嶺隧道主要進(jìn)洞方式為利用既有斜井進(jìn)入正洞，既有斜井與正在運(yùn)營(yíng)的蘭武二線(xiàn)鐵路相通，可在支洞口附近借用既有線(xiàn)隧道內(nèi)的流動(dòng)風(fēng)流進(jìn)行通風(fēng)，大大減小了風(fēng)機(jī)至掌子面的通風(fēng)距離，同時(shí)又解決了斜井內(nèi)的凈空高度不足問(wèn)題。

3.1 通風(fēng)方案

既有隧道與施工隧道通風(fēng)關(guān)系，即利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案見(jiàn)圖4。既有斜井與既有蘭武二線(xiàn)鐵路隧道相通，通過(guò)在3 號(hào)支洞口下游40 m 處設(shè)置通風(fēng)風(fēng)機(jī)，將既有隧道內(nèi)的新鮮空氣，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)壓送至施工掌子面。最大通風(fēng)距離為2 157 m（距離支洞口40 m+支洞長(zhǎng)度270 m+小里程工區(qū)長(zhǎng)度1 847 m）。利用既有隧道供風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖4 既有隧道與施工隧道通風(fēng)關(guān)系示意圖（利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案）

圖5 利用既有隧道供風(fēng)

3.1.1 可行性研究

既有蘭武二線(xiàn)鐵路烏鞘嶺隧道為運(yùn)營(yíng)隧道，采用該通風(fēng)方案前，應(yīng)分析通風(fēng)對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的影響。通過(guò)模擬計(jì)算分析利用既有線(xiàn)通風(fēng)對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的影響［7-8］。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》第十七章第343條規(guī)定：環(huán)境風(fēng)速不大于25 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于200 km/h；環(huán)境風(fēng)速不大于30 m/s時(shí)，運(yùn)行速度不大于120 km/h；環(huán)境風(fēng)速大于30 m/s時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車(chē)組列車(chē)進(jìn)入風(fēng)區(qū)。依此規(guī)定，既有烏鞘嶺內(nèi)以120 km/h 速度運(yùn)營(yíng)的列車(chē)，其周邊環(huán)境風(fēng)速不應(yīng)大于30 m/s。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出列車(chē)周邊0.5 m 處各測(cè)點(diǎn)全風(fēng)速最大值為16～26 m/s，縱向風(fēng)速最大值為16～26 m/s，橫向風(fēng)速最大值為4～10 m/s，沒(méi)有超過(guò)30 m/s，利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案滿(mǎn)足列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)要求。

3.1.2 通風(fēng)風(fēng)管及風(fēng)機(jī)選型

采用上述風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算公式，代入調(diào)整后的通風(fēng)距離及風(fēng)管直徑，計(jì)算得出風(fēng)機(jī)出口所需最小風(fēng)量為50.76 m3，風(fēng)機(jī)出口所需最小風(fēng)壓為3 811.99 Pa。為方便洞內(nèi)施工及風(fēng)管維護(hù)、安裝，風(fēng)管直徑均采用1.7 m。通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型見(jiàn)表3。

表3 通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型（既有線(xiàn)通風(fēng)方案）

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

與斜井洞口壓入式通風(fēng)相比，利用既有線(xiàn)壓入式通風(fēng)，優(yōu)勢(shì)明顯，主要解決了以下問(wèn)題：

（1）縮短通風(fēng)距離，保證供風(fēng)效果。相比從斜井洞口壓入式通風(fēng)，最大通風(fēng)距離由4 447 m 降低至2 157 m。減少了通風(fēng)過(guò)程中的不可控因素，降低了風(fēng)阻，保證了通風(fēng)效果。

（2）降低了施工用電負(fù)荷及電量消耗。利用既有線(xiàn)通風(fēng)采用2×132 kW=264 kW 風(fēng)機(jī)，相比從斜井洞口通風(fēng)采用的3×160 kW=480 kW 風(fēng)機(jī)，耗電量降低了45%。同時(shí)也大大減輕了隧道施工供電壓力。

（3）解決了斜井內(nèi)凈空不足的問(wèn)題。利用既有線(xiàn)通風(fēng)，僅占用支洞口下游40 m 長(zhǎng)的斜井范圍，不占用施工作業(yè)通道，無(wú)需對(duì)既有斜井進(jìn)行底板加深處理，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了施工工程量。

4 通風(fēng)效果與經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 通風(fēng)效果

利用既有線(xiàn)通風(fēng)效果見(jiàn)表4。從表4可知：一氧化碳（CO）濃度在放炮后達(dá)到最高，存在短時(shí)間超標(biāo)的情況，其他工序基本正常，均在30 mg/m3以下；硫化氫（H2S）濃度各工序基本為0，對(duì)隧道施工不存在影響；氧氣（O2）含量低于20%的標(biāo)準(zhǔn)值，基本都在19.5%左右，是施工地處高原又沒(méi)有采取制氧、供氧措施所致，設(shè)置制氧設(shè)備即可滿(mǎn)足要求；溫度均低于28 ℃的標(biāo)準(zhǔn)值；掌子面風(fēng)速基本為0.6～0.7 m/s，滿(mǎn)足分部開(kāi)挖的坑道內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)小于0.25 m/s 的要求；二襯臺(tái)車(chē)處風(fēng)速基本在0.3～0.4 m/s，滿(mǎn)足全斷面處風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s 的要求。綜上所述，利用既有線(xiàn)通風(fēng)能夠滿(mǎn)足隧道內(nèi)施工通風(fēng)的要求。

表4 利用既有線(xiàn)通風(fēng)效果

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

4.2.1 用電費(fèi)用

利用既有線(xiàn)通風(fēng)方案，相比斜井洞口壓入式通風(fēng)方案，通風(fēng)距離大大縮短，風(fēng)損及風(fēng)阻均大大減小，所需風(fēng)機(jī)功率也隨之大大降低。經(jīng)測(cè)算，風(fēng)機(jī)總功率由1 440 kW 降低至968 kW，風(fēng)機(jī)總用電量降低約6 366 048 kW·h，節(jié)約電費(fèi)約384.7 萬(wàn)元（見(jiàn)表5）。

表5 2種通風(fēng)方案電費(fèi)對(duì)比

4.2.2 施工費(fèi)用

如果采用從斜井洞口通風(fēng)，為滿(mǎn)足行車(chē)凈高需要，必須對(duì)斜井底板進(jìn)行降低處理，斜井寬度5.6 m，凈空高度由5.6 m 調(diào)整至6.2 m，需進(jìn)行降底板開(kāi)挖0.6 m，利用斜井總長(zhǎng)為（1 750+2 310）m=4 060 m，Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖單價(jià)約為316 元/m3，可計(jì)算得出降低底板費(fèi)用為4 060×5.6×0.6×316=431.1萬(wàn)元。

利用既有線(xiàn)通風(fēng)，僅占用支洞口下游40 m 長(zhǎng)的斜井范圍，不占用施工作業(yè)通道，無(wú)需對(duì)既有斜井進(jìn)行底板加深處理，可節(jié)約用于降低底板費(fèi)用431.1萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

相比從斜井洞口壓入式通風(fēng)方案，利用既有線(xiàn)壓入式通風(fēng)，能夠大大降低風(fēng)機(jī)至掌子面之間的通風(fēng)距離，能夠減少非正常漏風(fēng)的概率、減小風(fēng)阻、減少風(fēng)損，提高了通風(fēng)效率，保證了洞內(nèi)空氣質(zhì)量及風(fēng)速，進(jìn)而保障了施工作業(yè)環(huán)境、工作效率與職業(yè)健康，同時(shí)也具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。該方案在實(shí)際運(yùn)用中效果良好，可為類(lèi)似工程提供參考。