揭惠鐵路長斜井施工通風(fēng)技術(shù)研究

張春浩

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司 廣東廣州 511455)

1 工程概況

百吉嶺隧道是新建揭陽至惠來鐵路最長隧道，是全線控制性工程之一，全長9 814.54 m，設(shè)輔助坑道一處——烏豐斜井。該斜井位于線路前進(jìn)方向左側(cè)，與隧道正洞交于DK61＋900里程處，與線路大里程方向平面夾角為81°，為反坡隧道，最大坡率10.98%，綜合坡率9.86%，斜井線路設(shè)兩處轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑100 m，總體呈“Z”字形分布，斜井展平長2 414 m。根據(jù)施工任務(wù)劃分，斜井需承擔(dān)正洞3 773 m施工任務(wù)，其中大里程2 019 m，小里程1 754 m。斜井最長通風(fēng)距離達(dá)4 433 m。該隧道主要為花崗巖地質(zhì)，透水性差，地?zé)釡囟容^高，最大埋深426 m，施工過程中產(chǎn)生的煙塵、有毒有害氣體及開挖、支護(hù)過程中圍巖及混凝土釋放的熱量均難以及時(shí)有效排出，洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境較差，施工安全和進(jìn)度面臨極大風(fēng)險(xiǎn)和壓力。因此如何解決該斜井施工期間的通風(fēng)問題，成為該課題研究的核心。

2 通風(fēng)方案研究

2.1 技術(shù)方案比選

烏豐斜井通風(fēng)設(shè)計(jì)，首先擬采用常規(guī)管道洞口壓入式通風(fēng)方案。

2.1.1 常規(guī)洞口壓入式通風(fēng)方式

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)規(guī)定[1]，風(fēng)量計(jì)算主要從四個(gè)方面考慮。經(jīng)計(jì)算后，取四者中最大值。再考慮風(fēng)管的損失率，即可確定洞內(nèi)所需的總供風(fēng)量Q，從而確定風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)管直徑。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

經(jīng)計(jì)算可知，隧道工作面需風(fēng)量影響最大的因素為:洞內(nèi)作業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的廢氣稀釋所需風(fēng)量[2]。

根據(jù)上述參數(shù)分別計(jì)算出斜井段風(fēng)量3 019 m3/min，風(fēng)壓 4 533 Pa；正洞段風(fēng)量 4 096 m3/min，風(fēng)壓10 421 Pa。風(fēng)機(jī)選型見表2。

表2 風(fēng)機(jī)選型

按此通風(fēng)方式，若要滿足正洞正常施工通風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量和風(fēng)壓均非常大，所需風(fēng)管直徑需要達(dá)到1.8～2 m。若采用1.8 m風(fēng)管，風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到極限狀態(tài)，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，風(fēng)機(jī)功效必然下降，洞內(nèi)通風(fēng)將很難達(dá)到要求。若采用2 m直徑的通風(fēng)管，需要擴(kuò)大斷面尺寸才能滿足正常的通風(fēng)需求。

另外單線隧道本身斷面小，襯砌臺車風(fēng)管穿行孔僅能滿足1.8 m直徑風(fēng)管通過，若采用2.0 m直徑風(fēng)管，需從臺車行車通道穿過，這樣對洞內(nèi)施工運(yùn)輸及設(shè)備通行影響非常巨大，一旦出渣通風(fēng)就無法開啟，因此無法滿足要求。

若采用接力通風(fēng)方式，則存在以下幾個(gè)問題:

(1)接力通風(fēng)未考慮洞口風(fēng)機(jī)的風(fēng)量損失，但在實(shí)際使用過程中不可能沒有風(fēng)量損失，那么實(shí)際上接力風(fēng)機(jī)所獲取的新鮮空氣量是不足的[3]。

(2)接力通風(fēng)正是由于洞口風(fēng)機(jī)存在風(fēng)量損失，因此在接力過程中，必須采用斷開串聯(lián)方式，否則將會在串聯(lián)口形成負(fù)壓區(qū)，若采用風(fēng)管與串聯(lián)風(fēng)機(jī)相連，會造成風(fēng)管破損，從而影響通風(fēng)。

(3)由于串聯(lián)風(fēng)機(jī)采用斷開串聯(lián)方式，并且新鮮空氣不足，必然會造成串聯(lián)風(fēng)機(jī)吸入大量的污濁空氣，這樣掌子面的空氣將會變得更加污濁。整個(gè)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量也會變得很差。長期吸入污濁空氣，對風(fēng)機(jī)性能也會帶來極大傷害，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障率升高，維修保養(yǎng)困難。

(4)串聯(lián)風(fēng)機(jī)能耗高，效果差，給洞內(nèi)安全管理將會帶來極大隱患。

綜上所述，接力通風(fēng)無法滿足施工要求。

2.1.2 豎井通風(fēng)方案

2.1.2.1 方案研究

根據(jù)上述常規(guī)壓入式通風(fēng)計(jì)算可知，縮短通風(fēng)距離是滿足掌子面通風(fēng)量和通風(fēng)壓力最直接、最有效的方式[4]。因此考慮在 XDK0＋700X～DK0＋850段增設(shè)一座通風(fēng)豎井，作為新鮮空氣進(jìn)入的通道，那么掌子面的通風(fēng)距離將被縮短1 600 m左右，正洞施工最遠(yuǎn)通風(fēng)距離為2 833 m。

擬采用二階段通風(fēng)措施:第一階段為斜井施工階段，長度2 414 m，可以按照原設(shè)計(jì)從洞口壓入式通風(fēng)來進(jìn)行選型。通過豎井位置且進(jìn)入正洞后，改用第二階段通風(fēng)方案[5]。通風(fēng)方式采用豎井連接風(fēng)室，引入新鮮空氣，在風(fēng)室里設(shè)置風(fēng)機(jī)架，分別采用雙排通風(fēng)管接入到左右兩側(cè)的施工掌子面。

經(jīng)計(jì)算，正洞施工段需風(fēng)量4 223 m3/min，風(fēng)機(jī)壓力5 227 Pa。最終正洞風(fēng)機(jī)選型見表3。

表3 正洞風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)計(jì)算采用增設(shè)通風(fēng)豎井，正洞段通風(fēng)可采用4×110 kW的風(fēng)機(jī)，1.8 m直徑風(fēng)管可滿足正洞內(nèi)供風(fēng)量要求。斜井中部根據(jù)需要，適當(dāng)增加2組射流式風(fēng)機(jī)抽出至斜井洞外[6]。

2.1.2.2 豎井直徑的選擇

豎井直徑應(yīng)根據(jù)作業(yè)面通風(fēng)量計(jì)算來確定，進(jìn)入正洞后單側(cè)掌子面最大供風(fēng)量為3 019 m3/min，風(fēng)室提供風(fēng)量是其2倍，即6 038 m3/min，根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》風(fēng)速驗(yàn)算公式，，其中V為巷道允許最大風(fēng)速，取V＝15 m/s，算出S＝6.71 m2，得出豎井直徑D＝3 m。豎井與斜井結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 豎井平面示意(單位:cm)

圖2 豎井立面示意(單位:cm)

因此采用豎井來縮短通風(fēng)距離，從方案上看是可行的。

2.2 經(jīng)濟(jì)性比選

采用常規(guī)壓入式通風(fēng)方式與采用豎井分階段通風(fēng)方式，從經(jīng)濟(jì)上來對比，見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)比選

該增設(shè)豎井通風(fēng)方案與常規(guī)通風(fēng)方案比選邀請了國內(nèi)知名專家深入研究并提出評審意見，認(rèn)為烏豐斜井施工線路長，線形轉(zhuǎn)彎多，地質(zhì)復(fù)雜，對洞內(nèi)施工環(huán)境影響較大，采用接力通風(fēng)效果差，能耗高，且管理難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，不建議采用接力通風(fēng)；一致認(rèn)為增加通風(fēng)豎井是很有必要的。

3 豎井施工

3.1 豎井位置選址

要合理地選擇豎井平面位置，首先應(yīng)避開隧道斷裂帶，避免大量裂隙水進(jìn)入斜井工區(qū)洞內(nèi)；其次豎井平面位置不得設(shè)置在斜井洞身斷面內(nèi)，應(yīng)離開斜井平面不小于10 m，采用增加橫洞連接豎井。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)查，計(jì)劃在斜井XDK0＋835往正洞方向右側(cè)15 m的位置設(shè)置一座豎井，地面進(jìn)口與斜井洞底的高差約210 m。

3.2 豎井施工方法

一般具有出渣條件的豎井會采用“反井法”[7]，反井鉆法主要有利于出渣，分為導(dǎo)孔鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)兩個(gè)階段。反井鉆施工示意見圖3[8]。

圖3 反井鉆作業(yè)示意

反井鉆機(jī)施工具有速度快、安全保障度較高等特點(diǎn)[9]。在反井鉆機(jī)施工過程中，導(dǎo)孔垂直度控制是關(guān)鍵，需不斷修正糾偏。要注意搭設(shè)穩(wěn)定的鉆井平臺，主機(jī)安裝精確，并合理配置穩(wěn)定鉆桿，合理控制鉆進(jìn)參數(shù)。導(dǎo)孔施工時(shí)排碴應(yīng)采用泥漿泵將高壓洗井液注入鉆桿內(nèi)，再從鉆頭的排水孔反向壓出，擴(kuò)孔時(shí)的石碴經(jīng)過冷卻水的沖刷，靠自重墜落到斜井內(nèi)，運(yùn)出洞外[10]。工藝流程見圖4。

圖4 反井鉆機(jī)施工工藝流程

3.3 豎井施工進(jìn)度計(jì)劃

根據(jù)工程技術(shù)特性，選用型號為 TR2000型的反井鉆機(jī)施工。按照整體施工計(jì)劃安排，反井鉆導(dǎo)孔每天進(jìn)尺10 m，導(dǎo)孔施工約需21 d；反井鉆擴(kuò)挖進(jìn)度按每天約6 m，豎井主體施工周期約35 d；組裝、安裝刀盤3 d，拆機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)3 d，風(fēng)室施工周期約20 d；完成豎井施工共需82 d。應(yīng)在斜井施工進(jìn)入正洞前完成豎井通風(fēng)方案切換，銜接好工期。

3.4 風(fēng)室設(shè)計(jì)

考慮風(fēng)管的布置條件和通風(fēng)損失因素，采用22°斜交角度，擴(kuò)挖橫通道處理。風(fēng)室平面尺寸為長22 m，寬度5 m，高度不低于斜井洞身。主要考慮安置2臺高壓風(fēng)機(jī)。風(fēng)室外露面采用鋁塑板全封閉。

4 斜井段通風(fēng)施工注意事項(xiàng)

4.1 管線的整體布置

烏豐斜井管線布置采用角鋼支架交織有序地布置在側(cè)墻上。施工電線、電纜在已澆筑完二襯混凝土拱墻段采用絕緣掛鉤固定，為防止溜車剮蹭，電線布設(shè)高度必須比運(yùn)輸車輛高，一般運(yùn)輸車輛高度3.5 m，動力線高度3.9 m，照明線高度3.6 m；風(fēng)袋吊掛位置距離仰拱填充面6.15 m，風(fēng)管直徑為1.8 m，風(fēng)袋底面距離仰拱填充面4.65 m左右；不會碰到動力線，高壓水管、風(fēng)管、排水管采用支架固定于邊墻上，具體現(xiàn)場布置見圖5。

圖5 隧道施工現(xiàn)場綜合布置

風(fēng)管安裝應(yīng)平直、圓順、穩(wěn)定、牢靠。通風(fēng)管路轉(zhuǎn)彎處應(yīng)安設(shè)剛性彎頭，即在轉(zhuǎn)彎處做成彎頭風(fēng)筒圓順過渡，里面加鋼圈，增加剛度，兩端采用拉鏈與直線段風(fēng)管順接[11]。并且彎度平緩，以減小風(fēng)阻。通風(fēng)管穿過襯砌臺車，放于臺車的橫梁上，通過防水板臺架時(shí)置于二襯內(nèi)側(cè)，并采用φ22螺紋鋼定位，鋼架上綁鐵絲，再由鐵絲成環(huán)型固定風(fēng)管。

4.2 通風(fēng)基站的安裝

通風(fēng)機(jī)距離洞門應(yīng)在30 m左右，出風(fēng)口距掌子面保持在30 m左右，風(fēng)機(jī)門架材料采用 20工字鋼，由5榀鋼架組合而成。門架頂面采用角鋼焊接風(fēng)機(jī)檢修平臺，門架側(cè)面采用角鋼或不小于φ20螺紋鋼筋焊接風(fēng)機(jī)檢修上下爬梯。通風(fēng)機(jī)門架頂面以及檢修平臺頂面鋪設(shè)φ14螺紋鋼鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm。

5 通風(fēng)管理

安排通風(fēng)管理專職人員在隧道進(jìn)出口及風(fēng)室，負(fù)責(zé)通風(fēng)系統(tǒng)的管理、設(shè)備檢修、測試風(fēng)速、風(fēng)壓等工作。還應(yīng)對現(xiàn)場通風(fēng)效果進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果及時(shí)對通風(fēng)系統(tǒng)作局部調(diào)整，保證洞內(nèi)有害氣體濃度在通風(fēng)30 min后分別降到容許值之下。

6 結(jié)束語

通過揭惠鐵路百吉嶺隧道烏豐斜井施工通風(fēng)設(shè)計(jì)多種方案的研究和比選，選擇利用了壓入式通風(fēng)結(jié)合豎井通風(fēng)的方案。實(shí)踐證明，該方案可行且比較成功。豎井不但可作為施工期間通風(fēng)降溫使用，也可作為鐵路運(yùn)營后的通風(fēng)和緊急通道使用，節(jié)省了施工成本，縮短了工期，達(dá)到了良好的通風(fēng)效果，對以后長大隧道設(shè)計(jì)及施工有很好的借鑒作用。