白龍江引水工程六盤山深埋長隧洞通風散煙設(shè)計研究

張 恒

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

對于深埋長隧洞，解決施工期長距離通風是一項關(guān)鍵技術(shù)，既保證施工期通風效果又能使隧洞經(jīng)濟合理是施工過程中比較難解決的矛盾。

六盤山隧洞是白龍江引水工程較長的深埋隧洞，隧洞進口位于水洛河左岸莊浪縣李家坪村，線路穿越六盤山主峰后到達華亭市策底鎮(zhèn)附近出洞，隧洞全長55.929km，采用無壓輸水，斷面為圓形，襯砌后直徑為4.6m。該隧洞采用“TBM+鉆爆法+懸臂掘進機”的組合施工方案，TBM掘進段獨頭通風距離19430m，鉆爆法施工段獨頭通風距離2500m，由于隧洞海拔高、獨頭通風距離長及施工工期長等因素，對隧洞斷面尺寸擬定、通風方案、風機設(shè)備選擇都帶來了一定難度。

六盤山隧洞施工支洞布置如圖1所示。

圖1 六盤山隧洞施工支洞布置圖

2 六盤山隧洞通風方案分析

根據(jù)該隧洞施工布置和施工方案選擇，隧洞全線共布設(shè)9條施工支洞，主要用于隧洞施工期出渣、材料運輸兼通風散煙，初步擬定隧洞通風方案為：隧洞進口段采用鉆爆法處理，通過進口工作面獨頭最大通風長度2.5km，隧洞進口作為通風口；1#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.97km，1#施工豎井作為通風口；2#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.74km，2#施工豎井作為通風口；3#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為2.04km，3#施工豎井作為通風口；4#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為2.22km，4#施工豎井作為通風口；5#施工平洞控制段獨頭最大通風長度為3.915km，5#施工平洞作為通風口；6#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.29km，6#施工豎井作為通風口；7#施工平洞控制段為TBM1和鉆爆綜合施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為1.0km，TBM1掘進最大獨頭通風距離為19.43km，7#施工平洞作為通風口；8#施工斜井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為1.92km，TBM2掘進最大獨頭通風距離為5.94km，8#施工斜井作為通風口；9#施工豎井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為0.167km，TBM2掘進最大獨頭通風距離為8.567km，9#施工豎井作為通風口；隧洞出口段采用TBM2和鉆爆法施工，最大獨頭通風距離為7.38km，隧洞出口作為通風口。六盤山隧洞通風散煙均采用壓入式通風方式。

六盤山隧洞通風方案見表1。

表1 六盤山隧洞通風方案 單位：m

3 六盤山隧洞通風公式選擇

3.1 百米漏風率公式

風機供風量按日本青函隧道公式計算：

(1)

式中，Qf—通風機供風量，m3/min；Q0—TBM工作面需風量，m3/min；β—風管百米漏風率平均值，取0.6%；L—通風管長度，m。

3.2 通風機全壓公式

風機全壓計算公式如下:

(2)

式中，Hf—風機全壓，Pa；λ—摩擦系數(shù)，選用S級風管，λ=0.015；d—通風管直徑，m；β—風管百米漏風率平均值；ρ—空氣密度(與洞口高程相關(guān))，kg/m3；L—風管長度，m；Q0—風機工作點風量，m3/s。

3.3 通風機功率公式

通風機輸入功率計算公式如下：

(3)

式中，N—通風機輸入電功率，kW；ηt—風機全壓效率，取0.82；ηm—電動機效率，取0.93；ηtr—傳動效率，直聯(lián)時取1.0；其余變量含義同前文所述。

4 六盤山隧洞通風計算

4.1 鉆爆法施工段通風計算

4.1.1通風計算原則

鉆爆法施工段通風計算中，參數(shù)選擇應遵循以下原則。

(1)按照爆破后，30min內(nèi)稀釋一氧化碳濃度至最高允許范圍考慮爆破排煙需風量。

(2)應滿足洞內(nèi)施工人員對風量的需要，施工期通風施工人員需風量按3m3/(min·人)計。

(3)主洞內(nèi)采用鉆爆法施工時，掌子面考慮采用挖掘機扒渣，裝載機裝渣，自卸汽車運渣的出渣方式，洞內(nèi)通風需滿足施工機械對新鮮風量的需要，根據(jù)規(guī)范，結(jié)合本工程實際，隧洞內(nèi)柴油機械需風量按4.08m3/(min·kW)考慮；

(4)為保證通風質(zhì)量，掌子面處最小回風速度按0.15m/s考慮。

4.1.2工作面需風量計算

洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所用的需風量計算公式為：

Qp=kpqpN

(4)

式中，Qp—隧洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所需要的總風量，m3/min；qp—作業(yè)人員需風量標準，取3m3/(min·人)；kp—施工人員所需風量修正系數(shù)，取1.35；N—洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)，取60人。

經(jīng)計算，洞內(nèi)作業(yè)人員需風量為：Qp=243m3/min。

洞內(nèi)采用無軌運輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，工作面考慮施工高峰期需要的內(nèi)燃機械使用情況為：挖掘機1臺(功率110kW)，裝載機裝載機1臺(功率為162kW)，汽車5臺(每臺功率為180kW，洞內(nèi)同時工作3臺)，總功率為812kW。按稀釋洞內(nèi)內(nèi)燃機車廢氣計算需風量，柴油機械需風量計算公式為：

Qm=∑βP/K

(5)

式中，Qm—柴油機械需風量，m3/min；β—內(nèi)燃機產(chǎn)生的有害氣體，按照有凈化裝置機械產(chǎn)生的CO氣體為9×10-5(m3/min·kW)；P—柴油機械總功率，kW；K—允許濃度，取0.008%。

經(jīng)計算，掌子面處的需風量為：Qm=914m3/min。

按爆破后稀釋CO濃度至一次性允許范圍計算需風量：

(6)

式中，Qb—稀釋CO濃度所需的需風量，m3/min；t—爆破排煙所需的時間，取t=30min；G—同時爆破炸藥用量，圍巖級別按Ⅲ級考慮，每循環(huán)最大進尺按3.5m計，正洞單位裝藥量取0.95kg/m3；A—隧洞橫斷面面積，m2；L—掌子面滿足下一循環(huán)施工的長度，取L=300m。

經(jīng)計算，掌子面爆破排煙需風量為：Qb=656m3/min。

洞內(nèi)允許最低風速所需風量計算公式為：

Qv=Av

(7)

式中，Qv—按允許最低風速計算的需風量，m3/min；v—允許最低風速，0.5m/s；其余變量含義同前文所述。

經(jīng)計算，滿足洞內(nèi)最小風速要求的需風量為：Qv=793m3/min。

4.1.3通風計算結(jié)果

鉆爆法施工，洞內(nèi)最終需風量Q=max{Qp、Qm、Qb、Qv}=914m3/min，按照壓入式供風方式，計算得六盤山隧洞鉆爆法施工時風機風壓和功率結(jié)果見表2。

4.2 TBM施工段通風計算

4.2.1風管直徑擬定

六盤山長隧洞樁號22+272.77m～37+272.77m段采用TBM1施工，樁號37+272.77m～57+951.44m段采用TBM2施工。內(nèi)燃機車、電瓶機車尺寸寬×高按1.2m×1.8m考慮，錯車道岔選擇加利福尼亞道岔，道岔高度按500mm(自隧洞軌面至道岔軌面的距離)考慮，錯車處相鄰列車間距不小于250mm，列車與兩側(cè)洞壁、頂部風筒的間距不小于300mm，通風管懸吊及下垂高度按200mm考慮，通風管安全距離按300mm考慮，以此確定通風管直徑為1.6m。

六盤山隧洞斷面布置如圖2所示。

圖2 六盤山隧洞斷面布置(單位：mm)

4.2.2通風計算參數(shù)

(1)主洞內(nèi)擬采用內(nèi)燃機車牽引列車時，每臺內(nèi)燃機車功率取150kW，采用電瓶車牽引列車時不考慮需風要求。

(2)支洞擬采用MSV多功能運輸車運輸，施工期應考慮支洞柴油機械設(shè)備的通風需求。

(3)施工期通風施工人員需風量按m3/(min·人)計。

(4)根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本工程實際，隧洞內(nèi)柴油機械需風量按4.08m3/(min·kW)考慮。

(5)為保證通風質(zhì)量，洞內(nèi)最小風速取0.50m/s。

(6)施工期施工人員需風量、柴油機械通風量高程修正系數(shù)。六盤山隧洞進出口高程分別為1552.24和1525.37m，施工支洞進口高程為1650～1875m，根據(jù)SL 642—2013《水利水電地下工程施工組織設(shè)計規(guī)范》要求，工程大于1000m時，施工人員需風量高程修正系數(shù)為1.3～1.5。

綜合考慮工程區(qū)高程，計算確定施工人員需風量高程修正系數(shù)為1.34，洞內(nèi)柴油機械需風量高程修正系數(shù)為1.66。

4.2.3工作面處需風量計算

洞內(nèi)施工作業(yè)人員需風量計算公式同鉆爆法，洞內(nèi)按70人考慮，經(jīng)計算，洞內(nèi)作業(yè)人員需風量為284m3/min。

TBM施工主洞主要運輸車輛為可以采用全內(nèi)燃機車或內(nèi)燃機車與電瓶車混合運輸，內(nèi)燃機車每臺功率按150kW考慮，電瓶車不存在排煙問題，不必考慮通風。洞內(nèi)柴油機械需風量計算公式為：

Qd=∑qdkePdi

(8)

式中，Qd—柴油機械需風量，m3/min；qd—單位功率需風量指標，4.08m3/(min·kW)；Pdi—柴油機械功率，kW；ke—柴油機械高程系數(shù)，取1.61。

考慮到內(nèi)燃機車為移動柴油機械，故不能簡單地作為工作面需風機械，因其尾氣沿程排放，因此，主洞通風需要的是洞內(nèi)風的流動。同時考慮列車在洞內(nèi)運輸時的活塞作用，此通風量可計入工作面需風量。采用全內(nèi)燃機車牽引列車運輸時，每臺內(nèi)燃機功率取150kW，工作面處按2臺內(nèi)燃機車考慮，功率利用系數(shù)取0.6，同時工作系數(shù)取0.6，以此計算工作面處內(nèi)燃機車需風量。經(jīng)計算，工作面處的需風量為709m3/min。

滿足洞內(nèi)最小風速要求的需風量計算公式同鉆爆法，隧洞開挖襯砌完之后的內(nèi)徑按擬定的4.6m考慮，經(jīng)計算，最低需風量為520m3/min。

4.2.4通風方案選擇

方案一：全內(nèi)燃機車運輸，施工供風一次供至工作面處，風機不接力

洞內(nèi)運輸全采用內(nèi)燃機車運輸，供風機布置在TBM始發(fā)的主洞洞口或施工支洞洞口，中間不采用風機接力，通過風機將洞內(nèi)需風從洞口直接壓至掌子面附近，以滿足洞內(nèi)施工要求。工作面處需風量按兩臺內(nèi)燃機車同時工作考慮，內(nèi)燃機功率利用系數(shù)取0.6，同時工作系數(shù)取0.6，洞內(nèi)TBM運行機制和運輸方式暫按同一標準考慮，洞內(nèi)工作面處的需風量取工作人員需風量+內(nèi)燃機車需風量與最小回風速度需風量二者最大值，工作人員需風量+內(nèi)燃機車需風量為993m3/min，以最小回風速度計算的需風量為520m3/min，因此，工作面處的最小需風量為993m3/min。

方案一風機供風量及風機計算成果見表3。

表3 方案一風機供風量及風機計算成果

方案二：1臺內(nèi)燃機+1臺電瓶車雙機車運輸，供風一次供至工作面處，風機不接力

該方案除洞內(nèi)牽引機車由兩臺內(nèi)燃機車變?yōu)橐慌_內(nèi)燃機車+一臺電瓶車雙機車牽引列車外，其余條件均與方案一中保持一致。工作面處全部采用蓄電池機車卸車、組車，工作面處不考慮內(nèi)燃機車需風量。工作面處施工人員需風量為284m3/min，以洞內(nèi)最小風速計算的需風量為520m3/min，取二者的最大值520m3/min作為洞內(nèi)總需風量。

方案二風機供風量及風機計算成果見表4。

表4 方案二風機供風量及風機計算成果

國內(nèi)長距離引水隧洞采用TBM施工工藝中，多采用雙機車進行洞內(nèi)材料運輸，六盤山隧洞通風推薦采用方案二。

4.2.5通風風機配置

風機安裝在主洞或施工支洞口外距洞口30m以上，以避免洞內(nèi)排出的污風循環(huán)進入風機。風機出口設(shè)30～50m鋼風管與柔性風管過渡，以避免風機啟動時沖擊損壞風管。

六盤山隧洞TBM段施工通風系統(tǒng)配置見表5。

表5 六盤山隧洞TBM段施工通風系統(tǒng)配置

5 結(jié)語

對長距離TBM施工隧洞而言，通風散煙既是施工難點，也是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因此，確定合理的通風參數(shù)尤為重要。白龍江引水工程六盤山隧洞由于受環(huán)境制約，中間無法布置通風支洞，TBM掘進段獨頭最大通風距離達19.43km，為降低了工作面需風量，洞內(nèi)運輸采用了電瓶車和內(nèi)燃機車的雙機車運輸方案，并經(jīng)過計算，工作面需風量、風機風壓和功率均能得到解決，最終達到安全生產(chǎn)和經(jīng)濟合理的目的。該工程目前為可研論證階段，尚未實施，六盤山隧洞的施工布置和通風散煙設(shè)計將隨著項目的推進進一步細化論證，逐步達到最佳效果。