隧道獨頭掘進長距離通風(fēng)施工技術(shù)研究

陳孝松

（中鐵廣州工程局集團第二工程有限公司，廣東 廣州 510899）

1 工程概況

貴南鐵路斗篷山二號隧道位于貴州省黔南州都勻市境內(nèi)，設(shè)計時速350km，單洞雙線，隧道全長7805m。全隧為單面坡，坡度為20.5‰，最大埋深約287m。隧址區(qū)屬侵蝕、溶蝕中低山地貌，隧道穿越山脈，山脊呈北東向延伸。洞身穿越石英砂巖夾灰?guī)r、頁巖偶夾赤鐵礦以及灰?guī)r夾砂巖、頁巖偶夾赤鐵礦地層。

斗篷山二號隧道分進口工區(qū)、橫洞工區(qū)和出口工區(qū)三個工區(qū)，進口工區(qū)承擔(dān)正洞施工長度2021m，橫洞工區(qū)承擔(dān)正洞施工長度4071m 及橫洞通道532m，出口工區(qū)承擔(dān)正洞施工長度1713m，該隧道各工區(qū)具體劃分見圖1。

圖1 隧道各工區(qū)具體劃分

2 通風(fēng)方案選擇

隧道通風(fēng)是隧道施工過程中的一項重要工序，通風(fēng)質(zhì)量決定施工效率和施工安全。斗篷山二號隧道橫洞工區(qū)最長獨頭通風(fēng)距離為3100m，科學(xué)的通風(fēng)設(shè)計、合理的設(shè)備選擇是實現(xiàn)良好通風(fēng)效果的基礎(chǔ)，而良好的通風(fēng)效果是保證隧道施工進度、施工安全和作業(yè)人員身心健康的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)隧道通風(fēng)一般采用管道通風(fēng)和巷道通風(fēng)技術(shù)，巷道通風(fēng)必須具備平行通風(fēng)巷道（該項目不適用）。管道通風(fēng)一般采用壓入式、吸出式和混合式等三種方式。

上述三種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點見表1。

表1 三種通風(fēng)方式優(yōu)缺點

隧道施工主要作業(yè)區(qū)域為隧道掌子面開挖處和距掌子不足200m 處（采用二次襯砌施工方法），其余區(qū)域為車輛運輸通行，對空氣質(zhì)量要求不高，采取壓入式通風(fēng)可滿足通風(fēng)需求，而且可以采用柔性風(fēng)筒降低施工成本。

為便于對通風(fēng)設(shè)備的安裝及維護，該項目采用一站式通風(fēng)系統(tǒng)，一站式通風(fēng)是指僅在洞口設(shè)置1 個通風(fēng)站，中途不安裝接力風(fēng)機，直接將新鮮風(fēng)送至工作面。一站式通風(fēng)設(shè)備安裝簡便，但對洞口風(fēng)機的風(fēng)壓要求較高，其布置見圖2。

圖2 通風(fēng)設(shè)備布置圖

3 隧道通風(fēng)風(fēng)量計算

因為有2 個掌子面，計算風(fēng)量時獨頭掘進長度取最大值，即3100m。

3.1 按允許回風(fēng)風(fēng)速計算風(fēng)量

式（1）中：Q——計算風(fēng)量，單位為m/s；

S——最大斷面面積，取154m；

V——洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，根據(jù)規(guī)范取0.25m/s。

則：Q＝154×0.25＝38.5m/s

3.2 按內(nèi)燃機械設(shè)備總功率計算供風(fēng)量

使用內(nèi)燃機動力設(shè)備時，隧道的通風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)⒃O(shè)備所排出的廢氣全部稀釋和排出。目前多按照內(nèi)燃機額定系數(shù)計算，該工程洞按每kW 供風(fēng)量不小于3m/min 計算。

式（2）中：N——內(nèi)燃機功率，單位為kW；

K——洞內(nèi)出碴時使用內(nèi)燃機每kW 所需風(fēng)量，取3m/min；

結(jié)合隧道斷面、地質(zhì)水文條件，綜合考慮各種工況組合情況，洞內(nèi)出碴時掌子面使用的內(nèi)燃機最多，按4 臺自卸汽車（150kW）、2 臺ZLC50B 裝載機（160kW），3 臺罐車（200kW），重載100%、空載50%、怠速30%三種工況計算，總功率約為912kW。

則：Q＝3×912kW=2736m/min/60=45.6m/s

3.3 風(fēng)機供風(fēng)流量及掌子面供風(fēng)量確定

由前面計算結(jié)果知：Q=Q=45.6m/s，

式（3）中：Q——風(fēng)機供風(fēng)量，單位為m/s；

Q——掌子面供風(fēng)量，單位為m/s；

L——通風(fēng)管長度，3100m；

β——百米漏風(fēng)率，取1.0%；

則：Q=45.6/(1-0.01)=62.3m/s=3738m/s

結(jié)論：根據(jù)計算結(jié)果，選擇供風(fēng)量為3738m/min的風(fēng)機才能滿足正洞施工通風(fēng)需求。

4 風(fēng)機風(fēng)壓

通風(fēng)機應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即h＞h，按下式計算：

式（4）中：①管口動壓h一般可考慮為50Pa。

②沿程壓力損失計算：

式（5）中：α——風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)，取α =3×10kg.s/m；

L——風(fēng)管長度，取3100m；

U——風(fēng)管周邊長，π×D=6.9115m；

Q——計算掌子面所需風(fēng)量，取45.6m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s；

S——風(fēng)管截面積，π×D/4=3.8013m；

D——風(fēng)管直徑，2.2m；

③局部壓力損失，按沿程壓力損失的10% 估算：h=h×10%=326Pa

結(jié)論：供風(fēng)壓力超過3632Pa 的風(fēng)機能滿足施工要求。

5 風(fēng)筒選擇

該項目中的風(fēng)筒采用瑞典SWEDFAN 進口原材料，風(fēng)筒直徑φ2.2m，風(fēng)筒基布采用聚酯材質(zhì)（表面涂塑化PVC），風(fēng)筒所有接縫、接頭均全密封式焊接（見圖3）。風(fēng)管采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，接頭處內(nèi)外層均有密封保護層，管內(nèi)壓力越高接頭處密封越緊密，確保不漏風(fēng)。經(jīng)現(xiàn)場試驗測量，風(fēng)機出口流量和掌子面風(fēng)管末端（見圖4）流量完全一致。

圖3 破碎處快速修補帶

圖4 風(fēng)筒末端縮口

在供風(fēng)量相同的情況下，大直徑的風(fēng)筒阻力遠(yuǎn)小于小直徑的風(fēng)筒。因此，根據(jù)隧道斷面大小，在保證隧道下部空間合理的情況下，盡可能選擇直徑較大的風(fēng)筒。在風(fēng)機的選擇上，可選擇供風(fēng)風(fēng)壓小、設(shè)備功率小的風(fēng)機，長期運行能夠節(jié)約大量電費，使用費用也相對較低。

6 風(fēng)機選擇

根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓計算結(jié)果和現(xiàn)場設(shè)備情況，斗篷山二號隧道橫洞工區(qū)在洞口安裝一臺瑞典SWEDFAN 型 號2×AVH-R160.160.4.8（2×160kW）高壓軸流通風(fēng)機（見圖5），最大風(fēng)壓可達(dá)5400Pa，最大供風(fēng)量67m/s。

圖5 高壓軸流通風(fēng)機

7 單臺風(fēng)機負(fù)責(zé)兩個作業(yè)面

一般來說，鉆爆的隧道可以通過以下工作形成一個循環(huán)：爆破之后是出渣、出渣完成后進行打眼撬矛和裝藥。爆破之后，風(fēng)機調(diào)至全速，確保炮煙盡快排出（通常需要20～40min），炮煙一旦清除，出渣時風(fēng)機全速運行來稀釋洞內(nèi)的柴油尾氣及其他污染物（此過程通常需要90～150min）。出渣后是打眼裝藥的工作，此項工作需求風(fēng)量很小。在打眼撬矛裝藥時，風(fēng)速可以降低一些（此過程通常需要180～240min），見圖6。

圖6 風(fēng)機工作循環(huán)時間

一臺風(fēng)機負(fù)責(zé)兩個作業(yè)面：一個作業(yè)面爆破、出渣；另一個作業(yè)面鑿巖、裝藥、打眼等；在橫洞與正洞交叉口位置安裝兩個控制、調(diào)節(jié)流量的風(fēng)門，實現(xiàn)兩個作業(yè)面交替作業(yè)，以大大降低成本。

鑿巖、裝藥、打眼等輔助工作對風(fēng)量的需求很低，風(fēng)量能需滿足作業(yè)人員的安全即可。鑿巖、裝藥作業(yè)人員按照100 人考慮，每人消耗新鮮空氣3m/min，總計消耗新鮮空氣為100×3=300m/min。

8 關(guān)鍵技術(shù)及取得的成果

當(dāng)前，我國的長大隧道數(shù)量急劇增加，且多采用無軌運輸施工技術(shù)，無輔助坑道條件下的長距離獨頭掘進施工通風(fēng)則成為制約施工進度的難題。由于長距離獨頭掘進施工的特殊性，對通風(fēng)效果、用電量與隧道開挖長度的臨界值的研究尚有較大空間。因此，國內(nèi)外研究者對隧道獨頭掘進長距離通風(fēng)進行了廣泛的研究。

8.1 關(guān)鍵技術(shù)

采用先進的新型通風(fēng)設(shè)備和風(fēng)管保證掌子面的風(fēng)壓和風(fēng)量，以改善掌子面作業(yè)環(huán)境，減少有害氣體、粉塵等對施工作業(yè)人員身體的危害，減少施工機械設(shè)備磨損，提高機械設(shè)備運轉(zhuǎn)效率、有效提高電能利用率；節(jié)能減排、環(huán)境保護；降低施工成本。

8.2 取得成果

改善施工環(huán)境，提高施工效率，縮短工序循環(huán)時間，加快施工進度。風(fēng)機調(diào)至全速，將炮煙排出僅需30min，較傳統(tǒng)風(fēng)機節(jié)省20min，平均每循環(huán)較傳統(tǒng)方式快48min。

通過自動調(diào)節(jié)不同工序的供風(fēng)量及供風(fēng)時間，大大節(jié)約了成本。對比斗篷山二號隧道進口（1 個掌子面，通風(fēng)距離2021m）和斗篷山二號隧道橫洞（2 個掌子面，通風(fēng)距離3100m、2036m）同周期采集的用電量：

表2 貴南2 標(biāo)斗篷山二號隧道通風(fēng)對比

斗篷山二號隧道橫洞工期為42 個月，電費價格按0.85 元/度計算，采用柯迪發(fā)一站式通風(fēng)系統(tǒng)，累計可節(jié)省費用142.9 萬元。

9 結(jié)語

總而言之，采用隧道通風(fēng)新設(shè)備，可為隧道施工提供行之有效的隧道獨頭掘進長距離通風(fēng)解決方法和經(jīng)驗，幫助企業(yè)和項目部贏得良好的社會聲譽及業(yè)主的好評。