陳孝松
(中鐵廣州工程局集團(tuán)第二工程有限公司,廣東 廣州 510899)
貴南鐵路斗篷山二號(hào)隧道位于貴州省黔南州都勻市境內(nèi),設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)隧道分進(jìn)口工區(qū)、橫洞工區(qū)和出口工區(qū)三個(gè)工區(qū),進(jìn)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
隧道通風(fēng)是隧道施工過程中的一項(xiàng)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(hào)隧道橫洞工區(qū)最長獨(dú)頭通風(fēng)距離為3100m,科學(xué)的通風(fēng)設(shè)計(jì)、合理的設(shè)備選擇是實(shí)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(jìn)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(xiàng)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(diǎn)見表1。
表1 三種通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)
隧道施工主要作業(yè)區(qū)域?yàn)樗淼勒谱用骈_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?yàn)檐囕v運(yùn)輸通行,對(duì)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(duì)通風(fēng)設(shè)備的安裝及維護(hù),該項(xiàng)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(gè)通風(fēng)站,中途不安裝接力風(fēng)機(jī),直接將新鮮風(fēng)送至工作面。一站式通風(fēng)設(shè)備安裝簡(jiǎn)便,但對(duì)洞口風(fēng)機(jī)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
因?yàn)橛? 個(gè)掌子面,計(jì)算風(fēng)量時(shí)獨(dú)頭掘進(jìn)長度取最大值,即3100m。
式(1)中:Q——計(jì)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
使用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力設(shè)備時(shí),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(jī)額定系數(shù)計(jì)算,該工程洞按每kW 供風(fēng)量不小于3m/min 計(jì)算。
式(2)中:N——內(nèi)燃機(jī)功率,單位為kW;
K——洞內(nèi)出碴時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)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(shí)掌子面使用的內(nèi)燃機(jī)最多,按4 臺(tái)自卸汽車(150kW)、2 臺(tái)ZLC50B 裝載機(jī)(160kW),3 臺(tái)罐車(200kW),重載100%、空載50%、怠速30%三種工況計(jì)算,總功率約為912kW。
則:Q=3×912kW=2736m/min/60=45.6m/s
由前面計(jì)算結(jié)果知:Q=Q=45.6m/s,
式(3)中:Q——風(fēng)機(jī)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(jì)算結(jié)果,選擇供風(fēng)量為3738m/min的風(fēng)機(jī)才能滿足正洞施工通風(fēng)需求。
通風(fēng)機(jī)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(jì)算:
式(4)中:①管口動(dòng)壓h一般可考慮為50Pa。
②沿程壓力損失計(jì)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(jì)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(jī)能滿足施工要求。
該項(xiàng)目中的風(fēng)筒采用瑞典SWEDFAN 進(jìn)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(hù)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(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量,風(fēng)機(jī)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(bǔ)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(jī)的選擇上,可選擇供風(fēng)風(fēng)壓小、設(shè)備功率小的風(fēng)機(jī),長期運(yùn)行能夠節(jié)約大量電費(fèi),使用費(fèi)用也相對(duì)較低。
根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況,斗篷山二號(hào)隧道橫洞工區(qū)在洞口安裝一臺(tái)瑞典SWEDFAN 型 號(hào)2×AVH-R160.160.4.8(2×160kW)高壓軸流通風(fēng)機(jī)(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(jī)
一般來說,鉆爆的隧道可以通過以下工作形成一個(gè)循環(huán):爆破之后是出渣、出渣完成后進(jìn)行打眼撬矛和裝藥。爆破之后,風(fēng)機(jī)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(shí)風(fēng)機(jī)全速運(yùn)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(xiàng)工作需求風(fēng)量很小。在打眼撬矛裝藥時(shí),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(jī)工作循環(huán)時(shí)間
一臺(tái)風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)兩個(gè)作業(yè)面:一個(gè)作業(yè)面爆破、出渣;另一個(gè)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(gè)控制、調(diào)節(jié)流量的風(fēng)門,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(duì)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(jì)消耗新鮮空氣為100×3=300m/min。
當(dāng)前,我國的長大隧道數(shù)量急劇增加,且多采用無軌運(yùn)輸施工技術(shù),無輔助坑道條件下的長距離獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)則成為制約施工進(jìn)度的難題。由于長距離獨(dú)頭掘進(jìn)施工的特殊性,對(duì)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(duì)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長距離通風(fēng)進(jìn)行了廣泛的研究。
采用先進(jìn)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(duì)施工作業(yè)人員身體的危害,減少施工機(jī)械設(shè)備磨損,提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率、有效提高電能利用率;節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù);降低施工成本。
改善施工環(huán)境,提高施工效率,縮短工序循環(huán)時(shí)間,加快施工進(jìn)度。風(fēng)機(jī)調(diào)至全速,將炮煙排出僅需30min,較傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)省20min,平均每循環(huán)較傳統(tǒng)方式快48min。
通過自動(dòng)調(diào)節(jié)不同工序的供風(fēng)量及供風(fēng)時(shí)間,大大節(jié)約了成本。對(duì)比斗篷山二號(hào)隧道進(jìn)口(1 個(gè)掌子面,通風(fēng)距離2021m)和斗篷山二號(hào)隧道橫洞(2 個(gè)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(hào)隧道通風(fēng)對(duì)比
斗篷山二號(hào)隧道橫洞工期為42 個(gè)月,電費(fèi)價(jià)格按0.85 元/度計(jì)算,采用柯迪發(fā)一站式通風(fēng)系統(tǒng),累計(jì)可節(jié)省費(fèi)用142.9 萬元。
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(dú)頭掘進(jìn)長距離通風(fēng)解決方法和經(jīng)驗(yàn),幫助企業(yè)和項(xiàng)目部贏得良好的社會(huì)聲譽(yù)及業(yè)主的好評(píng)。