偏遠山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件隧道無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)技術(shù)研究

胡運春

（中鐵隆工程集團有限公司，四川 成都 610041）

無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)是利用隧道具有相鄰隧洞或平導(dǎo)的特點，引入公路運營通風(fēng)理念，采用射流風(fēng)機和軸流風(fēng)機構(gòu)成混合式通風(fēng)方式。該通風(fēng)方式充分發(fā)揮了巷道式通風(fēng)的優(yōu)勢，利用射流風(fēng)機的升壓作用推動隧道內(nèi)空氣流通，利用軸流風(fēng)機和風(fēng)管為掌子面壓入供風(fēng)。該通風(fēng)體系能夠降低能源消耗，簡化現(xiàn)場操作，增加通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。

1 工程概況

錦屏山隧道為上、下行分離式雙洞隧道（包括A、B 線），西端進口設(shè)于西雅礱江景峰橋上游約200 m，高程為1 657.0 m；東端出口設(shè)于東雅礱江右岸大水溝下游側(cè)約400 m，高程為1 558.6 m。A 線進口樁號為AK0+034.5，出口樁號為AK17+519.57，全長17 485.07 m；B 線進口樁號為BK0+034.5，出口樁號為BK17+538.745，全長17 504.245 m。

2 工程難點

在隧道施工過程中，施工通風(fēng)是全隧內(nèi)外空氣交換的唯一手段[1]。對于掘進距離過長的隧道工程，出于通風(fēng)困難和工期限制方面的考慮，往往實施“長隧短打”與“有軌運輸”相結(jié)合的施工方案。

隧道的最大埋深為2 375 m，埋深超過1 500 m 的洞段占隧道總長的73.1%，段中沒有條件實施豎井、斜井等輔助坑道設(shè)施，僅能于2 個端頭相向掘進，西端頭掘進深度更是達到9 500 m 以上，為截至目前國內(nèi)最長距離的無軌鉆爆法獨頭掘進長度[2]。隧道（西端）要通過無軌運輸方式實現(xiàn)安全、快速施工，就有必要對超長獨頭掘進距離的施工通風(fēng)進行研究，解決長距離獨頭通風(fēng)施工通風(fēng)技術(shù)難題。

3 通風(fēng)方案比選

3.1 各通風(fēng)方案的優(yōu)缺點

單洞獨立壓入式通風(fēng)優(yōu)缺點對比如表1 所示。

表1 單洞獨立壓入式通風(fēng)優(yōu)缺點對比

聯(lián)合巷道式通風(fēng)優(yōu)缺點對比如表2 所示。

表2 聯(lián)合巷道式通風(fēng)優(yōu)缺點對比

3.2 方案擬定

為充分發(fā)揮2 種通風(fēng)方式的優(yōu)點，并盡量規(guī)避缺點，結(jié)合錦屏山隧道設(shè)計和現(xiàn)場條件，通過充分對比和分析，最終確定方式如下。

A、B 洞連通前，通風(fēng)距離小于2 km 時采用管道式壓入通風(fēng)方式，2 km 后采用無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)與掌子面軸流風(fēng)機風(fēng)管壓入方式通風(fēng)[3]。

A、B 洞連通后，采用雙洞聯(lián)合巷道式通風(fēng)。通風(fēng)分為2 個階段：①A、B 洞橫通道連通前，各洞作業(yè)面獨立機械通風(fēng)；②A、B 洞連通后，采用A 洞進風(fēng)、B洞出風(fēng)的循環(huán)通風(fēng)方式。前2 km 施工階段，洞內(nèi)獨立管道機械通風(fēng)至洞底作業(yè)面。

3.2.1 風(fēng)量、風(fēng)壓計算

設(shè)備包括50 型側(cè)翻斗裝載機1 臺（155 kW）、自卸車3 臺（354 kW），施工風(fēng)量需求33.7 m3/h，h總風(fēng)阻=3 924 Pa（h摩=3 885 Pa，h局=39 Pa），需風(fēng)機功率184 kW。按爆破炸藥量計算風(fēng)量：

式中：L為巷道長；φ為淋水系數(shù)；P為漏風(fēng)系數(shù)。

3.2.2 通風(fēng)布置

每工作面洞內(nèi)壓各采用風(fēng)機1 臺（2 912 m3/min，5 355 Pa，2×110 kW）。對A、B 洞分別進行通風(fēng)需求量計算，結(jié)果如表3 所示。

表3 通風(fēng)計算結(jié)果匯總

3.2.3 無軌運輸

2～9 km 階段射流通風(fēng)階段采用無軌運輸，隧道主體采用巷道式射流通風(fēng)，近掌子面采用壓入通風(fēng)。首先對5 km 階段射流通風(fēng)設(shè)計計算進行分析。通風(fēng)計算簡圖如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)計算簡圖

通風(fēng)量計算過程如下。

第一，按內(nèi)燃設(shè)備計算風(fēng)量。

按洞內(nèi)最多通過的重載車輛為3 輛車計算。試驗階段運輸車輛全部為高性能VOLVO，再計入掌子面裝載機1 臺，功率155 kW，施工人員30 人。即Q需=4×228×2.8+155×3+4×30=3 138.6 m3/min（注：每1 kW 耗風(fēng)2.8 m3/min）。

第二，風(fēng)速計算。

過風(fēng)斷面小于等于40 m2時，需風(fēng)量按風(fēng)速2.0～2.5 m/s 計算，否則按1.5～2.0 m/s 計算。由此，本文大斷面按1.5 m/s、小斷面按2.0 m/s，計算結(jié)果分別為36.4×1.5×60=3 27 6 m3/m in 和31×2×60=3 720 m3/min[4]。

第三，單個洞需風(fēng)量。

隧道施工過程中，通風(fēng)距離小于800 m，兩個掌子面軸流風(fēng)機總需風(fēng)量為2×（228×2.8＋155×3＋10×4）=2 286.8 m3/min（每洞重載車1 臺，裝載機1 臺，作業(yè)人員10 人）。

第四，隧道內(nèi)最低風(fēng)量。

根據(jù)要求最低風(fēng)速0.25 m/s 計算隧道最小風(fēng)量為36.4×0.25×60=546 m3/min。

第五，確定計算風(fēng)量與風(fēng)速。

根據(jù)經(jīng)驗風(fēng)速計算需風(fēng)量取計算風(fēng)量大于第一步的計算風(fēng)量，同時大于第三步計算風(fēng)量的1.5 倍，大于第四步的最低風(fēng)量，因此根據(jù)風(fēng)機射流通風(fēng)風(fēng)量計算原則，5 000 m 階段計算需風(fēng)量取3 720 m3/min。則隧洞內(nèi)的風(fēng)速為錦屏山隧道前K5+000 段，其A/B 斷面為31/36.4 m2[5]。風(fēng)速計算如下：

3.2.4 通風(fēng)阻力及射流風(fēng)機臺數(shù)的計算

第一，通風(fēng)阻力計算。

A、B 洞的水力直徑di分別為6.05 m、6.50 m。由于錦屏山隧道施工前期（5 000 m 階段）以開挖和初噴為主，洞壁條件差，因此洞內(nèi)沿程摩阻力系數(shù)λi取上限0.2，忽略所有局部阻力，前5 000 m 階段A、B 洞通風(fēng)阻力計算如下：

第二，射流風(fēng)機升力計算。

射流風(fēng)機型號、規(guī)格較多，但錦屏山隧道使用的是強射流風(fēng)機，功率75 kW，風(fēng)機口噴出最大風(fēng)速40 m/s，口徑120 cm。若2 臺相隔1 000 m，中間風(fēng)速可達1.5 m/s（斷面40 m2左右）。前5 000 m 段A、B洞射流風(fēng)機升力計算如下：

第三，射流風(fēng)機臺數(shù)計算。

n=396.7/61.3+287.7/52.6=12 臺（注：此臺數(shù)不包括由于其他橫通道開啟而增設(shè)的射流風(fēng)機臺數(shù)）。

通過以上分析計算過程驗證了所選通風(fēng)方案的可行性，通過上述理論可計算得出錦屏山隧道3 km、4 km、5 km 3 個階段的強力射流風(fēng)機使用臺數(shù)。不同射流通風(fēng)階段射流風(fēng)機臺數(shù)如表4 所示。

表4 不同射流通風(fēng)階段射流風(fēng)機臺數(shù)

4 風(fēng)機布置

根據(jù)理論計算風(fēng)機數(shù)量及數(shù)值模擬研究成果，結(jié)合錦屏山隧道的現(xiàn)場條件，經(jīng)綜合考慮，橫通道打通后，按A、B 兩洞循環(huán)通風(fēng)布置，其原則和具體方式如下。

4.1 射流風(fēng)機布置

4.1.1 總體布置原則

一般按照“進風(fēng)洞少，出風(fēng)洞多”原則布置。當(dāng)進風(fēng)洞只是進風(fēng)需要且在橫向通道全部封堵的情況下，則射流風(fēng)機在軸流風(fēng)機后方布置1～2 臺即可；若進風(fēng)洞長于3 000 m 或有其他多工序作業(yè)時，則應(yīng)該在其后方按1 臺/km 再增加風(fēng)機。出風(fēng)洞原則上按500～800 m 布置1 臺風(fēng)機，當(dāng)通風(fēng)距離大于5 000 m 時，宜按500～600 m 布置1 臺風(fēng)機；當(dāng)洞身大于8 000 m 時，應(yīng)該縮短至300～500 m 布置1 臺風(fēng)機。風(fēng)機一般布置在隧道（洞）的一側(cè)，離地約2 m 高，當(dāng)風(fēng)機重量或體積較小時可布置在隧道（洞）頂部。

4.1.2 橫通道附近布置原則

在離掌子面最近的橫通道處應(yīng)布置1臺射流風(fēng)機，風(fēng)機應(yīng)安放在出風(fēng)洞的該橫通道一側(cè)風(fēng)流的下風(fēng)向5～10 m 處。這是由于進風(fēng)洞（如圖2 中A 洞）在最遠端的橫通道處構(gòu)成一個直通道封閉的三通（掌子面封閉），如果將動力放在進風(fēng)洞，那么空氣在流動過程中將在A 洞的掌子面形成很大的風(fēng)壓，在此處會有很大的動能損失，不利于空氣從斜通道（橫通道）通過，因此應(yīng)將動力設(shè)置在出風(fēng)洞（B 洞），即在B 洞布置射流風(fēng)機，會減少動能在掌子面的損失，有利于空氣流動。但在A 洞（進風(fēng)洞）軸流風(fēng)機后方應(yīng)至少布置1 臺射流風(fēng)機，以便為軸流風(fēng)機提供所需風(fēng)量。

圖2 掌子面處風(fēng)機布置示意圖

對于其他橫通道，當(dāng)橫通道臨時封閉時，進、出風(fēng)洞若在同一位置有射流風(fēng)機布置，則射流風(fēng)機在橫向通道的前后均可，但原則上靠洞口方向為好，且離橫向通道中線一般在10～15 m，以防止漏風(fēng)現(xiàn)象。當(dāng)橫通道未封堵時，射流風(fēng)機必須布置在圖3 中的A、B位置。這是由于在實際施工過程中出風(fēng)洞的風(fēng)機布置較多，因此出風(fēng)洞的壓力將高于新風(fēng)洞，新風(fēng)的進入是依靠壓力差將其吸入隧道，這時進風(fēng)洞中F 點處的壓力要小于出風(fēng)洞中的E 點。如果此處不設(shè)置風(fēng)機以保證壓力平衡，污風(fēng)將通過此橫通道流向新風(fēng)洞，造成污風(fēng)在隧洞內(nèi)形成循環(huán)。為了保證橫通道處的壓力平衡，需將風(fēng)機布置在出風(fēng)洞的B 處，以此降低E 處的壓力，同時將另一臺射流風(fēng)機布置在新風(fēng)洞的A 處以提升F 處的壓力，這樣才能夠防止風(fēng)流在未封堵的橫通道處形成短路。

圖3 其他未封堵橫通道處風(fēng)機布置示意圖

4.2 軸流風(fēng)機布置

4.2.1 布置位置

軸流風(fēng)機布置在進風(fēng)洞離掌子面最近的橫通道處，并通過軟管分別將新風(fēng)送到A、B 洞的掌子面處。緊靠軸流風(fēng)機后方在200 m 范圍宜設(shè)置1 臺射流風(fēng)機，以加速風(fēng)流速度，如圖4 所示。這是由于通過數(shù)值計算和實際測試得出75 kW 強力射流風(fēng)機在出口200～300 m 時隧道斷面的速度基本穩(wěn)定，即射流風(fēng)機的射程是200～300 m。因此，如果將射流風(fēng)機安裝在距軸流風(fēng)機200 m 之內(nèi)，那么射流風(fēng)機的升壓作用還沒有完全發(fā)揮完時就遇到軸流風(fēng)機將氣流完全吸入，使得射流風(fēng)機和軸流風(fēng)機形成短路。如果將射流風(fēng)機安裝在距軸流風(fēng)機的射程之外，那么，在軸流風(fēng)機附近氣流阻力較大，不利于軸流風(fēng)機吸風(fēng)。通過實踐證明，將射流風(fēng)機安裝在軸流風(fēng)機后方200 m 左右能達到較好的通風(fēng)效果。

圖4 軸流風(fēng)機和射流風(fēng)機相對位置

4.2.2 風(fēng)管彎頭選擇

因位于掌子面第一個橫通道后方的其中1 臺軸流風(fēng)機要穿過橫向通道，主風(fēng)管要經(jīng)過2 道轉(zhuǎn)彎后才能到達另一隧道（洞）的掌子面，為此必須通過彎管變向才能實現(xiàn)。根據(jù)多個工程實例，當(dāng)橫向通道與正線夾角合適時可使用軟彎管，否則一般使用硬彎管。軟彎管材料與風(fēng)管材料保持一致，不過管壁稍厚，而硬風(fēng)管只能用鐵皮彎制。但無論如何，彎管制作時一定要盡量考慮較大的彎管半徑，這樣有利于通風(fēng)。

4.2.3 風(fēng)管到掌子面的合理距離

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，掌子面所用風(fēng)管的有效射程在30～40 m，結(jié)合工程經(jīng)驗確定出風(fēng)口距開挖面距離不大于40 m。具體如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 掌子面壓入式風(fēng)管布置圖

圖6 隧道開挖中后期軸流風(fēng)機現(xiàn)場布置圖

圖7 射流風(fēng)機現(xiàn)場布置圖

4.3 通風(fēng)設(shè)備配置

巷道式通風(fēng)設(shè)備配置表如表5 所示。

表5 巷道式通風(fēng)設(shè)備配置表

4.4 通風(fēng)施工工藝

隧道巷道式射流施工通風(fēng)施工工藝如圖8 所示。

圖8 通風(fēng)施工工藝流程圖

5 現(xiàn)場通風(fēng)效果

采用以上分析計算的通風(fēng)方式和設(shè)備配置，成功地解決了錦屏山特長隧道施工通風(fēng)的關(guān)鍵問題，采用計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬為無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)技術(shù)提供了理論支持，驗證了該通風(fēng)方案的可行性。在理論研究成果指導(dǎo)下，結(jié)合前5 000 m 施工通風(fēng)試驗研究成果，在隧道內(nèi)進行全面推廣。圖9 為射流分機示意圖，圖10 為特殊葉片，圖11 為出碴情景示意圖，圖12 為通風(fēng)檢測示意圖。其余階段通風(fēng)風(fēng)機布置與之類似。

圖9 射流風(fēng)機

圖10 特殊葉片（平均風(fēng)速40 m/s）

圖11 出碴情景

圖12 通風(fēng)檢測

對比分析表明，洞內(nèi)空氣質(zhì)量在單洞出碴或雙洞同時出碴過程中，掌子面瞬間達到7.2×10-5，但遠離橫向通道往洞口方向各測點數(shù)據(jù)均小于2.4×10-5，在加寬帶或橫向通道附近有4.0×10-5，一般均在1.5×10-5左右。洞內(nèi)能見度良好，可視距離在60～200 m，雙洞正常出砟時能見度在60～80 m。通過通風(fēng)質(zhì)量測試發(fā)現(xiàn)，隧道掘進距離超過8 000 m 以后，洞內(nèi)的平均風(fēng)速達到1.2～1.5 m/s 即可滿足通風(fēng)要求。對比理論計算需要和實際通風(fēng)質(zhì)量檢測可以看出，應(yīng)用上述理論計算的風(fēng)機與實際風(fēng)機臺數(shù)基本吻合，說明本工程采用的計算方法和實際布置方式對與隧道類似工程具有借鑒意義。

無風(fēng)門巷道式射流通風(fēng)技術(shù)具有如下優(yōu)點：①取消了排污隧道（洞）洞口的吸風(fēng)洞與風(fēng)門設(shè)置，節(jié)省了吸風(fēng)洞工程量，同時減少了漏風(fēng)損失，洞口設(shè)備布置減少，又為場內(nèi)行車提供了便捷；②將橫斷面積較大的隧道作為主風(fēng)道，減少了風(fēng)阻，提升了通風(fēng)效果；③使用高壓射流風(fēng)機于轉(zhuǎn)折點附近運行，大大延長了有效通風(fēng)距離；④洞內(nèi)干擾裝置減少，作業(yè)場擴大，降低了工序干擾；⑤風(fēng)機維護調(diào)試靈活方便，在類似工程中具有推廣價值和廣泛的應(yīng)用前景。但應(yīng)注意的是，該通風(fēng)技術(shù)具有使用射流風(fēng)機數(shù)量較多、用電量較大、管理跨度較大等缺點。

6 結(jié)束語

無風(fēng)門巷道式射流施工通風(fēng)技術(shù)利用射流技術(shù)推動洞內(nèi)外空氣循環(huán)流通，充分發(fā)揮了巷道式通風(fēng)的優(yōu)勢，提高了通風(fēng)效率，可滿足更大長度的隧道通風(fēng)需求。隧道內(nèi)更少的掛設(shè)裝置，既減少了安裝維護工作量，降低了現(xiàn)場操作難度，節(jié)約了空間，又減少了工序干擾簡化操作，同時提高了系統(tǒng)可靠性。本文通風(fēng)方案取得成功的經(jīng)驗表明：①在具備巷道式通風(fēng)條件下的特長隧道施工采用巷道式射流通風(fēng)能夠獲得良好的通風(fēng)效果；②通風(fēng)計算原則和經(jīng)驗計算公式可為類似工程提供借鑒，但隧道施工通風(fēng)的影響因素很多，尤其是沿程摩擦阻力系數(shù)、通風(fēng)質(zhì)量的要求等，不同的取值結(jié)果相差較大，因此在具體應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)階段性試驗成果予以修正；③在該通風(fēng)技術(shù)的支持下，采用無軌運輸實現(xiàn)超長距離獨頭掘進是完全可行的。