特长复杂隧洞掘进施工通风技术研究

韩文起

(中铁十三局集团公司，长春 130033)

1 工程概况

锦屏二级水电站引水系统采用4洞8机布置形式，2#、4#引水隧洞为钻爆法施工，1#、3#引水隧洞为TBM施工。已施工1#支洞长度750.76 m，2#支洞长1 041.47 m。实际钻爆法施工独头掘进通风距离达到了12.5 km，TBM独头掘进通风距离达到了14.5 km。由于引水隧洞群穿越锦屏山主峰山体且沿线上覆岩体埋深1 500～2 525 m，受高地应力和其他地质因素影响，岩爆日趋频繁且烈度越来越高，已经严重影响所有隧洞掘进施工安全和进度。为确保发电目标的实现，目前正采取增加工作面以及提前释放应力等一系列可以加快隧洞群掘进进度的措施。这些措施使得锦屏工程隧洞群数量大大增加、隧洞平面和空间布置极为复杂，这就必然使得通风系统在不同阶段和空间等方面将发生很大变化，甚至会彻底颠覆原来的通风方案，导致原本就极为困难的通风施工雪上加霜。

本文针对采用钻爆法施工的锦屏电站4#引水隧洞的通风方式、参数及其布置进行研究，以求确保施工过程中各个工点和地下各个区段具有足够的新鲜风量和风压，从而使锦屏工程建设能够按期顺利完成。

2 通风方案分析

依据隧道工程通风理论与技术，对锦屏电站工程地质、隧洞群空间布置、断面形状与尺寸、施工方法、施工人员配置、机械设备类型与数量以及通风要求等进行分析，据此提出风管压入式隧洞通风方案。所有新鲜风从下游通风洞或施工排水洞获取，通过风机风管接力到达工作面，然后从工作面沿隧洞返回由东引2#施工支洞出风。由此可把工作面爆破后的粉尘、污染风直接排出，不增大已开挖完成洞段的污染，同时各条隧洞也可以独立通风，互不影响。

3 通风参数计算

3.1 通风量计算

隧洞施工中爆破、运输等产生的主要污染源见表1，通风风量主要依据内燃机作业废气稀释需要、洞内同时工作最多人数、同时爆破最大炸药量以及洞内允许最小风速等因素综合确定。

表1 洞内主要污染源

1)按内燃机作业废气稀释的需要计算

参数计算方法与其他隧洞掘进相同，洞身段的通风量及其他通风参数按交通量另行计算。

考虑掌子面一般有1台ZL50、1台CAT 330D和4台自卸车同时工作，其机械总功率在1 166 kW，见表2。按全负荷的65%效率计算工作时的功率，即有1 166×0.65=758.2 kW，则所需风量

式中，n为洞内同时使用内燃机作业的总功率，kW;Af为洞内同时使用内燃机每 kW所需的风量，计算取4 m3/min。则

表2 4#洞内主要燃油施工机械设备功率一览

2)按洞内同时工作的最多人数计算需风量为

式中，k为风量备用系数，常取 k=1.1～1.2;m=120，为洞内同时工作的最多人数;q为洞内每人每分钟需要新鲜空气量，通常按3 m3/min计算。

3)按同时爆破的最多炸药量计算

采用管道通风方式中的压入式，需风量为

式中，A为同时爆破的炸药量，A=320 kg;S为坑道断面面积(m2)，按上开挖法高9 m计算，S=99.4 m2;L为坑道长度(m)，L=15+A/5;t为爆破后的通风时间，t=30 min。则需风量为

4)按洞内允许最小风速计算

式中，V为洞内允许最小风速，取值0.25 m/s;S为坑道断面面积(m2)。

因此，需风量为

综合上述四个方面，取最大值3 032.8 m3/min。

3.2 漏风计算

通风机的供风量Q供除满足上述计算的需要风量外，还应考虑漏失的风量，即

式中，Q为计算风量，为前述计算结果的最大值;P为漏风系数，直径1.4 m的PVC风管百米漏风率取1.4%。

则P=1.091

3.3 风阻计算

通风过程中要克服风流沿途所受阻力，保证将所需风量送到洞内，并达到规定的风速，则必须要有一定的风压。因此，风压计算的目的就是要确定通风机本身应具备多大的压力才能满足通风需要。

气流所受到的阻力有摩擦阻力、局部阻力和正面阻力，其计算可用下式表示。

式中，h总阻为风流受到的总阻力;h摩为风流经过各种断面的管(巷)道时产生的摩擦阻力;h局为气流经过断面变化，拐弯、分岔等处分别产生的阻力;h正为巷道通风时受运输车辆阻塞而产生的阻力。

1)摩擦阻力h摩

摩擦阻力是管道(巷道)周壁与风流互相摩擦以及风流中空气分子间的扰动和摩擦而产生的阻力，也称沿程阻力。

式中，α为摩擦阻力系数(N·s2/m4);L为风管长度(m);U为风道周边长度(m);Q供为风道流量(m3/s);S为风管截面面积(m2)。

拟采用风管直径1.4 m，风管采用优质通风塑料软 管，则 S =1.54 m2，U =4.40 m，Q供=3 308.8 m3/min，α =0.0013 N·s2/m4，则有

2)局部阻力h局

风流经过风管的某些局部地点(如断面扩大、断面减小、拐弯、交岔等)时，由于速度或方向发生突然变化而导致风流本身产生剧烈的冲击，由此产生风流阻力即局部阻力。2

式中，ζ为局部阻力系数，ζ=0.853 N·s2/m4;γ=12 N/m3;g为重力加速度，g=9.81 m/s2;v为风流经过局部断面形状变化后的速度(m/s)

3)总阻力h总=h摩+h局=3 295.5 Pa

3.4 电动机容量N

式中，Q为总需风量(m3/s);h为 总负压(Pa);102为功的换算值，102 kg·m=1 kW;η1为静压效率;η2为机械效率，计算时一般取0.95;B为电机容量储备系数，B=1.5。

3.5 通风风机选型及布置

根据通风技术及机械配置方法，采用2×160 kW轴流风机送风至掌子面，送风距离保证在1 500 m之内。

通风系统包括4#引水洞钻爆段、横通道及通风洞，构成平行巷道的循环通风和掘进工作面的管道通风两部分。在4#引水洞引(4)16+129.129处左侧开挖一条断面为6.0 m×5.8 m，长为329.409 m的通风支洞，斜交连接通风主洞(通风主洞断面为7.0 m×6.5 m，长594.619 m;通风支洞连接通风主洞断面为5.0 m×6.0 m，长274.569 m)，在洞内布置通风机将污浊空气抽出洞外。在东引1#施工支洞与2#引水洞交叉口布置通风机，为避免污浊空气通过东引2#施工支洞向其它洞内扩散，在东引2#施工支洞至通风支洞与4#引水洞交界点之间设两道风门，车辆通过时交替开启。

4 结论

1)从隧洞实际施工看，分析得出的特长复杂隧洞施工通风方案可行，能够满足隧洞工程施工要求。

2)结合锦屏二级水电站隧洞群实际研究出的通风风量、风压、风速以及设备配置可确保工程通风需要并能保证施工人员安全。

3)鉴于隧洞工程建设及施工组织异常复杂，且各阶段施工方法、施工条件不同，所以其通风方式、取风与排风通道、所需风量及风压、风阻等参数均要求不同，必须依据实际情况对通风系统随时作出相应调整、重新布置、分析和论证，以保障施工人员安全和整个工程顺利完工。

［1］中华人民共和国电力行业标准.DL/T5099—1999水工建筑物地下开挖工程施工技术规范［S］.北京:水力电力出版社，1999.

［2］肖清华.锦屏二级电站引水隧洞群施工平台总体规划研究［J］.铁道建筑，2008(7):55-57.