宜万铁路八字岭长大隧道施工通风技术应用研究

魏兆雷,李仲峰,张志磊

(中铁四局集团宜万铁路工程指挥部,湖北宜昌 443001)

宜万铁路八字岭长大隧道施工通风技术应用研究

魏兆雷,李仲峰,张志磊

(中铁四局集团宜万铁路工程指挥部,湖北宜昌 443001)

通过对八字岭隧道进、出口通风方案的设计、实施及在实施中对存在问题的解决方法进行研究,对压入式通风、混合式通风、巷道式通风在八字岭隧道的应用进行总结,为类似长大隧道施工的通风应用提供参考。

宜万铁路;铁路隧道;通风;施工

1 工程概况

宜万铁路八字岭隧道Ⅰ线隧道全长5867m (ⅠDK103+253～ⅠDK109+120),Ⅱ线隧道全长6014m(ⅡDK103+065～ⅡDK109+079),Ⅱ线位于Ⅰ线右侧30m,其中,Ⅱ线进口3794m由Ⅰ线平导扩挖而成,隧道Ⅰ线与平导之间共设置9个横通道。隧道断面为开行双层集装箱列车电气化单线铁路隧道,隧道开挖断面70～75m2,平导开挖断面12～14m2。各横通道位置见表1。

隧道进口由中铁四局二公司施工,承担八字岭隧道Ⅰ线进口3932m、平导3794m及Ⅱ线3794m扩挖施工任务,采用钻爆法开挖有轨运输。隧道出口由中铁四局四公司施工,承担八字岭隧道Ⅰ线出口1935m及Ⅱ线出口2220m施工任务,采用钻爆法开挖,无轨运输。

2 通风方案的设计、实施

通风方案是长大隧道施工方案重要的研究内容之一。由于宜万铁路八字岭隧道是中铁四局集团公司历史上首次承担的5km以上的长大隧道,施工通风经验不足,为使通风方案技术可行、经济合理,确保隧道施工的顺利进行,分阶段对隧道通风进行了设计。

表1 横通道中线与平导和Ⅰ线正洞中线相交里程

2.1 洞内风量计算

施工通风所需风量按洞内同时工作的最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除炮眼量和内燃机械设备总功率分别计算,取其中最大值作为控制风量。

2.1.1 正洞

(1)按洞内同时工作的最多人数计算

式中 3——每人每分钟供应新鲜空气标准,m3/min;

k——风量备用系数,取1.25;

m——同一时间洞内工作最多人数,取50人/工作面;

(2)按洞内允许最小风速计算

式中 V——洞内允许最小风速,m/s;

S——最大断面积,m2,取75m2;

Q工作面=V×S×60=0.15×75×60=675m3/min;

(3)爆破排除炮眼所需风量

式中 A——同时爆破炸药用量,kg。

按照Ⅲ～Ⅳ级围岩,全断面施工法计算每次爆破炸药用量为

式中 q——每m3岩石爆破用药量(1.1为实际施工用量);

s——坑断面积,取75m2;

L——炮眼深度,取2.8m;

b——1kg炸药爆炸时所产生的CO体积,一般b=40L。

t——通风时间,为30min。

(4)按内燃机械作业计算

内燃机械设备作业供风量3m3/(min·kW);

洞内主要配备大宇220挖掘机及ZLM -50E装载机各1台,功率约为230kW;

经比选,取最大值1540m3/min作为控制风量。

2.1.2 平导

(1)按洞内同时工作的最多人数计算

m取15人/工作面

(2)按洞内允许最小风速计算

S取14m2;

(3)爆破排除炮眼所需风量

式中,q取2.5kg;S取14m2;L取2.2m;b取40L;t取15min。

经比选,取最大值1027m3/min作为控制风量。

2.2 风阻及风机风量计算

式中 Q风机——通风机风量;

Q工作面——工作面所需风量;

P——风阻。

式中 L——风管管路长度;

β——管路平均百米漏风率,参考铁路工程技术手册,取1.3%。

2.2.1 正洞

根据施工安排,为主要施工工作面,按送风1.8 km设计;

2.2.2 横通道

根据施工安排,为辅助施工工作面,需送风0.8km,通风时间 t取 60min,推算出 Q工作面= 770m3/min。

2.2.3 平导

根据施工安排,主要施工工作面按送风1.8km设计;P=1.31。

2.3 风机选型

常用轴流风机参数见表2。

表2 常用轴流风机参数

根据表2计算结果,正洞选择 SDF(B)-NO12.5型通风机,平导选择SDF(B) -NO11型通风机,横通道选择SDF(B)-NO10型通风机,风管选择了便于装卸与维修的拉链式软风管。

2.4 方案设计及实施

2.4.1 隧道进口通风

隧道进口通风在隧道贯通前采用的通风方式有压入式通风、巷道式通风及混合式通风,隧道进口通风方案共分为4个阶段。

第一阶段:平导和正洞均采用压入式通风,平导采用1号轴流风机(SDF(B)-NO1155kW×2)向洞内供风,风筒直径1.0m,当平导2号横通道拐入正洞施工时,在平导口增设2号轴流风机(SDF(B ) -NO11 55kW×2)向横通道内掌子面供风,风筒直径1.0m;正洞采用3号轴流风机(SDF(B)-NO12.5110kW×2)向洞内供风,风筒直径1.5m;进口第一阶段通风布置见图1。

图1 进口第一阶段通风

第二阶段:通风采用巷道式通风,新鲜空气由平导进入,平导风机1(SDF(B)-NO1155kW×2)及正洞风机2(SDF(B) -NO1155kW×2)均设置在平导PDK103+800处分别向洞内供风,当平导3号横通道拐入正洞施工时,由4号轴流风机(SDF(B) -NO10 37kW×2)为其供风,PDK103+900处设置25kW射流风机(风机5),防止污浊空气回流,平导及横通道污浊空气通过2号横通道进入正洞后排出。随着隧道的掘进和新开横通道的施工,风机1、风机2、风机4、风机5向洞内前移,均按巷道式进行通风。进口第二阶段通风布置见图2。

第三阶段:通风采用巷道式通风与混合式通风相结合,2006年10月平导已施工完毕,隧道Ⅱ线开始扩挖施工,Ⅱ线扩挖通风采用压入式通风,采用风机6 (SDF(B) -NO1155kW×2)通风,同时在PDK103+ 900处设置风门,防止污浊空气吸入洞内,洞内新鲜空气由Ⅰ线正洞通过2号横通道进入平导,Ⅰ线正洞和8号横通道风机设置在平导PDK105+400处向掌子面供风,同时在正洞2号横通道处设置3号轴流风机(SDF(B)-NO12.5110kW×2)抽出洞内污浊空气,加速洞内的空气流通,见图3。

图2 进口第二阶段通风布置

图3 进口第三阶段通风

2.4.2 隧道出口通风

隧道出口通风主要采用压入式通风,因施工采用无轨运输,施工期间在距离隧道出口700m处增加了竖井,加强施工通风。隧道出口通风可分为2个阶段。

第一阶段:施工Ⅰ线正洞,采用压入式通风,风机选用SDF(B)-NO12.5型风机,风筒直径1.5m。见图4。

图4 出口第一阶段通风

第二阶段:Ⅰ线正洞施工1000m后,采用从横洞口压入式通风,污浊空气通过竖井排出,竖井直径1.5m,竖井内装25kW射流风机1台。出口第二阶段通风见图5。

图5 出口第二阶段通风

2.4.3 隧道贯通后通风

隧道Ⅰ线贯通后,在Ⅰ线隧道洞内设置4台25kW射流风机,加速洞内空气循环,利用Ⅰ线隧道作为新鲜空气及排污通道,组织隧道Ⅱ线施工,分别利用隧道进口、5号、7号、12号、14号共4个工作面施工Ⅱ线隧道,污浊空气通过竖井排出,见图6。

3 通风方案的实施效果验证

图6 隧道贯通后通风

该通风方案在实施中,经过集团公司防疫部门对粉尘含量,CO气体检查、检验,空气质量符合要求,能满足施工需要,并保证了隧道的顺利施工。

4 施工通风的经验及体会

4.1 通风方案的制定依据

(1)从理论上讲一定要科学、合理,如果通风方案存在理论上的缺陷,就不能实施该方案。

(2)主要需考虑新风采集、回流风的的通道、一定功率的风机有效供风距离。新风采集源在理论上不能有和回流风重合的地带,而功率一定的风机有效供风距离是设置风机位置的重要依据。

(3)方案制定后的现场检查:核对方案实施情况及实施效果,并根据实际施工进度不断做出局部调整,使其更能符合实际情况,方案的制定和实施不是一蹴而就,这是一个动态的过程。

(4)通风方案的实施效果相关因素:包括通风方案、风机功率、风机生产厂家、风筒质量、风筒维护、风筒接口、横通道封堵程度和出砟方式等,仅从某个方面查找通风效果不好的原因是行不通的。

4.2 通风方式选择

在八字岭隧道施工中先后采用了压入式通风、混合式通风、巷道式通风3种方式。在某一阶段内,这3种方式是并存的。对于独头隧道,只能采用压入式通风或者混合式通风,压入式通风距离不能过长,超出风机的供风最大距离后,就应改为混合式通风,即将压入风机往掌子面方向移动,移动的距离以该风机的有效通风距离为标准,同时在洞内安装吸出式风机(风筒接到洞外),如果隧道长度超出压入风机有效通风距离不大,可以考虑采用断开式串接风机压入通风方式。

对于有平导及横通道的隧道,应采用巷道通风方式,局部采用混合式通风。八字岭隧道进口在施工中一直以巷道通风方式(平导进入新鲜空气,主洞作为排出污浊空气通道)为主。

4.3 机械选型

通风机械的问题主要来源于风机制造厂,在八字岭进口共选用了3家生产厂生产的风机,其实际使用效果差异极大,如采用南昌产某风机、咸阳产某风机及山西产某风机,在功率相同情况下就存在很大差异,致使方案设计后在使用中达不到预期效果。后期购入的风机就选用了效果好的山西产某风机,使用效果存在明显区别。

4.4 通风管理

主要要做好风机和风筒的安装及维护、风墙的设置、通风时间控制几个方面工作,这是通风方案实施效果的重要保障。在实际操作中我们也因不够重视这一基础工作,使得洞内空气质量一度变得很差。

4.4.1 风机和风筒的安装

风机的安装:风机支架要稳固结实,减少运行中的振动现象,风机出口段最好设置一段加强型柔性风管,风管与风机联结处应多道绑扎,减少漏风。风机的安装应有一定的高度,使其和风管连接平顺,减少吸风或者压风的压力损失。

风管的安装:风管是整个通风系统中使用最多、影响最大的消耗材料,一般分为柔性风管和刚性风管,刚性风管有“成本高、质量大、搬运难、接头多,加工误差大、变形恢复难”等缺点,因此使用柔性风管居多。挂设风管要做到平直顺畅,尤其穿越衬砌台车时,更要注意这一问题。使用PVC拉链式风管时,应注意以下事项:

(1)应使其内反边与风向一致,以减小风阻;

(2)为减少掌子面处因爆破带来的风管消耗,在风管末端可以安装40m长旧风管,其出口离掌子面保持30～40m距离;

(3)为防止运输机械挂坏风筒,风筒的挂设必须保证一定高度;

(4)平导空间有限时,风筒尽量靠近拱顶布设,并利用旧风管制成的绳条每间隔一定距离将风筒兜住,避免风筒的悬垂被运输车辆挂坏;

(5)及时粘补破损的风筒,防止漏气。

4.4.2 风门的设置

在巷道通风方式中,横通道必须设置风门,风门对通风的影响十分明显,八字岭隧道进口在采用巷道通风方式后,在一定时期内没有设置风门或没有能及时设置风门、设置风门后无人管理使其形同虚设。在隧道掘进深度不大时(6通贯通前),对通风效果影响不明显,而在6通辅助掘进工作面与主洞工作面贯通后,由于风门漏风影响,大量污浊空气回流到平导,再次被风机吸入,形成内循环风,造成主洞大部分位置污浊空气滞留洞内。经过简单试验证明,一个密封不严的风门,使得主洞空气风速在风门前后降低一半,致使巷道通风效果变差。

因此尤其要重视风门的设置和密闭问题,做到有专人管理风门的开关和维护,保证巷道通风流向的形成。

4.4.3 通风时间的控制

应制定科学的通风时间,控制及相应的通风强度。如放炮后通风强度、通风开启和持续时间,打钻、无轨出砟通风时间及通风强度。

5 结语

八字岭隧道是我集团公司2004年承担的第一个长大隧道,施工通风对于长大隧道来说是一项重要难题之一。施工前,对隧道通风方案进行了计算、设计并组织进行了评审,施工中,根据通风的效果、通风存在的问题对通风方案进行了完善、优化,较好地解决了八字岭长大隧道施工通风,保证了隧道正常顺利的施工。

[1] 铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册·隧道[M].北京:中国铁道出版社,1981.

[2] TB10003—99,铁路隧道设计规范[S].

[3] TB10204—2002,铁路隧道施工规范[S].

[4] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路宜昌至万州段八字岭隧道设计图[Z].武汉:2004.

[5] 中铁四局集团宜万铁路工程指挥部.新建铁路宜昌至万州段八字岭隧道Ⅱ线设计图[Z].湖北宜昌:2006.

[6] 中铁四局集团宜万铁路工程指挥部.宜万铁路八字岭隧道实施性施工组织设计[Z].湖北宜昌:2004.

[7] 中铁四局集团宜万铁路工程指挥部.宜万铁路八字岭隧道Ⅱ线实施性施工组织设计[Z].湖北宜昌:2006.

U453.5

A

1004 -2954(2010)08 -0141 -04

2010 05 17

魏兆雷(1964—),男,工程师,1999年毕业于上海铁道学院铁道工程专业,E-mail:weizhaolei1@163.com。