特长高污染隧洞施工通风技术研究

韩文起

(中铁十三局集团公司，长春 130033)

锦屏二级水电站引水系统采用4洞8机布置形式，包括A、B辅助洞共有7条深埋特长隧洞，4条引水隧洞长度均在16.67 km左右，为世界规模最大引水隧洞群。其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。随着工程建设的陆续进行，隧洞群设计及施工组织均有较大调整。且地质等因素也影响隧洞布置，诸如辅引支洞、横通道及其他交通线路均有所变化，故隧洞群施工通风方案也随之做出了较大的相应调整。特别是在洞身长度增长后，洞身段出现通风不畅，导致整条隧洞长期处于污染或死风状态，生产处于停顿，严重影响工程建设进度和安全。

本文针对锦屏二级水电站特长隧洞高污染且严重影响施工人员安全和工程进度等通风难题，运用隧洞通风理论、计算机技术和科学试验等手段与方法，充分结合锦屏工程实际情况和国家相关控制标准，研究出适合锦屏引水隧洞洞群在不同施工阶段(工况)进风通道、工点(工作面、隧洞洞段)、出风通道等通风方案及其参数。进而提出复杂条件下锦屏特长隧洞群施工高强度通风技术，以此确保所有隧洞群通风质量，使得隧洞不会因空气污染致使施工停滞，最终确保整个工程建设顺利完成。

1 施工组织调整及通风需求分析

由于引水隧洞群穿越锦屏山主峰山体且沿线隧洞埋深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。由此导致了施工进度大幅滞后于原计划的不利局面，必须对施工组织进行调整，并对通风系统进行重新分析和论证。

1.1 施工组织变化

依据隧道工程理论［1-2］，结合目前施工现状，采取增加工作面以及提前释放应力等一系列措施可以加快隧洞群掘进的速度。为此对隧洞布置做出了较大调整，调整后隧洞群布置见图1。

图1 调整后隧洞群布置

1)增设排引 1#、2#和 3#隧洞

首先，掘出排引1#隧洞并利用其作为交通和通风通道，同时也可由此通道作为施工支洞分别向上、下游方向掘进3#和4#引水隧洞，理论上最多可以增加4个工作面。其次，利用排引1#隧洞作为交通和通风通道，从施工排水洞开口与4条引水隧洞45°斜交掘进排引2#隧洞，完成后由排引2#隧洞作为施工支洞分别向上、下游方向掘进 1#、2#、3#和 4#引水隧洞，理论上最多可以增加8个工作面。最后，利用排引1#隧洞、排引2#隧洞和4#引水隧洞作为交通和通风通道，从4#引水隧洞开口向排水洞方向斜交掘进排引3#隧洞，完成后由排引3#隧洞作为施工支洞掘进施工排水隧洞，理论上最多可以增加2个工作面。

2)增设辅引 1#、2#和 3#隧洞

与掘进排引1#、2#和3#隧洞同样道理，在后期掘进3条辅引隧洞，分别从A辅助洞开口进入，与4条引水隧洞在不同里程位置45°斜交。利用辅引隧洞作为交通通道，理论上可以在不同施工阶段分别增加8个工作面。

由上述调整可知，这些施工组织变化，将使锦屏工程隧洞群数量大大增加，且隧洞群的设计、施工条件以及管理难度发生了极大变化，隧洞平面和空间布置极为复杂。另外，调整后所有以排引1#及排引2#施工支洞开挖出的岩渣均须由4#引水隧洞无轨运出，4#引水洞已经成为了多达4～6个工作面掘进出渣的总交通和运输通道(见图2)。因此，调整后相当长的时间(直到工程竣工)内对4#引水洞本身的支护衬砌等后续施工、洞段路面维护、高强度运输通过能力以及通风系统均有极大影响。一旦处理不当或出现问题则有可能造成所有工作面停工的严重后果，特别是大功率运渣车辆大量尾气排放后，对洞身段通风能力以及隧洞管理带来极大的考验和挑战。

图2 4#引水洞高强运输

1.2 通风系统的新要求

依据实际监测数据可知，调整前通过4#引水洞的车流量约为1 500辆/d，其中大功率运输车辆有1 200辆。洞内空气污染已经非常严重，洞内工作人员施工效率明显下降，有效工作时间急剧减少。施工组织方案调整后，4#引水洞内的车流量将达4 000辆/d，其排放污染物的总功率高达1 167 kW，总需风量为5 403 m3/min。4#洞目前的通风水平已经难以满足施工需要，更不用说满足调整施工组织方案后高强度运输大量尾气排放的通风要求。故必须对4#引水隧洞通风系统的方案及其参数重新论证和分析，以确保工程顺利完成任务和施工人员的身体健康。

2 通风方案分析

4#引水隧洞洞身段通风中的风量主要来自工作面的返程风，这些风流经过工作面后已较大程度受到污染，随着洞身段长度不断增加，其排出效果将急剧下降。如果按照最新施工组织设计方案，运输车辆排出的大量尾气使得洞内空气受到更加严重的污染，若通风机的风量不足，很可能洞内出现死风。

鉴于4#洞内的施工实际与通风需求，解决洞身段空气质量问题主要考虑采用加大通风强度和降尘净化等措施:洞内系统布设风机联动排风，将污浊空气排至东引2#施工支洞;采用喷淋设施形成水幕降低爆破和出渣的粉尘;利用喷雾水车对隧道内个别污染严重地段进行喷雾降尘除烟。其中风机布设最为关键，必须对其排风方式、风量、风压、风阻、排风能力以及设备规格与配置进行重新计算和论证分析。

3 通风参数计算

按隧道通风理论与技术［3-6］，结合4#引水洞的钻爆掘进和承担的交通运输实际情况，4#引水洞的通风风量和设备数量必须由工作面生产以及洞身段排污总量两部分决定。4#引水洞一方面需要排出4#引水洞掌子面的污染空气，另一方面需要承担2#排引洞多工作面施工运输的排污，所以洞身段的通风量是掌子面和运输车辆所需通风量总和。

3.1 通风量计算

由于洞身来往车辆密度大，车辆最大频率4 000辆/d，即2.78辆/min，每辆213.3 kW，则运输车辆所需通风量为Q1=2 370.2 m3/min。

考虑4#工作面需风量 Q2=3032.8 m3/min，故洞身通风量Q=Q1+Q2=5 403 m3/min。

3.2 风压计算

4#隧洞横断面面积 AT=137 m2，长6 000 m，水力直径13.2 m，洞壁摩阻系数 λ=0.088，局部阻力系数ξ=3.6，平均风速 V=0.657 m/s。计算得出风流的流动阻力为h=9.7 Pa

3.3 环境条件

由于隧道的地理位置不同，隧道进出口的环境条件存在较大差异，如自然风速、风向、空气温度、高程、大气压等条件会差别较大，从而会导致烟囱效应，故应从隧道的空气阻力中增加或减掉此效应。隧道两端大气压差而引起的阻力PS应由测量值确定，并增加到系统阻力中，由此4#引水洞为反坡隧道独头掘进6 000 m，高程增加21.36 m。h环=215 Pa

3.4 隧洞中总推力TT

各项阻力损失之和，即 h总=h+h环=9.7+215=224.7 Pa。

考虑到车辆和机械设备的损失需增加局部空气阻力和温度影响，取 h总=300 Pa，则用于克服隧洞中的空气阻力的总推力为

3.5 射流风机推力

射流风机的基本推力等于风机进出口空气动量的变化。风机进口或出口空气动量等于空气质量流量与进口或出口的平均流速之乘积。根据隧道中射流风机的布置原则，通常认为射流风机进口处空气流速为0，故射流风机的理论推力为:

式中，ρ为空气密度(kg/m3);QVF为风机中空气体积流量(m3/s);VF为风机出口空气平均流速(m/s)。

选择SDS-180型75 kW/37 kW 射流风机，QVF为77.6/57.6 m3/s，VF为 30.3/22.5 m/s;排 风 量 65 m3/s，开动75 kW可满足排风量要求。

上式仅适用于流速均匀分布的情况。而风机中的流速分布通常差别很大，主要取决于风机的设计，特别是叶轮上的轮毂直径与叶片长度的比、叶片设计基础(自由流动、强制流动或旋涡流)、整流体的效率以及流动障碍物的布置等。因此，射流风机的测试推力仅为理论推力的0.65倍或更低，故Tm取1 650 N。

3.6 隧道中射流风机数量的确定

根据隧洞中所需总推力41 100 N的要求，当所选射流风机单机推力1 650 N时，所需风机数量为25台。污浊空气通过系统射流风机排出，每240 m布置一台。

4 通风设备选型及布置

4.1 通风设备配置(见表1)

表1 4#引水洞通风设备型号及配置

4.2 通风风机布置

4#引水隧洞的通风主要包括工作面通风和高强度运输尾气污染后洞身段污风排放，其工作面取风与污风排放风路及风机布置分别见图3和图4。

图3 4#引水洞工作面风路及风机布置

图4 4#引水洞污风排放风路及风机布置(单位:m)

5 结论

1)4#引水隧洞通风系统问题非常严重，掌子面和洞身内因高强度无轨运输尾气污染后的污风风量极大，且持续时间非常长(直到工程结束)，如果不采取切实可行的工程措施，将会严重影响施工质量、进度并伤害施工人员身体健康。

2)采用240 m布置一台射流风机排污风的方案可以满足4#引水洞掌子面掘进污风以及洞身内的因高强度运输尾气排放要求。

3)由于隧洞断面较大，在隧洞顶部布设射流风机，会使隧洞上部风速大于下部风速，下部风速在0.325～0.400 m/s之间，隧洞上部排风效果要好于下部。

［1］陈豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995.

［2］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］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:中国电力出版社，2000.

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