小风室接力通风在引水隧洞斜井进主洞施工中的应用

刘国平

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

中国属于缺水国，人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，而且分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方淡水资源的1/4［1］。因此，为了科学合理调配淡水资源，修建长大引水隧洞成为目前国内淡水资源调配的重要基建内容。由于引水隧洞的修建具有长、大、深埋及地质条件复杂等特点，故无论采用何种工法，其施工通风问题均是制约长大隧洞施工的瓶颈。据统计，国内引黄入晋联接段7#隧洞TBM独头通风最长距离为13.52 km［2］，锦屏二级水电站引水隧道钻爆法无轨运输施工独头通风约4 km。

为了解决长大隧洞施工通风难题，目前国内采用的通风方式主要有自然通风、压入式通风、抽出式通风、混合式通风、巷道式通风、风仓式通风和风室接力通风等［3－6］，鉴于通风设计受隧洞长度、断面尺寸、设备配置、施工工艺等影响，每一种通风方式都具有一定的唯一性。本工程最长独头通风距离达6 386 m，且主洞净空断面小，需要考虑同步衬砌、车辆通行安全距离和风管直径等因素，采用传统的通风方式已不能满足施工需要，需要通过创新来解决以上通风限制条件。在实施过程中分析粉尘及有害气体的来源，采用工序合理优化、降尘及限制尾气排放等辅助通风措施［7－9］，从而最终达到了预定施工通风效果。

1 工程概况

引汉济渭秦岭隧洞3#支洞位于陕西省宁陕县境内，斜长为3 885 m，平距3 872 m，综合坡度8.18%，最大坡度 9.03%，城门洞型断面，净空尺寸为7.7 m ×6.75 m(宽 × 高)，洞口与交叉口高差约317 m，支洞进入主洞后承担4 km主洞钻爆施工任务，属于单斜井单正洞双向掘进，上游施工2 500 m，下游施工1 500 m，主洞坡度1/2 500，马蹄形断面，净空尺寸6.76 m×6.76 m，支洞与主洞上游方向夹角37°31'45″，施工任务见图1。本工程为支洞进入主洞后钻爆法施工无轨运输特长隧洞，通过斜井独头掘进最长达到6 385 m，考虑到通风长度、主支洞断面、衬砌等条件限制，难以为每个工作面布置2路风管，施工通风难度较大。

2 独头通风方案

综合考虑本隧洞的工程实际情况，采用独头压入式通风进行隧洞施工通风。具体通风方案为:在支洞口设置2台2×185 kW大功率轴流风机，通过2路φ 1 800 mm软质风管将新鲜风送至小风室内，小风室设置在主支洞交叉口主洞段扩大段上部，采用I16型钢配合2 mm的铁皮将风室底部及侧面封住，采用沥青和喷射混凝土将缝隙密封。在小风室内设置2台2×110 kW轴流风机将新鲜风送至上下游掌子面(见图2)。通过风机接力的形式将主洞通风距离由最长6 385 m减至2 500 m，提高了通风的可行性。

图1 施工任务平面布置图Fig.1 Sketch plan of the tunnel

图2 施工通风布置图Fig.2 Arrangement of construction ventilation system

3 通风设计

3.1 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的炮烟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。

3.1.1 主要计算参数

洞内同时工作最多人数按49人/工作面考虑。根据TB 10120—2002《铁路隧道施工规范》规定洞内允许最小风速vmin=0.25 m/s;洞内每人应供应新鲜风3 m3/min;内燃机械设备作业供风量3 m3/(min·kW);风管平均百米漏风率为β=0.015;风管摩阻因数λ=0.02。

3.1.2 风量计算过程

1)按人数计算时，所需要风量

式中:N为同时作业人数，49人;q为每人供应新风量，3 m3/min。

经计算需风量约为147 m3/min。

2)按最小风速计算时，所需风量

式中:v为最小允许风速，取0.25 m/s;S为隧洞断面积，48.89 m2(最大处断面)。

经计算需风量约为733 m3/min。

3)按稀释和排出内燃机废气计算时，所需风量

装载机功率为162 kW，出渣汽车功率为214 kW，经计算需风量为1 128 m3/min。

4)排出炮烟计算时，所需风量

式中:t为通风时间，取30 min;m为一次爆破炸药消耗量，取187.5 kg;F为隧道断面面积，取48.89 m2;L为通风换气长度，取100 m。

经计算需风量为394.6 m3/min。

通过以上计算取最大值1 128 m3/min作为供风量。

3.2 通风布置

本工程属于典型的单斜井单正洞双向掘进工程，斜井、正洞都采用无轨运输方式。斜井到正洞最长独头通风距离长达6 385 m，根据现场施工条件，施工开挖通风可分为3个阶段:

1)第1阶段。斜井施工前期，在洞口布置1台SDF(C)－No12.5型轴流风机和φ 1 600 mm通风管路向开挖工作面采用独头压入式通风。

2)第2阶段。斜井进入正洞后，考虑到正洞大里程和小里程同时开挖，而第1阶段的施工通风方式已不能满足现场开挖施工要求，拟采用保持洞口风机不变，在斜井距洞口3 200 m处布置1台 SDF(C)－No11.5轴流风机作为接力风机，风管采用φ 1 600 mm软风管，同时在斜井与正洞交叉处采用“三叉型”布置方式同时向大里程和小里程送风，通过计算，满足通风需求。现场布置图如图3。

图3 第2阶段平面布置图Fig.3 Sketch plan of the tunnel in the second stage

3)第3阶段。在大、小里程开挖形成安全距离后，在3#洞斜井井口设置2台大功率轴流风机，同时拆掉斜井的风机，在斜井布置2趟大直径软风管采取压入式通风，将新鲜风送至井底风室，在井底风室设置2台轴流风机分别向上下游开挖面送风。具体布置见图2。

3.3 阻力计算和风机选型

1)井底风室通风设备的选型。通风阻力则因选择的风管直径和风机型号以及送风距离的不同会有很大差距。通过理论计算比较，正洞选择直径1 600 mm的通风管，其通风阻力(Qf为风机出口风量)

配备2×110 kW风机和1 600 mm通风管配备，无轨运输按照内燃机计算。

当送风距离 L=2 500 m时，通风阻力 p=2.99，供风量为1 775 m3/min，风管出口风量为1 216 m3/min，

通过风阻特性曲线和不同通风机的性能曲线联合做图，选择合适的风机，从而确定通风机的工况点，得到通风机的供风量和风压。按本风机和风管配置的最长送风距离2 500 m比较，在送风距离达到2 500 m时，风管出口风量1 216 m3/min，大于掌子面所需最大风量1 128 m3/min，风量在控制范围内。风机性能曲线和管路阻力曲线见图4。

图4 风机性能曲线和管路阻力曲线图Fig.4 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根据以上计算结果，井底风室采用2台2×110 kW SDF(C)－No12.5型通风机，风管采用φ1.6 m PVC拉链式软风管。

2)洞口通风设备的选型。370 kW风机和1 800 mm通风管配备，当送风距离L=3 900 m时，通风阻力P=2.16，供风量为 3 539 m3/min，风管出口风量为1 963 m3/min。风机性能曲线见图5。

图5 风机性能曲线和管路阻力曲线图Fig.5 Ventilation fan performance Vs pipeline resistance

根据以上计算结果，斜井口采用2台2×185 kW SDF(C)－No14型轴流通风机，井口风机向井底风室供风量为2×1 963 m3/min，即3 926 m3/min。满足风室2台风机所需风量2×1 775 m3/min。斜井风管选择φ 1.8m PVC拉链式软风管。通风设备性能参数和配置数量见表1。

3.4 井底风室结构

井底风室中隔板采用2 mm厚的钢板分隔，I16型钢托梁，结构形式见图6。角铁托架焊接在既有的支护拱架上，风室容积取170 m3，同时在风室端头设置一泄风室，为风机检修和风室风压过大时泄压。

4 过程优化及效果

4.1 施工组织优化

为了降低通风及运输成本，在实施过程中，结合上下游施工特点，将上下游同种工序错开，即最大需风量为一个掌子面出渣时的设备尾气排放需风量加上另一个掌子面施钻时的人员需风量，这样就可以有效地降低通风压力。

表1 主要通风设备参数表Table 1 Parameters of major ventilation equipment

图6 风室断面结构示意图Fig.6 Structure of plenum

4.2 降尘及限制尾气排放措施

通风的目的是为了降尘、稀释有毒有害气体等，采用科学合理的辅助措施可以有效地降低空气中粉尘含量和减少内燃机车的尾气排放。本工程现场先后进行了水幕降尘，并在内燃机车排气管安装外部尾气净化装置。在实施过程中发现，在放炮后距掌子面30～40 m位置(在风管口至掌子面之间)设置水幕降尘装置(在隧洞大跨以上安装1条直径5 cm的塑料软管，在软管上间隔20 cm设置一雾化喷头，软管与高压水管相连，放炮前打开闸阀，出渣结束关闭)除尘效果良好。在放炮后通风约20 min后，掌子面附近粉尘含量明显降低，通视条件较好，从一定程度上改善了洞内作业环境。为此，多次对洞内空气质量进行了检测，有害气体及粉尘含量远低于允许值。

4.3 方案优化

通过施工组织优化、降尘措施等通风辅助措施试验，现场空气质量得到了有效提高。鉴于此种情况，现场对空气质量检测与方案优化进行动态管理，通过空气质量检测效果对通风方案进行调整。

通过现场实际检测，将通风方案优化为支洞口至风室的通风管路设置一路φ 1 800 mm的软质风管，洞口只设置1台2×185 kW轴流风机，风室至上下游掌子面轴流风机优化为2×55 kW，目前检测效果良好。

4.4 效果检测

1)检测仪器。见表2。

表2 检测仪器配置表Table 2 Measuring apparatus 台

2)检测效果。以目前工程实施最大长度(上游已施工1 829 m，下游已施工1 100 m)进行现场检测，检测结果汇总见表3。

表3 现场检测结果汇总表Table 3 Measuring result

5 结论与建议

5.1 结论

1)采用小风室接力通风具有工艺简单、可靠、经济等特点，可以很好地解决一定长度隧洞独头施工通风的难题，取得较好的通风效果。

2)辅助通风措施的应用能够有效地降低洞内粉尘、内燃机车尾气含量，从一定程度上能够起到改善作业环境的作用。

5.2 建议

1)在工程实践中，目前国内常规开挖隧洞使用除尘风机的情况较少，而国外使用较多;因此，建议在长大隧洞施工中增加除尘风机来改善施工作业环境。

2)结合国外长大隧洞施工情况，一般在通风系统设计配置有低噪音、低能耗、高效等特点的通风机，建议在长大隧洞施工中通过经济、技术及性能和匹配对比优选配备低噪音、低能耗及高效风机。

3)降低内燃机车的尾气排放量是改善洞内作业环境的有效措施;因此，建议配置隧道专用设备，并增加燃料添加剂和尾气过滤装置。

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