秦岭隧洞(黄三段)3号洞施工通风方案比选

(水利部水利工程建设质量与安全监督总站陕西省引汉济渭项目站， 陕西 西安 710000)

秦岭隧洞(黄三段)3号洞施工通风方案比选

陈红如

(水利部水利工程建设质量与安全监督总站陕西省引汉济渭项目站， 陕西 西安 710000)

以引汉济渭工程秦岭隧洞(黄三段)3号洞为例，针对4km独头掘进的实际情况，为了保障施工人员的人身安全，实现节约能源的理念，进行施工通风方案设计比选，以选择最优方案，既确保了作业安全，又体现了经济价值。

隧洞；通风；比选；节能

施工通风一直是隧道施工有序开展的重要保障措施，通风效果的良好与否，既关系到隧道施工的正常进展，又影响到施工人员的身体健康，因此，相关隧道施工规范中，均对施工通风进行了严格的要求。对于公路、客专等隧道来说，因其高、宽尺寸均较大，施工条件远远好于单线铁路和引水隧洞等小断面隧道，设备现场布置也较为容易。

在小型隧道施工现场，由于衬砌台车、仰拱栈桥及施工机械的影响，通风设施的布置较为困难，如果处理不当，极易造成通风失效，危及施工人员安全。对于小断面隧道，施工通风的设计是个较大的难题，在保障作业人员安全的前提下，创造更高的经济价值，是一个更大的难题。

本文以引汉济渭工程秦岭输水隧洞(黄三段)3号洞为例，针对斜井进主洞并长达4km独头掘进的实际情况，采用方案比选的方式，选择最经济的施工方案，以体现效益最大化的目的。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭输水隧洞(黄三段)隧洞Ⅱ标主隧洞桩号起点为K7+929，终点为K16+481.16，总长8552.16m，隧洞设计流量70m3/s，纵比降1/2500。标段设两条施工支洞，其中3号施工支洞与主洞交汇处对应主洞桩号为K10+274.99，支洞全长为979.97m，平面布置与主洞夹角60°，采用圆拱直墙型断面，断面尺寸为6.8m×6.0m。根据任务分割，3号主洞段全长5346m，其中上游方向约为2346m，下游方向约为3000m，采用马蹄形断面，断面尺寸为6.76m×6.76m。

2 施工通风方案设计

2.1 设计参数

正洞全断面开挖，有效爆破深度取3m，按最大开挖断面计算，开挖面积A=56m2；单位体积岩石炸药用量，全断面开挖取1.0kg/m3；排除炮烟通风时间取值20min；软管百米漏风率，在长距离通风情况下，取值P100=2.0%；柴油机用风指标取值4.0m3/min·kW；达西系数取值λ=0.015；自卸汽车隧道内行车速度为12km/h，在斜井或者出现路面不平整时，车速为5km/h。

2.2 通风计算[1]

隧洞施工采用无轨运输，每个工作面均采用独立供风，斜井供风长度为1000m，主洞上游供风长度2346m，主洞下游供风长度3000m。

2.2.1 按隧洞内施工的最多人数计算风量

每人每分钟需要的新鲜空气量q=3m3/min，风量备用系数取k=1.2，同时工作人数按m=60计算。则Q1=k·m·p=1.2×60×3=216m3/min。

2.2.2 按最低允许风速计算风量

按最低允许风速υ=0.15m/s，则工作面风量：Q2=60υA=60×0.15×56=504m3/min。

2.2.3 按最多炸药用量计算风量

单位炸药用量1.0kg/m3，循环进尺量3m，开挖断面积A=56m2。则一次爆破炸药用量G=1.0×(56×3)=168kg，计算炮烟抛掷长度：L0=15+G/5=15+168/5=49m。

计算长度49m，实际应用时，考虑到通风区段长度，要满足掌子面到二衬区段通风需求，按100m考虑，取L0=100m。取爆破后通风时间t=20min，工作面要求新鲜风量采用B.H.伏洛宁公式计算为

=679m3/min

从以上计算结果比较，按排除炮烟计算风量是所有计算风量中最大的，从安全角度考虑，工作面的设计风量暂取排除炮烟风量Q=700m3/min。

2.2.4 计算平均风速

2.3 施工通风的工作面风量计算及风机选择

施工通风根据不同施工阶段的任务划分及长大隧道的施工经验，采用压入式通风方案，各部位通风设计距离见表1。

表1 通风设计距离一览

2.3.1 供风量的确定

风机的供风量按稀释内燃设备废气的要求来确定，采用24t红岩自卸车出渣，装机功率225kW。采用ZL50型装载机装渣，其功率为150kW。重车的负荷率为0.8，空车的负荷率0.3，装载机的负荷率0.7，所有设备的利用率0.8。每辆车装渣循环时间为6min，行车时速为12km/h时，重车的行车间距为1200m，各施工部位机械布置及供风量见表2。

表2 各部位机械布置及供风量一览

根据既有施工经验，取百米漏风率P100=2%，采用漏风系数计算公式为

式中PL——漏风系数；

L——通风距离，m。

经计算，各段落漏风系数见表3。

表3 漏风系数计算

取工作风量为700m3/min，通风机的风量选择见表4。

表4 风机风量选择

压入式通风以满足掌子面最大风量需求为主，同时应使整个洞室作业环境也要基本满足要求。工作面的需求风量仅为700m3/min，按表2稀释尾气后机械需要确定风机风量，自然也满足工作面的风量要求，但采用此计算方法，耗电多不经济，故选择风机时，适当放宽对风量和风压的要求。

2.3.2 风压的确定

管道阻力系数Rf计算见表5。

表5 管道阻力系数Rf计算

表6 沿程损失计算

根据以上公式，计算后各风机风压见表7。

表7 风机风压计算成果

2.3.3 风机功率计算

风机功率计算公式为

W=QHK/60η

式中W——风机功率，W；

Q——风机供风量，m3/min；

H——风机工作风压，Pa；

η——风机工作效率，取80%；

K——功率储备系数，取1.1。

W1=3600×11000×1.1/(60×80%)/1000=908kW

W2=2400×5000×1.1/(60×80%)/1000=275kW

W3=1800×2700×1.1/(60×80%)/1000=110kW

W4=1200×1000×1.1/(60×80%)/1000=28kW

W5=2400×1200×1.1/(60×80%)/1000=66kW

W6=4000×3000×1.1/(60×80%)/1000=275kW

2.4 风机选型

根据以上计算，该隧洞通风，主要需要轴流风机和射流风机两种，轴流风机拟选用天津生产的多级和单级调速风机，射流风机选用SDS-11.2型。各施工作业面轴流风机具体型号见表8。

表8 各施工作业面轴流风机型号

根据经济性比选，采用方案2作为实施方案。

3 通风布置方案

在斜井1000m施工范围内，采用1台单级轴流风机进行压入式通风。斜井转主洞后，拟采用3种方案进行后期通风，衬砌作业时，每个台车配置1台射流风机。

3.1 斜井段压入式通风

斜井施工时，单级轴流风机安装在洞外，直接向掌子面压入通风，通风布置如图1所示。

图1 斜井段前期通风系统布置

3.2 比选方案一：主洞洞外压入式通风

该方案为常规施工方法，2台对旋式轴流风机安装在洞外，直接向掌子面压入通风，为防止上下游掘进不同步时造成压力不对称，斜井设3台射流风机组，通风布置如图2所示。

图2 主洞洞外压入式通风系统布置

3.3 比选方案二：主洞设蓄风房的压入式通风(斜井双风带)

2台单级轴流风机或对旋式轴流风机安装在洞外，通过2条风带向风房供风。在交汇段设置6×20m风房，风房采用24砖砌筑或活动板建造，顶部10cm敞开，通过风房采用2台对旋式轴流风机向上下游供风，其间距大于10m，斜井设置3台射流风机组，通风布置如图3所示。

图3 主洞设蓄风房的压入式通风系统布置方式一

3.4 比选方案三：主洞设蓄风房的压入式通风(斜井单风带)

1台对旋式轴流风机安装洞外，通过1条风带向风房供风，在风房用2台对旋式轴流风机向上下游供风，斜井设3台射流风机组，通风布置如图4所示。

图4 主洞设蓄风房的压入式通风系统布置方式二

4 方案选择

各方案均能满足安全要求，但该隧洞主洞施工时，因工期较长，需进行经济性比选，以选择最优方案，降低施工成本。根据工期要求，隧洞主洞作业时间3年，风机从低档到高档逐步转换，计算时按750天考虑风机负荷，各方案经济性对比见表9。

表9 各方案经济效益分析对比

从表9可以看出，采用方案2，相对于方案1，节约费用924万元，占总成本的114%；相对于方案3，节约费用190万元，占总成本的23%。从经济性角度考虑，推荐采用比选方案2。

5 结 语

隧道施工中，节能减排一直是技术人员研究的重点，也是科技攻关的难点，其直接影响项目的经济效益。本文通过实际案例，对斜井进主洞的小断面隧洞通风方案进行了比选，既选择了最优方案，又降低了成本投入，对类似工程可参考使用。

[1] 陈进明. 小断面长大过水隧洞通风设计[J]. 工程建设，2015，47(5)：28-32.

[2] 赖涤泉. 隧道施工通风与防尘[M]. 北京：中国铁道出版社，1991.

[3] 张梅，王晓州，等. 铁路隧道施工通风技术与标准化管理指导手册[M]. 北京：中国铁道出版社,2010.

[4] 朱永全，宋玉香. 隧道工程[M]. 北京： 中国铁道出版社,2013.

ComparisonofconstructionventilationplanofQinlingtunnel(HuangsanSection)No.3cave

CHEN Hongru

(MWRWaterConservancyProjectConstructionQualityandSafetySupervisionGeneralStationShaanxiHanjiangRiver-to-WeiheRiverDiversionProjectStation,Xi’an710000,China)

Qinling tunnel (Huangsan Section) No. 3 cave in Hanjiang River-to-Weihe River Diversion Project is adopted as an example. Construction ventilation plan design is compared aiming at actual condition of 4 km single head excavation in order to guarantee the personnel safety of construction staff and realizing the concept of saving energy, thereby selecting the optimal plan, ensuring operation safety, and embodying economic value.

tunnel; ventilation; comparison; energy saving

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.005

TV523

B

1005-4774(2017)010-0018-05