科哈拉水电站引水隧洞施工通风设计

王贤忠 梅占敏 张 晴 张 军

1 工程概况

科哈拉（Kohala）水电站引水隧洞设计引水流量为425 m3/s，采用双洞布置（TA和TB隧洞），圆形断面，洞径为8.5 m，单洞长度约17.4 km，围岩类别以Ⅲ类为主，Ⅳ类次之，局部为Ⅱ、Ⅴ类。隧洞采用钻爆法施工，每条支洞作为施工通道，同时进行TA和TB隧洞的施工。

隧洞施工由于钻孔、爆破、装渣运输及支护等工作，会造成大量的烟雾、灰尘等有害气体。因此，施工通风是隧洞施工的关键工序。

本工程引水隧洞施工共布置6条支洞，引水隧洞单工作面最大施工长度为5 001 m（A3支洞+上游主洞施工段）。施工通风是基于此工况设计。

2 隧洞通风方式

2.1 隧洞通风方式原则

（1）施工通风将直接影响施工进度、文明施工和员工的身体健康，通风系统布置必须满足施工人员正常呼吸及冲淡机械废气、有害气体和降温等的最小通风量，并保持洞内空气最小流动速度15 m3/min。

（2）地下工程开挖中，空气中一氧化碳含量不高于30 mg/m3，二氧化硅含量不应超过1 mg/m3。

（3）机械通风主要选用在隧洞工程施工广泛应用的SD-Ⅱ和2SZ系列子午对旋轴流风机。由于管线较长，需要风机接力。

（4）施工过程中主要采取以下措施对：隧洞内通风条件的优化①通风管吊挂做到平、直、紧、稳、顺，增大每节风管长度，减少风管接头，以减少风量损失；②大量使用新设备、尽可能少用油动设备、为油动设备配装空气滤化器，采取湿喷混凝土工艺、湿式钻孔、爆破后喷雾降尘等措施来减少污染源；③加强施工现场空气质量监测，根据监测结果优化通风系统布置；④注重施工人员劳动保护工作，配发必要的防护、劳保用品，保障施工人员的人身安全。

2.2 隧洞通风方式

由于两条引水隧洞（TA和TB隧洞）互相平行，并有连接洞将两洞连接，已经形成巷道掘进混合式通风情况，因此，引水隧洞施工通风采用“轴流风机送风、射流风机局部排风”的通风布置方式。

3 隧洞通风设计

3.1 隧洞通风计算依据

根据隧洞施工程序、方法、施工设备配置及通风方式的安排，计算出满足施工人员正常呼吸及冲淡、排出地下溢出有害气体等的最大通风量。引水隧洞根据通风散烟的时间、一次起爆药量、隧洞断面的最小风速、内燃机废气稀释的要求，采用纯稀释理论、隧洞最小风速、洞内涡流3种计算方法进行通风量的计算并确定通风方式，选定的通风量选择通风设施。

3.2 隧洞通风设计

3.2.1 主要设计参数

根据施工开挖程序及爆破设计参数，确定以下相关参数：

（1）工作面开挖面积：引水隧洞开挖面积按S=78.5 m2计；

（2）一次开挖长度：L=3.0 m；

（3） 单耗药量及循环药量：1.3～1.8 kg/m3，300～400 kg；

（4）洞内最多作业人数：按120人计；

（5）爆破后通风排烟时间：按30 min计；

（6）通风管：采用Φ1 600 mm软质风筒；

（7）管道百米漏风率：P100=1%；

（8）风管沿程摩阻系数（达西系数）：λ=0.01，a=P100λ/8=3.0×10-4kg·s2/m4；

（9）炮烟抛掷长度：LS=15+185.1/5=54.02 m。

3.2.2 隧洞通风总量计算

由于洞内多采用油动设备开挖出渣，洞内污染主要来自3个方面：一是粉尘，来源于爆破、喷锚及钻孔产生的岩尘、炮烟、水泥尘等；二是有害气体，如SO2，NOX等，主要源于炮烟和围岩；三是油动设备废气。

隧洞通风总量计算从4个方面考虑，即按洞内最多人员数计算得Q1，按洞允许最低风速计算得Q2，按排除爆破炮烟计算得Q3、按稀释内燃机废气计算得Q4，最后求得工作面所需风量Q=Max（Q1、Q2、Q3、Q4）。

经计算，上述4种工况计算出的通风总量，控制最大为稀释内燃机废气所需的通风总量（Q4）。

隧洞通风计算最大风量为1 392 m3/min，考虑理论计算与实际的偏差及各种不确定因素，工作面计算风量按Q=1 500 m3/min计。

3.3 隧洞通风风量计算

根据通风长度和百米漏风率，应用公式Qm=Q/（1-0.01L/100），通风采用接力通风方式，每2 000 m设一接力，因此，风筒长度按L=2 000 m计算：

Qm=Q/（1-0.01L/100）=1 875 m3/min

故引水隧洞施工时，至少要配备1 875 m3/min通风能力的风机压入式通风，以满足施工通风需要。

3.4 隧洞通风风压计算

为保证将洞内污浊空气及时排出洞外。并在其出口保持一定风速和风压，通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h机＞h阻。

动压h动取50 Pa；由于支洞与主洞之间有较大转弯，局部压力损失h局较大，按沿程压力损失的10%估算。

沿程压力损失：

h沿=（agpLQ2/s3）/2

式中 a——风筒摩擦阻力系数，a=3.0×10-4kg·s2/m4；

g——重力加速度，取9.8 m/s；

p——风筒内周长，取1.3×3.14=4.08 m；

L——风筒长度，m；

Q——风量，m3/s；

s——风筒截面积，取（1.6/2）2×3.14=2.00 m3。经过计算，所需风机的风压见表1。

表1 风机风压计算结果

根据施工通风需要，引水隧洞风筒供风长度最长为2 000 m，为保证正常通风风压需要，故所选风机风压应不小于3 959 Pa。

3.5 风机及风筒选型

3.5.1 风筒选型

施工中主洞选用直径1.6 m风筒作为主压入式风筒。考虑支洞向上下游两侧供风，因此，支洞直径2.5 m风筒作为主压入式风筒。具体详见图1。

图1 风机、风筒布置示意图

3.5.2 风机选型

根据上述通风量计算，按施工组织设计需要，将风机各主要施工通道及通风洞洞口，风机数量及性能参数详见表2。

表2 风机性能及参数

3.5.3 风机布置

风机布置以A3支洞施工通风作为典型设计。A3支洞通风长度见表3。

表3 A3支洞通风长度统计表 m

根据A3支洞通风工况，A3支洞配设双风筒，风筒直径为2.5 m，在支洞口设SD-Ⅱ-180通风机2台。

TA引水洞上游掘进通风配设风筒直径为1.6 m，采用接力通风，通风长度5 001 m，接力3次，接力风机采用2SZ-125B通风机。下游掘进通风配设风筒直径为1.6 m，采用直接通风。

TB引水洞上游掘进通风配设风筒直径为1.6 m，采用接力通风，通风长度5 001 m，接力3次，接力风机采用2SZ-125B通风机。下游掘进通风配设风筒直径为1.6 m，采用直接通风。主洞上下游开挖掌子面各配射流风机1台。

在主洞每个开挖掌子面，各配射流风机1台，随隧洞掘进移动。同时，沿主洞间隔约800 m配射流风机1台，用以加快隧洞内风的流动。风机布置见图1。

4 结语

隧洞通风设计是隧洞掘进中一项非常重要的工作，成功的通风设计，可使隧洞掘进速度加快，改善施工环境，增加工作面长度。科哈拉（Kohala）水电站引水隧洞通风设计具有代表性，对今后隧洞通风设计具有参考价值。