长大水工隧洞开挖施工通风方案设计与实践

(浙江省第一水电建设集团股份有限公司，浙江 杭州 310052)

1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程15标段工程包括输水隧洞桩号102+900～109+100(6200m)、 狮子山上游支洞(154m)、狮子山下游支洞(285m)、爬坞支洞(750m)、爬坞支洞口西南侧新建检修交通洞(308.286m)和桐村支洞(200m)。开挖区域主要为弱风化粉砂岩，围岩主要为Ⅱ～Ⅳ类围岩，最大开挖面面积约55m2。隧洞开挖采用光面爆破独头掘进，装载机配自卸汽车出渣。

2 通风方案

该工程隧洞开挖施工段掘进最长为爬坞支洞施工段，其独头掘进达到3233.72m，加之采用无轨运输，洞内的通风排烟问题较难解决，是影响隧洞开挖进度、质量、安全的主要因素。根据类似工程实际经验，该工程采用压入式通风为主，辅以吸出式通风的混合式通风措施，在工作面采用射流风机加速循环，并采用喷雾除尘等辅助方法加速降尘。随着隧道的逐步深入，每隔1000m串联风机加速抽排及压入效果。

3 通风设计相关计算

3.1 通风设计相关标准

在隧洞开挖过程中，由于钻孔、爆破、设备毒气以及地层释放出的有害气体等，使得隧洞内空气污浊，不及时排除有害气体，会严重影响施工人员的健康。因此，必须及时向洞内提供新鲜的空气，排除有毒有害的气体，降低粉尘的浓度。要符合以下卫生标准：ⓐ隧洞内的温度不能超过28℃，洞内的氧气含量不低于20%(按体积计算)；ⓑ有毒有害气体的浓度，一氧化碳不大于30mg/m3，施工人员的工作时间不超过30min；二氧化碳不得超过0.5%(按体积计算)；氮氧化合物(换算成NO2)质量的浓度不超过5mg/m3；ⓒ粉尘的浓度：游离二氧化硅浓度10%以上的粉尘，其浓度不得大于2mg/m3；游离二氧化硅浓度10%以下的粉尘，其浓度不得大于10mg/m3；ⓓ每人平均需提供不少于3m3/min的新鲜空气，柴油设备需提供不少于3m3/(min·kW)的新鲜空气。

3.2 设计参数

为了确保暗挖施工作业段的空气符合通风设计标准，设计时以隧洞最大开挖断面进行参数设定，具体见下表。

隧洞开挖通风设计相关参数表

3.3 风量、风压相关计算

3.3.1 风量的计算

从以下四个方面计算风量：按照隧洞内同时工作时最多人数所需要的新鲜空气计算最大风量V1；按隧洞内允许最低的风速计算风量V2；在规定的时间内把同时爆破且使用最多炸药量时所产生的有毒有害气体稀释到允许浓度以下的情况下计算风量V3；按稀释内燃机废气计算风量V4。通过相应的计算，取最大值。

a.施工人员所需的风量V1。施工相关人员所需风量值的计算：

V1=qmK=3×35×1.15=121m3/min

式中q——隧洞内每个人所必需的新鲜空气量，取3m3/min；

m——隧洞内同时工作时的最多人员数量；

K——风量的备用系数，取1.15。

b.按洞内允许最低风速计算风量V2。计算公式为

V2=60vminSmax

式中vmin——洞内允许最小风速；

Smax——隧洞最大开挖断面。

经计算，V2=60×0.15×55=495m3/min。

c.爆破散烟所需风量V3。该工程采用混合式通风，爆破散烟所需风量计算公式为

V3x=1.3V3y

式中V3y、V3x——混合式压入、吸出通风量，m3/min；

Q——同时爆破所需最大炸药量，kg；

Ly——压风管口至工作面距离，取30m；

t——爆破后的通风时间，min。

经计算，爆破散烟所需风量为

V3y=142m3/min

V3x=185m3/min

d.使用柴油机械时的通风量V4。按单位功率需风量指标计算：

V4=v0P

式中v0——单位功率所需风量的指标，取

4.1m3/(kW·min)；

P——隧洞内同时工作的柴油机械总额定功率，kW。

经计算，V4=4.1×(3×99+145)=1812m3/min。

e.风管漏风损失修正风量。通过上述计算，选其中最大值作为计算风量，即使用柴油机械时的通风量1812m3/min。

该工程单头掘进最大长度为3233.72m，考虑管道百米漏风率B=1.5%，可得风机所需风量为Q=V4/(1-B)L/100=2954m3/min。

3.3.2 风压的相关计算

通风的阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在风流的全部流程内均存在，局部阻力发生在管道断面变化的地方。为了保证能把所需要的风量送到工作面上，并能在出风口保持一定量的风速，风流经过风管时所需的总风压为风机工作风压，按下式进行计算：

hm=hky+hp

hky=(λ/D)(ρv2/2)L

式中hm——风机工作风压，Pa；

hky——沿程风压损失，Pa；

L——风管总长，m；

λ——管道沿程阻力系数，取0.005；

D——风管内径；

ρ——空气密度，取1.23kg/m3；

v——风筒内平均风速，v=Q/S风筒=

2954/(3.14×0.62)=2613m/min；

hp——局部的风压损失值，Pa，包括各连接段的局部风压损失，按沿程风压损失值的25%考虑。

经计算，hky=5658Pa，hm=7073Pa。

3.4 风机的选择

根据该工程单头掘进需风量2954m3/min，综合考虑当前市场上的轴流式风机产品的性能，风筒直径确定为1.2m，选择SDDY-Ⅲ 14.0 型轴流式风机，风机直径1.1m，高效风量为50m3/s，功率200×2kW，全风压550～7530Pa。

4 风管与风机布置

4.1 风管布置

a.洞口外正压风管管口应朝下，负压风管管口应朝上，以防止洞口废气回流。

b.在预留足够安全距离的前提下，正压风管末端紧跟开挖工作面，正、负压风管末端间距80～150m，正压风管在前，负压风管在后，防止通风短路。

c.风管需做到平顺、紧直，加大每节风管的长度，以减少因接头阻力而损失的风量。

d.施工支洞内压入式风管采用两路φ1200的硬质钢丝风管，抽出式风管采用两路φ800的软质风管，使上下游风管分开布设，独立控制。

e.输水隧洞内的压入式风管通常采用φ1200的硬质钢丝风管送风，在距离开挖作业面100m范围内由于受到爆破冲击波及飞石的影响，采用φ1200的软质风管送风。

f.输水隧洞内的抽出式风管全部采用φ800的软质风管。

4.2 风机布置

该工程通风最长线路达3233.72m，长工作面一台风机不能满足需要，需每隔400～500m串联一台11kW轴流式风机运行。

长工作面隧洞通风布置见下页图。

长工作面隧洞通风布置示意图

5 风机的管理

爆破后应先关掉压入式风机，用抽出式风机快速排除工作面的有害气体，尽快恢复循环作业，再采用压入式风机向隧洞内提供新鲜的空气。

隧洞开挖过程中必须加强环境意识，重视通风工作，组建专业的通风班组，负责通风机、通风管安装、维护，以及通风方式变换、漏风量测定，并承担通风效果责任。做好通风除尘的首要工作是通风监测，通风相关技术人员要做好日常的有害气体浓度控制，根据浓度调整适宜的风量，合理供风。

进入支洞中转运的自卸汽车须配置低污染、有废气净化装置的柴油机械，汽油机械不准进入支洞。

6 降尘的措施

隧洞开挖中采取湿式凿岩的方法。根据以往的经验，湿式凿岩可降低80%的岩粉。在作业中水压要稳定、水量要充足、操作要规范，遵循先开水后开风，先关风后关水的原则，爆破后采用洒水降尘的措施，冲洗岩壁，保证做好湿式凿岩。喷混凝土时采用湿喷工艺，达到减少粉尘含量的效果。

同时针对进洞的所有机械采取以下措施：

a.加强对进洞机械的维修保养。对洞内所有的施工机械进行定期的保养、检查，提高内燃机柴油的燃烧率。

b.选择适当的油料及柴油添加剂。在施工中使用含硫量低的柴油，并选用适宜的柴油添加剂来降低一氧化碳的排放浓度。

c.对部分有关机械设备采取机外净化的措施，装配专用的有催化剂的附属箱，将其与尾气排放管连接，用催化剂和水洗的办法降低废气中有毒有害的气体。

7 通风效果分析

在隧洞开挖中，通风时间随着隧洞长度的不同而需要20～40min不等，基本符合计算时所选用的时间。通过不同时段及不同掘进深度对洞内有害气体及粉尘浓度的监测，工作面的空气质量、粉尘浓度均可达到设计要求，空气质量状况良好。

8 结 语

该工程隧洞开挖的实际情况证明，通过计算风量的方式来选择适当的通风机、防止粉尘的扩散，很好地解决了单头掘进长大隧洞的施工通风和粉尘控制难题，取得了比较满意的通风效果，很好地保护了洞内施工人员的身体健康与生命安全，大大缩短了爆破后通风排烟的时间和作业循环的时间，加快了工程的施工进度，取得了一定的社会效益和经济效益。