小直径长距离泥水平衡盾构施工通风技术研究

裘水根

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海市天然气崇明岛——长兴岛段过江隧道采用盾构法施工，线路起始于长兴岛北过江井。线路走行在长江大桥东侧，与长江大桥基本平行（图1），出过江井后，线路穿越长兴岛北子江堤、长江北港水域、崇明岛主江堤后上行接入崇明岛过江井（在崇明清管站内）。

图1 隧道线路设计示意

江中隧道段中心线全线距离长江大桥规划红线187～200 m。全线在江中设置3个平曲线半径，半径分别为7 770、7 230、3 000 m，越江隧道长约8237m。

圆隧道的衬砌结构内径为3.4m，外径为3.96 m，环宽为1.35 m，装配式衬砌环全环分成6块，由1块小封顶块F、2块邻接块L和3块标准块B构成。采用通用楔形衬砌环形式，错缝拼装。采用块间铸铁预埋件＋短直螺栓和环间弯螺栓接头形式。隧道运营阶段采用水填充，填充水位高于洞口约1 m。

2 通风方式选择

本工程隧道内径只有3400mm，掘进距离长且纵坡面呈“V”形，特别是当盾构进入上坡推进时，工作面产生的热量和潮气无法自然排出，不仅对盾构设备和工作人员的身体带来不良的影响，而且也会严重影响测量工作的顺利进行。

为了保证通风质量，采用压入式通风，通风长度为8 250 m，通风管采用较大直径软管。由于本隧道送风距离长，独头通风困难，因此拟采用接力方案。因隧道空间有限，故通风管直径按700 mm设计，布置于洞顶，利用管片内预埋螺栓连接悬挂（图2）。

图2 隧道风管布置示意

1）方案一：洞内二次接力通风。长距离接力通风时，每台风机应保证其供应的风管出风口风量大于接力风机所需风量，因此风机放置距离应逐渐加大。初步设计地面放置1台轴流式送风机F1，经深约22 m的竖井拐2个90°弯头后进入TBM洞（此阶段建议采用φ800 mm钢制风管及弯头），通过高强度PVC风管将新鲜空气送2 000 m至洞内接力风机F2，接力风机F2送风约2 750 m至接力风机F3，接力风机F3送风约3 500 m至盾构机尾部（图3）。

图3 洞内二次接力通风布置示意

2）方案二：洞内一次接力通风。初步设计地面放置1台轴流式送风机F1，经深约22 m的竖井拐2个90°弯头后进入TBM洞（此阶段建议采用φ800 mm钢制风管及弯头），通过高强度PVC风管将新鲜空气送3 500 m至洞内接力风机F2，接力风机F2送风约4 750 m至盾构机尾部。

进一步分析，本隧道空间有限，因此配套风管直径为700 mm，如采用洞内一次接力，则风机压力过大（17 700 Pa），而所需风机体积过大也会造成洞内安装困难。因此本隧道选择二次接力，即由3台风机供风的方案一。

3 隧道施工通风系统设计

3.1 风量的计算

风量计算按压入式通风考虑，确定工作面需风量，需计算出满足洞内除尘要求风速所需空气量Q1，满足洞内工作人员呼吸所需空气量Q2，取其最大者即为压入式通风系统出风口的所需风量Q需。经计算，Q1=157 m3/min，Q2=108 m3/min，故Q需=157 m3/min，为隧道工作面所需新鲜风量即F3风机风管出风口的风量。

1）由于采用接力通风，故应先计算F3风机所需的风量，供风长度为3 500 m，考虑风管漏风，经计算，F3风机提供的风量应为QF3=223 m3/min。

2）考虑接力通风方式，容易造成接力点风机吸入部分污风循环。因此F2风机风管出风口所供的风量应满足1.05倍的F3风机所需的风量，即234 m3/min，供风长度为2 750 m，考虑风管漏风，则F2风机提供的风量应为QF2=308 m3/min。

3）同理，F 1风机风管出风口所需的风量为323 m3/min，供风长度为2 000 m，考虑风管漏风，则F1风机提供的风量应为QF1=395 m3/min。

3.2 各接力段通风阻力的计算

各接力段通风阻力的计算为摩擦阻力与局部阻力之和。经计算，F3通风阻力为6 171 Pa，F2通风阻力为9 240 Pa，F1通风阻力为11 055 Pa。

3.3 机械设备的选型

根据以上计算，风机应满足风量、风压要求，通风机性能参数选型如表1所示。

表1 通风机性能参数

需要说明的是，以上风机是按最长通风距离计算的，实际通风长度是渐进的，因此当通风距离较短时，变频控制采用低频频率运行即可，待下一个接力风机工作时，再全负荷运行。此方案通风总功率为222 kW。

3.4 隧道焊接烟尘处理

结合本项目隧道口径小、线路长、焊接点多、涉及范围广等特点，拟采用设置机械排烟系统的方式进行焊接烟尘的处理。通过设置机械排烟系统，利用一种吸除管道焊接烟尘的专用吸烟口（我公司已申请专利），通过排烟风机产生的负压作用，将烟气吸入管道，再由风机接力将烟尘通过排烟风管排送至不影响人员工作的区域外，使之自然飘散。同时将移动式烟尘净化器作为现场零星焊接及局部焊缝返修焊接作业时的烟尘处理设备。

4 通风系统布置

隧道施工期间，整体的布置如下：隧道右侧为掘进附属管路，包括循环水管路，进、排浆管路，高压风管，排污管及高压线等；隧道左侧每50 m设一避车台供人躲避管片运输车，每100 m安装1个VMT导向系统的激光站支架。隧道正中间设轨道，供运输管片电瓶车进出，风管设于最顶端（图4）。

图4 隧道施工主道的通风布置示意

此外，由于隧道施工工艺较复杂，隧道内设备、管路较多，施工期间车辆运行需要有交会，同时隧道内每隔1 000 m左右设有排浆泵站。在车辆交会区与排浆泵站处空间更是狭窄。风管设于最顶端，既不影响交通，也不遮挡VMT导向激光站所发出的激光。

5 结语

本文针对上海市天然气崇明岛—长兴岛—浦东新区跨长江管道工程的小直径、长距离等特点，分析与研究了隧道施工的通风方式，主要结论与建议如下：

1）在小断面、长距离盾构隧道施工中，通风计算以满足作业人员的呼吸要求和洞内最小风速为主要控制指标。

2）经过计算，采用压入式洞内二次接力通风的方案可以满足长距离隧道施工的需要。

3）实际上在最前端的作业面——盾构机操控室和管片安装区是通风效果最差的位置，由于隧道断面小、设备复杂的特点，风管有可能不能延伸到作业面，从而降低通风的效果，这需要在现场施工中进一步优化方案。

4）对于小直径、长距离隧道的通风，最理想的是采用“长压短抽式”的混合式通风方式，即主要采用压入式通风，将新风压送至掘进面，同时尽量将掘进面区域的污浊气体使用抽出式风机抽走。这种改进的通风方式，不仅可将盾体处的高温空气或由渣土带出的有毒气体迅速抽出，且能更好地改善施工人员的工作环境，值得进一步研究。这将会是今后小直径、长距离隧道施工通风的主要方式。