引汉济渭工程岭北TBM 通风系统改造

简江涛

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710024）

随着我国基础建设的快速推进，TBM在引水、公路、地铁等隧道开挖中得到了广泛应用。TBM集隧道开挖、支护、出渣、通风除尘于一体，具有快速、安全、优质、环保等施工特点。通风系统作为TBM施工的重要保障，是影响TBM掘进效率和人员作业环境的决定性因素。

1 工程概况

引汉济渭工程又称陕西南水北调工程项目，用以满足西安市、咸阳市、渭南市、杨凌区4 个重点城市及沿渭河两岸的12 个县级城市和6 个工业园的调输配水工程。该项目是解决陕西关中、陕北缺水的战略性水资源配置工程。引汉济渭工程秦岭输水隧洞全长98.3 km，穿越秦岭主脊的TBM施工段全长约34 km，是引汉济渭调水工程的控制性项目。

TBM岭北施工段全长16.13 km，分为第一阶段和第二阶段施工，辅助洞段包括5 号支洞、6 号支洞。项目采用从德国海瑞克引进的一台敞开式硬岩掘进机（TBM S-795）进行施工，TBM刀盘开挖直径为8020 mm，整机全长209 m，采用连续皮带机出渣。

2 TBM 通风系统的重要性

TBM通风是隧道开挖的重要保障措施，其重要性主要体现在以下几点：

（1）TBM开挖需要新鲜风供给氧气，缺少通风会导致工人缺氧，严重时甚至昏迷。

（2）掘进施工产生大量灰尘，柴油机车也会排出大量油烟。灰尘和油烟聚集在TBM 区域会对作业人员造成身体损害，TBM通风可将灰尘和油烟压出洞外。

（3）TBM 变压器、电机、空压机等会散发大量的热，刀盘切削岩石、混凝土凝固也会产生大量的热。热气集中在TBM区域会恶化作业环境、损害各项设备，且热量会产生水雾影响电气元件的绝缘。TBM 通风可带走大部分的热量和水雾。

3 前期通风存在问题

第一阶段TBM施工最远通风距离为11.7 km，通风方案为洞口独头压入式通风。

第二阶段前期施工利用5 号、6 号支洞形成的自然循环风，采用洞内采风方式。前期通风方式见图1。

图1 前期通风示意图

掘进至5000 m 时，TBM 区域温度已达39℃，湿度达到95%。工人作业环境极端恶劣，虽采取多种措施，环境温度依然无法降低（见图2 TBM区域冰块降温）。

图2 TBM 区域冰块降温

高温高湿环境还造成了20 KV 变压器击穿（见图3）以及大量电气元件损坏，由此导致TBM故障率高居不下，严重影响了TBM的施工生产。

图3 20 KV 变压器击穿

4 通风系统问题分析

4.1 数据采集

为了解决TBM 通风问题，对整个隧道内的风向、风速、温度、湿度、粉尘进行了测定，隧道内风向及测点布置见图4。

图4 隧道风向及测点布置图

采用测量仪器对各测点的风速、温度、湿度进行测定，其结果见表1。

表1 TBM 隧道内风速、温度、湿度数据测量结果

4.2 数据分析

数据采集以后，邀请专业人士对隧道内回风风向、风速、温度和湿度进行了分析。

（1）热源分析：隧道内主要热源有刀盘切削岩石发热、TBM设备（变压器、空压机、电机等）散热、衬砌混凝土凝固放热、车辆排热、岩温等。

（2）风向分析：经测定，隧道内的风向主要为6 号洞口的进风通过主洞第一阶段从5 号洞口溢出，第二阶段的TBM回风也从5 号洞溢出。

（3）回风风速分析：6 号支洞与5 号支洞之间有少量风速，5 号支洞交叉口到TBM段的回风风速基本为0，衬砌断面前方尚有少量风流动。

（4）进风风速分析：进风到达TBM 尾部时只有2.6 m/s，风速较小。风机功率较小且沿途风阻较大。

（5）温度分析：隧道内高温区域主要为TBM 区域、衬砌区域；隧道内任何部位风的温度都高于洞外环境温度。

（6）湿度分析：经分析数据可得出温度高的区域湿度较大。

4.3 数据结论

对分析结果进行深入研究后得出以下结论：

（1）洞外环境为15℃时，洞内采集风的温度已经为21℃，再经过沿途升温后，到达TBM尾部的温度已达29℃。对系统改造时需采用洞外取风方式。

（2）风送至TBM尾部时只有2.6 m/s 的风速，风量较小，必须加大供风量。

（3）衬砌台车前部尚有少量风速，衬砌台车后整个掘进段的风速都为0 m/s。衬砌台车阻碍了隧道内的回风，必须加快衬砌台车部位的回风速度。

（4）TBM第二阶段回风会被第一阶段的风进行阻隔，造成回风困难，见图5 回风阻隔示意图。

图5 回风阻隔示意图

5 通风系统改造措施

岭南接应施工期间，TBM将进入高岩温、大埋深施工区段，通风距离将达到16.5 km（5 号支洞4620 m+第二阶段主洞段8920 m+岭南接应段3000 m），超过现有通风设备通风能力，加上高地温和高湿度影响，需要对现有通风方案进行优化，从而保证施工现场用风需要。

5.1 洞外取风

洞外取风的主要方式是在5 号支洞洞顶并行悬挂两条Φ1.5 m 软质风筒，主洞采用Φ2.2 m 的风筒由接力风机供风至TBM 上的二次风机上；5 号支洞洞口安装轴流风机，5 号支洞交叉口向内1000 m 处增加接力风机以及DCR 系统，具体供风方案见图6。

图6 洞外取风示意图

5.1.1 洞口主驱动风机的安装

为了节约成本，洞外取风使用洞内的原风机。将5 号支洞与主洞交叉口的风机进行拆卸，然后采用平板车运至5 号支洞口。在5 号支洞口焊接风机托架，风机托架采用门架形式。利用25T 汽车吊车吊运到风机托架上进行定位安装（见图7 洞外风机安装）。铺设电缆并清理风机扇叶、电机、变频器、控制柜等进行安装。

图7 洞外风机安装

5.1.2 5 号支洞风筒的安装

5 号支洞洞径较小，安装Φ2200 mm 的风筒会与行走车辆干涉。支洞风筒选用Φ1500 mm 的双排软风管，采用钢丝绳并排悬挂于洞顶（见图8 支洞双排风筒）。施工前需对支洞内与风筒的悬挂干涉处进行清理，软风筒的悬挂通过改造后的装载机与南骏车配合进行。

图8 支洞双排风筒

5.1.3 洞口及喇叭口风筒变径的安装

在5 号支洞口和接力风机前端分别安装Y 型接口，实现风机和双排风筒的连接。Y 型风筒接口采用钢板焊接而成（见图8支洞双排风筒）。

5.2 进风增速

5.2.1 增加接力风机

为了增加进风的速度，在5 号交叉口TBM方向1 km 处增加接力风机一台，风机采用变频器进行控制，风机安装后效果见图9 接力风机安装效果图。安装工序安排如下：

（1）通过在地基上制作地锚以及利用现场的拱架，用20A工字钢焊接制作接力风机的安装托架。

（2）加工制作4 个吊耳，焊接在现场的拱顶拱架上，并安装4 个5T 的倒链。

（3）将现有的风筒在此处切断，然后通过4 个倒链将接力风机吊运至与现有风筒同一标高处。

（4）在风机下部焊接横梁，横梁完成后风机放于托架上并加固完成。

（5）风机机械部件安装完成后，进行风机变频器的安装，并进行电源电缆和风机电缆的敷设和安装。

（6）调试接力风机系统，然后连接Y 型风筒。

图9 接力风机安装效果图

5.2.2 DCR 的应用

为了保证接力风机的供风充足，本次通风改造应用了DCR系统。DCR 风箱左右两侧各有一扇门，可根据供风量的大小来自动开合。风筒内的风量能满足接力风机供给时，风门是闭合状态；当风筒内的风量无法满足接力风机抽取时，风门会打开采用隧道内的空气进行补充；DCR 风箱安装于接力风机的尾部，与Y 型接口进行连接。

5.2.3 降低风阻

为了降低风筒内的风阻，改造期间将风筒弯曲部位进行了顺直，并对破损的风筒进行了修补和更换。

5.3 回风增速

在对风速数据分析后发现，TBM掘进主洞段回风速度基本为0 m/s。增加回风速度主要采取了以下措施：

（1）在衬砌台车上安装轴流风机

在衬砌台车的空隙处安装轴流风机，减少衬砌台车对回风的阻碍，衬砌台车前端和后端各安装轴流风机4 台，其安装方式见图10 衬砌台车上轴流风机布置图。

图10 衬砌台车上轴流风机布置图

（2）在主洞段安装射流风机

在主洞段每隔1 km 安装一台射流风机，射流风机将回风吹向出洞方向，可加快TBM掘进段的回风速度。

（3）阻隔5 号洞来风

据前面的数据分析得知，5 号洞的来风会阻碍TBM掘进第二阶段的回风，因此需把5 号洞的来风进行阻隔，让回风可顺利的从5 号支洞溢出。回风采用条状橡胶风帘进行阻隔，风帘固定于洞顶，使用铁环与洞底钩挂。机车和人员通行时将风帘底部挂钩摘掉。

5.4 质量保证措施

通风系统的改造采取“合理布局，优化方案，工序控制，严格管理”的综合管理措施以达到“防漏降阻”保证施工质量的目的。需采取的措施：

（1）风机的支架要求所有横梁在同一平面且水平、焊接坚固、地锚≥25 cm。

（2）风机与支架之间增设橡胶缓冲垫，采用螺栓及拉筋焊接连接。

（3）风机进风口、出风口安装防护网。

（4）做好装载机脚手架的防护避免将风筒划伤，悬挂风筒尽量缩短风筒与吊点距离，不得出现风筒吊点漏挂。

（5）需保证接头的连接牢固、风筒安装顺直。

（6）电缆、控制柜铺设及安装位置可靠，风机接线盒的防水防潮处理。

（7）风机试运行期间，进行不间断的风筒巡查。

5.5 安全保证措施

认真落实“安全第一，预防为主”的工作方针，严格执行“安全施工规范”和“安全规章制度”，落实“安全生产责任制”及“第一责任人制度”。

力求施工安全达到《水利水电工程建设安全标准》，杜绝特大、重大安全事故，杜绝人身伤亡事故和重大机械设备事故。

安全员配合好工班长来进行现场的管理，发现隐患及时提出整改。各工班上班前必须召开班前安全教育、提醒工人注意各项安全隐患。各工班需配备医药箱及应急药品。有人受伤时，配合办公室积极做好急救工作。安全员每天到现场值班，及时发现各部位的安全隐患,对安全违规行为及时制止并处罚。

6 通风改造效果

通风系统改造完成后，依照改造前的测点对风速、温度和湿度进行了检测。改造后与改造前的数据测定在不同日期的同一时间点进行，并进行了比较，比较结果如下：

（1）风速

改造以后TBM区域、衬砌台车区域、主洞第二阶段的风速增大较多；主洞第一阶段和6 号支洞的风速减小（见图11 改造前后风速比较）。因主洞第一阶段开挖及衬砌作业已经完成，无人员作业，风速减小后对其影响较小。

图11 改造前后风速比较

（2）温度

改造以后TBM区域和衬砌台车区域温度下降5℃左右，主洞第二阶段的温度下降较小（2℃）；主洞第一阶段和6 号支洞的温度增加（见图12 改造前后温度比较）。

图12 改造前后温度比较

（3）湿度

由数据比较得知，隧道内湿度随着风速的增大和温度的降低而减小；温度越高，则湿度越大。风速较低时，湿度将会凝聚在TBM区域无法排出。改造以后，TBM区域和衬砌台车位置的湿度降低20%左右。

7 结语

本次通风改造历时20 天，实现了洞外取风，降低了环境温度和湿度；还提高了氧气供应量，改善了工人作业环境。对TBM掘进效率和项目效益的提升具有积极作用，可为后续类似TBM施工提供有益借鉴。