羊毛湾引水工程施工I 标段引水隧洞施工通风改进方案

田旭智，张 涛

（陕西省交口抽渭灌溉管理局，陕西 渭南 714000）

1 工程概况

羊毛湾引水工程是为解决乾县县城及石牛、临平、新阳、漠西4 个乡镇（社区）严重缺水的重大民生工程。引水隧洞部分是该工程的关键控制工程，该隧洞全长7.744 km，进口位于羊毛湾水库大坝溢洪道下游左侧，出口位于临平镇小咸阳村境内，洞身断面为城门洞型，最大开挖断面尺寸为2.8 m 宽×3.2 m高，最小开挖断面尺寸为2.3 m 宽×2.75 m 高。施工支洞位于五星村龙背沟内，全长645.63 m 与主洞在桩号4+775 处相接，洞身断面为城门洞型，开挖断面尺寸为4.3 m 宽×3.85 m 高。

2 施工通风技术的难点

1）隧洞开挖断面小，最小开挖尺寸仅为2.75 m 高×2.3 m宽，洞内运输采用三轮车作为运输工具，三轮车的高×宽为1.2 m×1.35 m，两侧剩余空间较小，且在洞身一侧必须布设水、电线路以及通风风管,很难满足吸风管及设备安装所占空间需求,同时机械运输材料中容易造成风带损坏,进一步造成风损较大,且随着开挖距离的增加，压入的风量明显不足,最终导致洞内空气质量无法满足正常施工需求。

2）单口通风距离长，根据施工部署安排进口段单口通风距离长达2580 m，支洞上游单口通风距离长达2840.13 m，支洞下游单口通风距离长达1220.63 m，出口段单口通风距离长达2414 m。要保证相应的掘进速度对通风时间有严格的限制，所以具有很大的技术难度。

3 目前隧洞通风现状及存在问题分析

工程于2014 年7 月8 日正式开工，依据工程实际特点采用三口四个工作面进行，通风方式主要以压入式通风为主，截止2016 年6 月22 日，出口累计独头通风2560 m；支洞下游累计独头通风980m；支洞上游累计独头通风1350 m；进口累计独头通风1300 m。

经对目前各工作面洞内空气观测分析，出口段为土质隧洞，采用电动扒渣机开挖柴油三轮车出渣进行施工，洞内主要废气由运输设备即三轮车产生，通风主要采用4 台（FBD No5.6A）风机柔性管筒压入式送风，2015 年5 月份在距离出口1530 m 处增设了通风竖井配合通风，有效的解决了洞内空气质量差的问题，目前该处已实现独头通风2560 m，考虑到再有不足40 m将和支洞下游贯通，故出口段通风不再进行优化。

支洞上下游均为石质隧洞，采用全断面爆破开挖，柴油三轮车出渣进行施工，洞内废弃有爆破后产生的废气和三轮车产生的废烟，通风主要采用2 台（FBD No5.9A）风机柔性管筒压入式送风。由于受支洞比降大、弯道多、和主洞垂直相接等因素影响，目前支洞洞内通风主要存在问题：

1）因风筒角度变化过大、多处出现褶皱、破损漏风，风筒末端的风速和风量均不能满足施工生产要求；

2）上下游两个工作面同时施工，施工机械在洞内的工作时间长、风能损耗大、废气量增加，加之洞外送风量不足,上下游烟气出现串流的现象；

3）支洞比降大受内外气压差影响排烟不畅。目前支洞下游已实现独头通风980 m，考虑到再有不足40 m 将和出口贯通，故支洞下游通风不再进行优化；支洞上游已累计独头通风1350 m，洞内空气已严重不能满足施工生产，考虑到后续该工作面仍有1500 余米的掘进任务，因此必须对该处的通风方式进行优化改进以满足施工生产要求。

进口段为石质隧洞，采用全断面爆破开挖，柴油三轮车出渣进行施工，洞内废弃有爆破后产生的废气和三轮车产生的废烟，通风主要采用2 台（FBD No5.6A）风机柔性管筒压入式送风。目前累计独头通风1300 m，因只在洞口位置架设了两台（FBD No5.6A）风机，随着掘进的长度加大，风筒的长度加长，风速和风量降低，洞内废气排出困难。该工作面仍有1500 余米的掘进任务，因此必须对该段通风方式进行优化改进。现有通风设备参数见表1。

表1 现有通风设备参数表

4 通风方案改进优化

在本次工程隧洞施工中，通风方法主要采用管道法（一般有管道法，巷道法、机械法等），而管道法按照其送风方式又分为压入法、吸出法、混合法三大类，各种送风方式各有优缺点。吸出法的优点是施工工作面的废气及粉尘能够得到快速净化，并且净化质量较高,但是通风机需要根据工作面频繁地移动,噪声污染较大,管道极易漏风，并且会造成重复污染;压入法的优点主要表现在排除废气及粉尘的速度较快,在安装拆卸过程中更为简单、易操作,缺点主要是空气输入需全部通过通风管;混合法虽然是施工隧洞通风中最佳的,空气质量好、速度快,但由于羊毛湾洞室断面过小，不满足该方案的实际运用条件。根据羊毛湾隧洞的现场实际情况,综合考虑各种不利因素,采用压入法通风方案合理可行。

4.1 通风量分析

隧洞施工通风应能满足洞内各项作业所需要的最大通风量，风量按每人每分钟供应新鲜空气3 m3计算，一般采用内燃机械作业时，功率为1 kW 供风量不小于3 m3/min，风速在全断面开挖时不小于0.15 m/s，坑道内不小于0.25 m/s，但均不应大于6 m/s。根据实际情况及以往施工经验在洞室独头掘进时,采用电雷管起爆，工作面在爆炸的瞬间及之后数分钟内,被爆破产生的污染气体及粉尘仅是距工作面40 m 左右的隧洞空间。如果能及时采取有效措施, 将污染气体及粉尘控制在爆破后所延伸的范围内,则很大程度能减少除尘排烟所需的风量,极大的缩短通风时间,且可减轻或避免废气及粉尘污染整个隧洞空气。

4.2 风量计算

隧洞内所需风量按照下列几种计算方法进行计算，并取计算结果的最大值作为供风的标准。

4.2.1 按满足在洞内进行各项作业所需要的最大通风量计算

式中：q 为按每人每分钟供应新鲜空气3 m3计算；m 为同时工作人数，取m=15 人；k 为风量备用系数，取k=1.2。

经计算，Q1=54.0 m3/min。

4.2.2 按稀释内燃机械作业计算工作面风量

式中：a 为1 kW 供风量3 m3/min；K1为内燃机功率有效系数，K1=1.0；K2为内燃机工作系数，K2=1.0；∑N 为内燃机功率之和，∑N=6×16.2=97.2 kW。

经计算，Q2=291.6 m3/min。

4.2.3 按允许最低平均风速计算

式中：A 为隧道开挖断面面积，取A=7.5 m2；V 为允许最小风速，取 V=0.15 m/s。

经计算，Q3=67.5 m3/min。

4.2.4 按照爆破后稀释有害气体达到允许浓度计算

采用压入式通风，工作面需要风量：

Q4=[7.8×（GA2L2）1/3]/t

式中：t 为通风时间，取t=30 min；G 为爆破所用最大炸药量，取G=55 kg；A 为隧道断面面积，取 A=7.5 m2；L 为空气质量满足下一循环施工长度，取L=40 m。

经计算，Q4=44.31 m3/min。

4.2.5 通风设计量选取

依据计算选取上面四种计算中最大值作为通风设计量，即取风量Q=300 m3/min。

根据施工安排单口掘进最大长度按L=1000 m。

风管漏风系数Pc=1/（1-β）=3，通风机供风量Q供=PcQ，则Q供=PcQ=3×300=900 m3/min，取 Q供=900 m3/min。

4.3 管道阻力系数

风阻系数Rf=6.5αL/（5D），摩阻系数α=λρ/8=0.00225 kg/m3，取风管（软管）直径D=0.6 m。

则Rf=6.5αL/（5D）=6.5×0.00225×1000/（5×0.6）=4.875。

4.4 管道阻力损失

管道阻力损失：

式中：Qj为通风机供风量，取设计风量Qj=Q供=900 m3/min；Qi为管道末端流出风量，取Qi=Q2=300 m3/min；HD为隧道内阻力损失，取 HD=60 Pa；H其他为其他阻力损失，取 H其他=50 Pa（支洞 H其他=50+555=605 Pa）。

1）隧道进口管道阻力损失：

2）隧道支洞管道阻力损失：

4.5 隧洞风机全压

1）进口隧洞风机全压：

2）支洞口风机全压：

4.6 风机功率计算

式中：Q 为风机供风量；H 为风机工作风压；K 为功率储备系数，取1.05；η 为风机工作效率，取90%；

1）进口隧道风机功率计算：

W=QHK/(60η)=900×475.625×1.05/(60×0.9)=8.323kW

2）支洞隧道风机功率计算：

W=QHK/(60η)=900×980.625×1.05/(60×0.9)=17.16kW

4.7 通风机选择

通风机选择配置主要依据风压、风量以及功率。结合羊毛湾隧洞工施工实际,选用轴流式通风机,因其体积小,安装简单方便,效率也高,但噪音较大，现场实际使用风机与优化后理论风机参数对照见表2。

表2 实际使用风机与理论风机参数对照表

5 通风方案的实施

经计算分析，目前支洞口和进口所架设的风机实际风机流量不能满足理论流量，需在进口和支洞口再各增加一台同型号风机（进口FBD No5.6A 型号一台，支洞FBD No5.9A 型号一台，具体布设见图1、图2）。

图1 进口通风系统优化布设平面示意图

图2 支洞通风系统优化布设示意图

考虑到两个工作面将来独头供风均要超过2500 m，为保证因通风距离长风压降低，在两个口进尺1000 m 处各架设风机一台串联接力供风，同时为加快洞内废气的出排，采取每隔100 m 增设局扇混合式通风。

设备预算见表3。

表3 羊毛湾引水工程隧洞通风优化所需设备预算

6 施工通风管理

1）通风管的安装必须平顺、接头严密，弯管半径不小于风管直径的3 倍，风管采用软质橡胶管，如有破损及时修理或更换，加强日常维修管理工作。

2）安设在洞口的风机要距离洞口20 m 以外的上风向，尽量避免发生污风循环；出风管靠近作业工作面的距离小于15 m。

3）定期测试隧洞内通风风压、风速、风量，检查通风设备的供风能力和线路连接，作业过程中做好通风洒水防尘措施，搞好个人防护。

4）进口、支洞工区配置专职安全人员对现场通风情况及时定期进行检测，根据检测结果，对通风系统作出优化调整，最终必须保证洞内温度不得高于30℃、一氧化碳（CO）小于30 mg/m3；二氧化碳（CO2）浓度按体积计算小于0.5%；氮氧化合物（NO2）小于 5 mg/m3～8mg/m3；甲烷（CH4）按体积计算小于 0.5%。

5）按照隧洞通风设计要求安装主风机，辅助风机安装在洞内新鲜气流中，通风机装置安设牢固、安全，当发生风机故障时能自动停机，通风管每节长度控制在20 m。

6）因为该项目进口、支洞独头掘进距离较长，洞内运输设备所采用的三轮车较多，运输过程中排放的废气和产生的粉尘量较大，隧洞开挖采用爆破方式所产生的有害气体和粉尘也较多。为了避免对洞内作业人员造成人身伤害，若发现不符合废气和粉尘排放标准，应立即采取有效的处理措施，以满足人身健康安全和环境保护的要求。

7 结语

本工程属于长距离小断面引水隧洞，在施工作业时，面对洞内的空气输送，不断的优化通风方案，采取有效的处理措施，在洞内外布设风机，洞内通过距离不断串联接力风机，为施工提供有利条件，也为施工作业提供了人身健康安全和环境保护，达到了安全可靠、经济最优的目的，对于类似工程具有参考意义。