长距离隧洞全断面掘进机施工通风设备的选型及运行维护管理

任勇

（四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 611130）

0 引言

随着我国水利工程建设行业突飞猛进的发展，一些全流域和跨流域的水资源互补调水工程相继开工建设，长距离输水隧洞施工技术走在了世界前列。为加快开挖速度和保障施工人员的安全，选用全断面掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM）施工已成为隧洞掘进的首选方案。TBM施工法是指用掘进机开挖隧洞的施工方法，具有快速、高效、安全可靠、施工质量好、成本低等优点。大埋深、长距离隧洞TBM设备在掘进施工过程中的地热和设备运行发热以及拱架焊接烟尘、锚喷和皮带出渣的粉尘对现场作业人员的身体健康会产生较大的伤害，必须进行合理的通风设计。通风设备的布置和选型、运行期的技术管理、防漏降阻、通风监测是保证现场作业人员身体健康和工程建设顺利推进的基础。

1 工程概况

引汉济渭秦岭腹地隧洞掘进选用一台Φ8.02m的开敞式TBM施工。标段范围包括：主洞由TBM后配套安装洞、主机安装洞、步进洞、始发洞组成，总长18275 m；支洞的斜距、平距分别为5820.21m、5784m。工程平面布置见图1所示。

图1 工程平面布置图

2 通风布置

施工通风采用压入式通风，分两阶段进行通风布置。第一阶段：通风管采用Ф2200mm软风管，风管布置在隧道拱顶，利用膨胀挂钩螺栓进行单吊点形式悬挂[1]。风机布置在3号支洞与主洞交叉口上游20m处的台架上，设置风门一道。风管一端和风机连接，新鲜风从交叉口主洞上游提供，通过风管将新鲜风压入作业面，TBM掘进段采用后配套上安装的接力风机向掘进面送风，污风从3号支洞排出。第二阶段：第一阶段施工完成TBM转场于4号支洞出渣后，风机采用第一阶段时使用的风机，安放于4号支洞与主洞交叉口上游50m处，设置风门一道，新鲜风从3号支洞和3号支洞与主洞交叉口上游提供，污风从4号支洞排出。两阶段通风示意图见图2、图3所示。

图2 第一阶段通风示意图

图3 第二阶段通风示意图

3 通风设备的选型

选取最不利工况条件进行设备的选型分析，通过计算研究隧道施工和作业面回风速度的需风量及风机总风压和出口风量进行设备选型，计算参数见表1。

表1 设备选型计算参数

3.1 风量计算

重点考虑内燃机车工作时的废风量和作业人员、最小回风速度的需风量，将风量需求的最大值作为工作过程中的控制风量[2]。

（1）作业人员需风量的计算。

式中:q代表一个作业人员需风量，取3m3/min；n为同时作业人员的最多数量，130人。

经计算，Q人=390m3/min。

（2）最小回风速度需风量的计算。

式中：V代表洞内的最小回风风速值，取0.5m/s；S代表开挖断面，取50.52m2。

经计算，Q风=1515.6m3/min。

（3）按稀释内燃机废气计算风量。

考虑在洞内同时运行有4台内燃机车（功率180kW）和4辆汽车平板车（160kW）作业，由于汽车平板车运行区间只是从3号支洞至组装洞，对TBM主洞施工段所需风量影响不大，暂不考虑汽车平板车运行所需风量。据此可根据TBM施工期间通风效果酌情从组装洞增加一台射流风机往洞外抽风，增加回风速度，按需供风量3m3/min·kW，经计算，Q内为1080m3/min。

根据以上计算结果可知，回风速度所需风量为关键因素，作为隧洞通风的控制风量。

3.2 风管漏风损失修正风量

对风管漏风损失修正风量，风机所需风量Q机的计算公式为：

经计算，Q机=2800.2m3/min。

3.3 系统风压计算

从理论上讲，通风系统在克服阻力后在风管末端产生的风流存在动压，克服阻力主要由系统静压决定，需供风压是动压与静压两者的总和。

（1）动压计算。

式中：ρ代表空气的密度值，1.24kg/m3；v代表管口末端的风速值，按控制设计通风量计算，取6.65m/s；S风代表风管截面积值。

经计算，h动=27.4Pa。

（2）静压计算。

沿程摩擦阻力的计算公式为：

式中：V平为风管内平均风速，V平=9.04m/s；Q机为风机供风量；Q需为风量计算最大值。

局部阻力的计算公式为：

式中：∑ζ通过查表取系数值为1.3。

经计算，系统静压值h静=h摩+h局=4296.7Pa

（3）系统风压计算。

h=h动+h静=4324.1Pa

3.4 通风设备配置

通过计算，经充分的市场调研选择的通风机性能参数见表2所示。

表2 主要通风设备参数表

4 通风系统的安装

4.1 风机安装

（1）风机的支架安装必须稳定，防止在运行过程中产生振动，在风机的出口位置采用柔性管和风管之间连接，为减少漏风，在风机和柔性管相结合的位置处布置多道绑扎；

（2）通风机的周围5m范围内不能留有杂物，进气口处布设铁箅，同时要装设足够的保险装置；

（3）在洞内的风速低于通风规定的最小风速时，通过安装射流风机来增加风速；

（4）选用小平板车移动洞内风机，在移动之前安装好风机的支座或支架；

（5）通风机必须具有一定的备用数量。

4.2 风管安装

（1）风管一定要选择有出厂合格证，安装之前对其外观进行检查，确保粘接缝之间牢固平顺和接头之间的严密。通风管宜选择具有高强、阻燃和抗静电的软质材料。

（2）风管布置必须平直。在隧洞掘进过程中，先由测量人员测出隧洞的中线，然后用电钻进行打眼之后安装膨胀螺栓，布置Ф10mm的油性钢丝绳。风管的挂钩通过单吊点的方式挂在拉线下[3]。

5 通风管理

5.1 通风一般管理

组建通风班组，设置足够的通风技术人员，配置风速仪和有害气体检测仪等。做好风管的挂设和装拆工作，每天坚持全线巡查，做到及时修补漏洞。操作过程中选用液压升降操作台进行操作。

5.2 通风技术管理

通风技术管理主要有方案的实施、方案的及时调整、过渡方案设计、效果的检测和评价等。

（1）方案的实施。通风设计方案仅仅是一个大概模式，在现场实施的过程中要绘制详细的实施图。现场技术人员按照设计图和现场实际状况，将方案具体化，制定详细的实施细则。

（2）方案的及时调整。通风方案通常按照具体施工组织和施工方案进行制定，施工过程中根据地质情况实时改变施工组织和施工方法。同时在增加工作面和运输通道等情况下其通风方案也随之调整[4]。

（3）过渡方案的设计。通风方案采取分阶段的措施，不同的阶段都有过渡的问题，相邻阶段的过渡一般需要两天的时间间隔，技术人员要按照现场实际情况做好通风的过渡措施。不能因为下一阶段通风方案的实施而影响正常施工。

（4）效果的检测与评价。在通风方案具体实施后，通过温度、湿度、管路的进出口风量等项目指标来检查安装质量能否满足设计要求。在具体方案实施后做到尽快测试，以便发现问题并做到及时修正。同时做好作业面有害气体的监测，来评价通风管的安装和维护质量[5]。

5.3 防漏降阻措施

（1）选用内部摩擦较小的风管，布设要平直，不能有褶皱或扭曲现象。

（2）采用承压的负压风管，所有的接缝、接头均全密封式焊接，焊接区域宽4cm。悬挂挂钩基布焊接在风管布上，间距100cm。接头采用拉链式接头，为高强度PVC型。风管接头处内外均有密封保护层，作用是管内压力越高，接头处密封越紧密，确保不漏风。另外，风管采用防撕裂的加强筋风管布，能有效防止风管因发生小的破口而在高压风的作用下沿纵向继续向两侧撕裂延伸的现象[6]。

（3）通风管产生破损现象时要及时进行更换或修补，选用软风管时，在风机的出口200m左右使用负压风管。并且通风管的每个节长做到尽可能地加长以减少接头数量，每100m的平均漏风率不能大于1%。弯管平面轴线的半径要小于管径的3倍。

（4）现场配置专职的风管维修工，每个作业班做到对全部风管的全面检查，并对发现的问题进行及时处理，轻微破损的管节用快干胶水进行粘补，修补时先将破损位置进行清洁打毛后再粘补；破损口的长度小于15cm时采取直接粘补措施；大于15cm时先将破口进行缝合后再行粘补，当修补面积超过损坏面积的30%时，操作完成10min后才能送风[7]。

（5）由于洞内的大面积渗水和温度变化，导致风管内产生一定的积水，要及时检查以便减小风管的阻力及承重。

6 结束语

综上所述，在大埋深、长距离 采用TBM施工的隧洞中，通风设备的选型和管理非常重要。通风对现场作业人员和TBM设备的安全有重大影响，同时也会直接影响到工程成本的控制。引汉济渭岭南TBM施工段的通风布置根据现场掘进距离分两个阶段布置，从工程的运行实际情况来看，选取的通风布置方案和设备的选型可以满足现场生产需求，能确保向洞内掌子面送入足够的新鲜空气。