韓 利 儒

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 兗州 272100)

六盤山隧道豎井和巷道式通風(fēng)綜合技術(shù)研究

韓 利 儒

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司，山東 兗州 272100)

以六盤山隧道設(shè)計(jì)為例，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)原則，從長距離獨(dú)頭掘進(jìn)施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、施工通風(fēng)方式選擇、施工通風(fēng)計(jì)算、施工通風(fēng)方案等方面，搭建了長大公路隧道獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)組織的技術(shù)框架，以保證長大隧道工程施工能夠順利開展。

隧道，獨(dú)頭掘進(jìn)，豎井通風(fēng)，巷道式通風(fēng)，方案實(shí)施

1 工程概況

六盤山隧道設(shè)計(jì)為單洞分離式隧道，隧道長9 490 m。六盤山隧道出口段采用鉆爆法施工獨(dú)頭掘進(jìn)達(dá)3 260 m，有害氣體、粉塵、噪聲、高熱、高濕環(huán)境對施工人員有較大危害，施工通風(fēng)效果直接關(guān)系到隧道內(nèi)作業(yè)人員的健康和施工效率、工程進(jìn)度與安全，施工通風(fēng)是隧道施工人員及作業(yè)機(jī)械的“生命線”。為了保證長大隧道工程施工能夠順利開展，使得通風(fēng)方案在技術(shù)上具有可行性，在經(jīng)濟(jì)上具有合理性，就需要在設(shè)計(jì)過程中分階段設(shè)定通風(fēng)方案。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與原則

2.1 施工通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隧道在施工過程中，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列職業(yè)健康及安全標(biāo)準(zhǔn)：

1)巷道最低風(fēng)速不低于0.25 m/s。2)有害氣體最高容許濃度：CO含量控制在24 ppm以下；NO2含量不超過2.5 ppm；H2S不超過6.6 ppm；粉塵中SiO2含量不超過1 mg/m3；CO2按體積計(jì)不大于0.5%；O2不低于20%。3)隧道內(nèi)氣溫不得高于28 ℃。4)隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)作業(yè)所需的最小風(fēng)量。

2.2 施工通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

風(fēng)量和風(fēng)阻計(jì)算邊界條件和相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 施工通風(fēng)計(jì)算參數(shù)表

3 通風(fēng)計(jì)算

施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、一次性爆破所需要排除的炮煙量、內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率和瓦斯涌出量分別計(jì)算，取其中最大值作為控制風(fēng)量。

1)按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)計(jì)算。

Q人=q·n。

其中，q為單位用風(fēng)量；n為最多人數(shù)。

可知：Q人=150 m3/min。

2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算。

Q風(fēng)=S·V。

其中，S為隧道最大斷面積；V為允許最小風(fēng)速。

可知：Q風(fēng)=35 m3/min。

3)按一次性爆破所需要排除的炮煙量計(jì)算。

其中，A為同時(shí)爆破炸藥量；t為通風(fēng)時(shí)間；L為炮煙拋擲長度，取40 m；S為隧道斷面積。

可知：Q0=350 m3/min。

4)按內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率計(jì)算。

Q內(nèi)=H·q。

其中，H為內(nèi)燃機(jī)械總功率；q為內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量。

按開挖面裝碴設(shè)備，包括1臺挖掘機(jī)(額定功率為107 kW)、1臺裝載機(jī)(額定功率為162 kW)、1臺出碴車(額定功率為170 kW)，可知：Q內(nèi)=1 317 m3/min。

5)按瓦斯涌出量計(jì)算。

其中，K為相關(guān)系數(shù)，本處K=1.2；A為瓦斯涌出量，取2.0 m3/min；B0為送風(fēng)瓦斯?jié)舛?；B1為隧道內(nèi)允許瓦斯?jié)舛?，?.5%。

可知：Q瓦斯=480 m3/min。

各因素用風(fēng)量匯總得出總用風(fēng)量為2 332 m3/min。

4 六盤山隧道施工通風(fēng)總體方案

4.1 施工通風(fēng)方案總體布置

六盤山隧道出口段獨(dú)頭掘進(jìn)，施工通風(fēng)方案共分為三個(gè)階段。

第一階段：隧道掘進(jìn)1 500 m以內(nèi)采用壓入式通風(fēng)方案，并在距洞口1 050 m處增加φ1.2 m通風(fēng)豎井。

第二階段：隧道掘進(jìn)1 500 m～2 500 m，利用通風(fēng)豎井采用送排結(jié)合混合式通風(fēng)方案。

第三階段：隧道掘進(jìn)2 500 m～3 260 m，利用地形及左右線高差采用巷道式綜合通風(fēng)方案。

4.1.1 第一階段：壓入式通風(fēng)方案

在施工初期，只有左右線兩個(gè)開挖面、橫洞未貫通，施工距離短、通風(fēng)方式單一，采用壓入式通風(fēng)方案，并在本階段后期距洞口1 050 m處增加φ1.2 m通風(fēng)豎井(見圖1)。

1)壓入式軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)量計(jì)算。

取最大通風(fēng)長度L=1 500 m，按風(fēng)管百米漏風(fēng)率β為1.38%，風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Q機(jī)為：

Q機(jī)=p×Q需=1.23×2 332=2 798m3/min。

2)風(fēng)壓計(jì)算。

3)通風(fēng)設(shè)備選型及配置。

隧道在單洞獨(dú)頭掘進(jìn)1 500m時(shí)，需要壓入式軸流通風(fēng)機(jī)出風(fēng)量為2 798m3/min，通過比較可得出：選用軸流風(fēng)機(jī)SDF(c)-No13型(2×132kW)扇葉角度3°在高速檔位運(yùn)行能滿足掌子面用風(fēng)要求，如圖2所示。

軸流風(fēng)機(jī)高速狀態(tài)下出風(fēng)口風(fēng)壓為3 700Pa，經(jīng)過1 500m的摩擦阻力消耗，掌子面出風(fēng)口風(fēng)壓降低為2 360Pa。為減少通風(fēng)時(shí)間、提高功效，于1 050m位置施作通風(fēng)豎井一處，煙囪效應(yīng)明顯，加速排煙。

4)通風(fēng)豎井施工概述。

根據(jù)地形條件、隧道覆蓋層厚度等因素，在左右線隧道頂各施作一座小直徑通風(fēng)豎井，成孔直徑1.2m。小直徑通風(fēng)豎井可以實(shí)現(xiàn)快速選址、快速施工，較短時(shí)間內(nèi)提供通風(fēng)能力，同時(shí)規(guī)劃為高壓進(jìn)洞的線路通道，可以節(jié)省高壓電纜送線距離，越來越普遍應(yīng)用于長大隧道施工中。

通風(fēng)豎井鉆孔位置選定洞頂覆蓋層厚68m，采用旋挖鉆成孔，鋼護(hù)壁由輔助卡盤螺栓接長，在鉆孔壁間隔10m人工挖出凸起臺提升咬合力，砂漿灌注飽滿，豎井與隧道交叉口“井”字形工鋼方形骨架加固。

在豎井口各設(shè)置一臺排氣扇，提高豎井的排風(fēng)能力，能迅速將洞內(nèi)渾濁空氣、煙塵排出，大大改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，見圖3。

4.1.2 第二階段：采用送排結(jié)合混合式通風(fēng)方案

第二階段，隧道左右線排風(fēng)系統(tǒng)各自獨(dú)立、防止串風(fēng)，利用通風(fēng)豎井采用送、排結(jié)合通風(fēng)方案(見圖4)。

1)壓入式軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)量計(jì)算。

隧道掘進(jìn)1 500m～2 500m，采用送排結(jié)合混合式通風(fēng)方案，送風(fēng)量Q機(jī)為：

Q機(jī)=p×Q需=1.38×2 332=3 212 m3/min。

2)風(fēng)壓計(jì)算。

可知：風(fēng)管內(nèi)摩擦阻力P摩=1 701 Pa，局部阻力按P摩的5%考慮，P總=1 786 Pa。

3)通風(fēng)設(shè)備選型及材料配置。隧道在單洞獨(dú)頭掘進(jìn)2 100 m時(shí)，需要壓入式軸流通風(fēng)機(jī)出風(fēng)量為3 212 m3/min，現(xiàn)場配備選用軸流風(fēng)機(jī)SDF(c)-No13型(2×132 kW)能夠提供的最大風(fēng)量為3 300 m3/min，基本處于軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行最大狀態(tài)，只能提供2 000 Pa的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓(如圖2所示)，經(jīng)過近2 500 m的摩阻消耗，隧道右線存在掌子面污濁空氣外排動力不足的問題。豎井段出現(xiàn)靜風(fēng)區(qū)(風(fēng)速<0.25 m/s)的問題，在距離洞口1 000 m位置增加吸出式風(fēng)機(jī)(SDF(c)-No9.6型)一臺，增加排風(fēng)能力。

4.1.3 第三階段：巷道式綜合通風(fēng)方案

隨著獨(dú)頭掘進(jìn)距離增加，巷道式通風(fēng)較壓入式供風(fēng)的風(fēng)量大、功率省，且技術(shù)成熟。隧道施工過程中，左洞自然風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)壓較大，結(jié)合現(xiàn)場情況對巷道式通風(fēng)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整(見圖5)。

1)壓入式送風(fēng)量計(jì)算。隧道掘進(jìn)2 500 m～3 200 m，采用優(yōu)化后的巷道式綜合通風(fēng)方案；隧道開挖作業(yè)面所需控制風(fēng)量為2 332 m3/min。隧道左線壓入式軸流風(fēng)機(jī)遷移最遠(yuǎn)通風(fēng)距離為2 200 m；隧道右線壓入式軸流風(fēng)機(jī)調(diào)整到位于1 710 m位置的配電橫洞內(nèi)，最遠(yuǎn)通風(fēng)距離1 500 m。

風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Q機(jī)為：

Q機(jī)左洞=p×Q需=1.35×2 332=3 125m3/min(減小)。

Q機(jī)右洞=p×Q需=1.23×2 332=2 798 m3/min。

2)風(fēng)壓計(jì)算。

可知：左洞風(fēng)管摩擦阻力P摩左洞=1 498 Pa，總阻力：P總左洞=1 572 Pa。右洞風(fēng)管摩擦阻力P摩右洞=1 276 Pa，總阻力：P總右洞=1 339.8 Pa。

3)污濁空氣外排初始流速計(jì)算。

污濁排出空氣計(jì)算公式：

V風(fēng)袋·S風(fēng)袋=Q送風(fēng)量=Q排風(fēng)量=V污濁·S隧道。

由伯努利方程P=0.5·ro·v2。

其中,wp為風(fēng)壓，kN/m2;ro為空氣密度，kg/m3;v為風(fēng)速，m/s。

計(jì)算得到左洞風(fēng)管口出風(fēng)風(fēng)速：V左洞風(fēng)袋=4.5 m/s；右洞風(fēng)管口出風(fēng)風(fēng)速：V右洞風(fēng)袋=7.05 m/s。

隧道左線污濁空氣V左洞污濁=0.56 m/s，隧道右線污濁空氣V右洞污濁=0.88 m/s。

污濁空氣由左線進(jìn)入右線，第一個(gè)車行橫洞污濁空氣排風(fēng)量：

第二個(gè)車行橫洞污濁空氣排風(fēng)量：

右洞污濁空氣總排風(fēng)量、平均初始速度：

Q總量=Q隧道右線+Q橫洞1+Q橫洞2。

Q總量=4 664 m3/min。

4.2 通風(fēng)設(shè)備選型及材料配置

計(jì)算用于克服隧道中全部空氣阻力所需要的射流風(fēng)機(jī)的推力，隧道中的空氣阻力主要由以下各項(xiàng)阻力組成。

4.2.1 右線隧道口空氣阻力

隧道口所形成的微壓波阻力的影響，隧道削竹洞口有流線形喇叭擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，取隧道中空氣動壓的1.5倍。

式中：Pdt——隧道空氣動壓，Pa；ρ——空氣密度，kg/m3；VT——隧道中空氣平均流速，m/s,VT=qT/AT；qT——隧道中空氣流速，m/s；AT——隧道截面積，m2。

計(jì)算可知：隧道中空氣動壓Pdt=24 Pa，隧道口阻力P口=36 Pa。

4.2.2 右線隧道阻力中表面摩擦損失

隧道中的懸掛物表面，如照明燈具、標(biāo)識、存放材料等會對隧道中的空氣流動產(chǎn)生阻力。其計(jì)算如下：

式中：VT——隧道中空氣平均流速，m/s；L——隧道長度，按照本方案巷道長取2 200 m；Dh——隧道橫截面當(dāng)量直徑，本處取2.5 m，Dh=4AT/PT；AT——隧道橫截面積，本處取87 m2；PT——隧道橫截面周長，取34.5 m；f——摩擦系數(shù)，取決于隧道表面粗糙度及隧道中懸掛物的尺寸及數(shù)量，本處取f=0.025。

計(jì)算可知：巷道內(nèi)摩擦阻力P摩=296 Pa，局部阻力按摩擦阻力P摩的4%考慮，巷道內(nèi)摩擦總阻力P總=308 Pa。

4.2.3 隧道中總推力TT

隧道中的總推力主要是用于克服隧道中的空氣阻力和隧道口所形成的微壓波阻力，故：

TT=P口+P摩=354 Pa。

4.2.4 射流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

射流風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓Hf，要求射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力必須得以克服整個(gè)系統(tǒng)的阻力，即：

Hf≥∑H阻。

式中：Hf——射流風(fēng)機(jī)壓力，Pa；Vj——射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s；Aj——射流風(fēng)機(jī)出口斷面積，m2；Ag——隧道斷面積，m2；Vgo——隧道內(nèi)風(fēng)速，m/s；kj——增壓系數(shù)，0.85；nj——射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，2 200 m區(qū)間內(nèi)需要6臺SSF-No10型射流風(fēng)機(jī)(37 kW)，前期方案中右線1 000 m位置已安裝一臺軸流風(fēng)機(jī)(SDF-No9.6型)，本著節(jié)約成本、減少新設(shè)備、利用有效的現(xiàn)有設(shè)備的原則，吸出式軸流風(fēng)機(jī)代替原方案該位置一臺射流風(fēng)機(jī)。

4.3 通風(fēng)設(shè)備選型及配置綜合分析

遵循充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在滿足通風(fēng)效果的前提下，進(jìn)行合理調(diào)配減少新購風(fēng)機(jī)的數(shù)量；在凈空允許的情況下，采用大直徑風(fēng)管，減少能耗損失；通過適當(dāng)增加一次性投入，減少通風(fēng)系統(tǒng)長期運(yùn)行成本的原則，確定所需通風(fēng)設(shè)備及最終配置見表2。

表2 通風(fēng)設(shè)備數(shù)量表

4.4 氣體監(jiān)測

定期對風(fēng)速、風(fēng)量、CO濃度、NO2濃度進(jìn)行檢測，以上述四項(xiàng)指標(biāo)為基準(zhǔn)，決定各項(xiàng)施工工序的合理性，理順作業(yè)環(huán)境與隧道施工的關(guān)系，重視其環(huán)境危害，積極主動采取合理措施，使其危害降到最低限度。

5 結(jié)語

本文以六盤山隧道為基礎(chǔ)，提出了長大公路隧道長距離獨(dú)頭掘進(jìn)分階段式施工通風(fēng)方案，并從施工作業(yè)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)、施工通風(fēng)方式選擇、施工通風(fēng)計(jì)算、施工通風(fēng)方案等方面，搭建了長大公路隧道長距離獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)組織的技術(shù)框架，提出了獨(dú)頭掘進(jìn)施工通風(fēng)計(jì)算方法。

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Research on comprehensive technique for tunnel shaft and roadway ventilation in Liupanshan

Han Liru

(No.5EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Yanzhou272100,China)

Taking Liupanshan Tunnel design as the example, the paper establishes the technical framework of the blind heading ventilation organization in tunnels of large-scale roads based on related design standards from the health standards, construction ventilation approach selection, construction ventilation calculation, and construction ventilation scheme for the working environment of the long-distance blind heading construction, so as to ensure the smooth operation for the long and large tunnel projects.

tunnel, blind heading, shaft ventilation, roadway ventilation, scheme implementation

2015-06-23

韓利儒(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)25-0177-04

U453.4

A