史永鋒
摘 要:本文以在建工程鷓鴣山隧道巷道式通風(fēng)情況下不同施工工序通風(fēng)參數(shù)為研究對(duì)象,通過對(duì)當(dāng)下通風(fēng)設(shè)備參數(shù)在考慮高原氣候條件下含氧情況、隧道圍巖情況、洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、洞內(nèi)不同工序工作人員數(shù)量情況、通風(fēng)管道通風(fēng)損耗等情況下選擇最佳的通風(fēng)配合參數(shù),改變之前僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)或者無規(guī)律隨意調(diào)整參數(shù)導(dǎo)致的隧道通風(fēng)時(shí)好時(shí)壞,確定了針對(duì)該隧道通風(fēng)參數(shù)在不同工序下的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,在一定程度上改善了通風(fēng)設(shè)備用電無節(jié)制,得出在保證洞內(nèi)施工安全的情況下用該種方案平均每天節(jié)省電能1693.12度。同時(shí)保證洞內(nèi)空氣在不同工序都能保證符合設(shè)備和人員需求,從而科學(xué)的進(jìn)行指導(dǎo)施工。
關(guān)鍵詞:隧道;巷道式通風(fēng);參數(shù)優(yōu)化;研究
為促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè),近年來,國家大力投資西部道路建設(shè),成為連接中西部的經(jīng)濟(jì)命脈,由于西部屬多山地區(qū),長(zhǎng)大隧道在西部并不少見。在建鷓鴣山隧道屬于交通部規(guī)劃的汶川至馬爾康高速公路段的控制性工程,屬于高原氣候稀薄地區(qū),隧道自開工以來一直采用鉆爆法開挖,保證良好的通風(fēng)情況下能降低通風(fēng)能耗長(zhǎng)期以來是隧道建設(shè)的難題,目前國內(nèi)外有很多專家對(duì)長(zhǎng)距離隧道施工關(guān)于通風(fēng)方案、風(fēng)機(jī)選型、控制粉塵等方面作了大量的科學(xué)研究,很大程度上改善了隧道通風(fēng),有效的節(jié)省了能源。
本文以在建鷓鴣山隧道現(xiàn)行巷道式通風(fēng)方案為研究對(duì)象,通過對(duì)通風(fēng)設(shè)備性能綜合分析,結(jié)合高海拔地區(qū)隧道施工不同工序特點(diǎn),以確保隧道安全施工為前提,通過風(fēng)速檢測(cè)儀、粉塵檢測(cè)儀、氧氣含量檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),確定了該隧道最佳通風(fēng)配合參數(shù),實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效、科學(xué)經(jīng)濟(jì)通風(fēng)的目的,避免了盲目調(diào)整參數(shù),通風(fēng)時(shí)好時(shí)壞的情況,可以為今后施工通風(fēng)指導(dǎo)施工。
1 工程概況
鷓鴣山隧道地處四川省阿壩州理縣米亞羅鎮(zhèn)山腳壩村境內(nèi)。設(shè)計(jì)為雙洞單向行駛雙車道公路隧道,本標(biāo)段施工鷓鴣山隧道進(jìn)口左線隧道4300m、右線隧道4270m,隧道洞口海拔高度為3200m,隧道穿越鷓鴣山最高峰海撥高度4431m,最大埋深為1350m。隧道平均開挖斷面面積為90m2,左右線隧道直線段線間距為35m,隧道內(nèi)設(shè)計(jì)6處汽車橫通道及緊急停車帶,兩汽車橫通道之間平均距離695m。施工采用鉆爆法開挖,獨(dú)頭掘進(jìn),裝載機(jī)裝碴,無軌運(yùn)輸出碴。
2 現(xiàn)行通風(fēng)方法簡(jiǎn)介
隧道單洞掘進(jìn)深度已經(jīng)超過2100m,已通過2#車行橫通道,3#人行橫通道、2#車行橫通道均已開挖貫通,采用巷道式通風(fēng)。將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)移到右線汽車通道向洞口方向20~30m處(隨通道開挖不斷跟進(jìn)),一臺(tái)通風(fēng)管直達(dá)右線開挖面對(duì)右線隧道進(jìn)行供風(fēng),另外一臺(tái)風(fēng)機(jī)通風(fēng)管通過車行通道,直達(dá)左線開挖面向左線隧道供風(fēng),隧道右線作為進(jìn)風(fēng)洞,左線作為出風(fēng)洞。在已開挖完的車行橫通道布設(shè)射流風(fēng)機(jī)使右線污濁空氣引入左線。左洞每隔600米布設(shè)射流風(fēng)機(jī)將洞內(nèi)污風(fēng)排出洞外。同時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)至洞口方向的人行通道、車行通道進(jìn)行封閉。具體通風(fēng)方案見“圖1:巷道式通風(fēng)方案圖”。
3 通風(fēng)量計(jì)算
3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
在隧道施工過程中,由于鉆爆、裝運(yùn)、噴砼產(chǎn)生有害氣體和粉塵及開挖揭露地層釋放的有害氣體使隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境受到污染,必須采用機(jī)械通風(fēng)的方法向洞內(nèi)供給新鮮空氣,以稀釋有害氣體降低粉塵濃度從而確保隧道內(nèi)施工環(huán)境良好,保護(hù)施工人員的身心健康。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》要求隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境要達(dá)到下列衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn):
1)空氣中的氧含量在作業(yè)過程中始終保持在19.5%以上。嚴(yán)禁用純氧進(jìn)行通風(fēng)換氣。
2)粉塵允許濃度:每立方米空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg;含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6mg;二氧化硅含量在10%以下,不含有毒物質(zhì)的礦物性和動(dòng)植物性的粉塵為10mg。
3)有害氣體濃度:高原地區(qū)海拔大于3000m一氧化碳含量不大于15mg/m3,當(dāng)施工人員進(jìn)入開挖面檢查時(shí),濃度為100mg/m3,但必須在30min內(nèi)降至15mg/m3;二氧化碳按體積計(jì)不超過0.5%;氮氧化物(換算為NO)5mg/m3以下。
4)洞內(nèi)風(fēng)量要求:隧道施工時(shí)供給每人的新鮮空氣量不應(yīng)低于4m3/min,采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)供風(fēng)量不應(yīng)低于4.5m3/(min·kw)。
5)洞內(nèi)風(fēng)速要求:全斷面開挖時(shí)不小于0.15m/s,在分部開挖的坑道中不小于0.25m/s,并滿足巷道排煙的要求。
6)隧道內(nèi)氣溫不超過28℃。
3.2 供風(fēng)量計(jì)算
1)按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量:
Q1=60×A×V=60×94×0.25=1410(m3/min)
式中:V—洞內(nèi)最小風(fēng)速 0.25m/s;A—整洞開挖斷面,取 94m2
2)按洞內(nèi)作業(yè)人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量
Q1=4×90Q1=41.2=432(m3/min),安全系數(shù)k=1.2
3)按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算需風(fēng)量
在鷓鴣山地區(qū),考慮到氣壓低、含氧量低的因素,內(nèi)燃機(jī)的排污量增大,加大了1.5~2.0的系數(shù)。根據(jù)隧道內(nèi)海拔高度計(jì)算隧道內(nèi)空氣含氧量為15.7~15.83%左右,空氣含氧量下降25%。
按內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)所需風(fēng)量計(jì)算時(shí)應(yīng)滿足供風(fēng)量不小于4.0m3/(min/KW),并按下式計(jì)算:
式中:Q1—內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)所需風(fēng)量,m3/min;Hs—裝碴機(jī)械總功率,KW;αs—裝碴機(jī)械的工作效率;HD—運(yùn)輸類汽車總功率,KW;αD—運(yùn)輸類汽車的工作效率;HE—其他類機(jī)械總功率,KW;αD—其他類機(jī)械的工作效率;q—內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量,m3/(min/KW)。
隧道內(nèi)內(nèi)燃動(dòng)力在出渣時(shí)期有WA380-6側(cè)卸式裝載機(jī)和25T自卸汽車。其中側(cè)卸式裝載機(jī)2臺(tái),最大功率146kw,計(jì)算功率146kw;2臺(tái)自卸車,滿載功率按246kw。則需要風(fēng)量為:
Q1=4.0×(146×2+246×2)=3136m3/min
經(jīng)計(jì)算所需風(fēng)量為3136m3/min左右。
4)按照爆破后稀釋一氧化碳至許可最高濃度計(jì)算
采用壓入式通風(fēng):工作面需要風(fēng)量
式中:Q2—爆破排煙所需風(fēng)量,m3/min;t—通風(fēng)時(shí)間,取t=30 min,A—次爆破炸藥消耗量A=240Kg;F—開挖斷面積85m2;L—通風(fēng)換氣長(zhǎng)度,取100m。
經(jīng)計(jì)算開挖面排煙需風(fēng)量為673m3/min。
根據(jù)上列計(jì)算取最大值3136m3/min,為隧道工作面所需新鮮風(fēng)量。供風(fēng)長(zhǎng)度1200m考慮風(fēng)管漏風(fēng),漏風(fēng)率按1.5%考慮,則風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量應(yīng)分別為:
3.3 風(fēng)壓的計(jì)算
1)風(fēng)管直徑選擇。根據(jù)以前的施工經(jīng)驗(yàn)、隧道斷面以及目前常用性能穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)選定通風(fēng)管直徑,本標(biāo)段隧道施工通風(fēng)管直徑采用 2.0m。
2)通風(fēng)阻力計(jì)算。通風(fēng)阻力包括摩擦阻力和局部阻力,摩擦阻力在風(fēng)流的全部流程內(nèi)存在,如拐彎及風(fēng)流受到其他阻礙的地方。為保證將所需風(fēng)量送到工作面,并達(dá)到規(guī)定的風(fēng)速,通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力,即。
(1)局部壓力損失:在通風(fēng)方案中,主要有轉(zhuǎn)彎引起的局部壓力損失,按下列公式計(jì)算:
拐彎局部阻力系數(shù)計(jì)算公式如下:
ξ=0.008α0.75/n0.6
n=R/D? 式中:R為拐彎半徑(取10m),D為風(fēng)管直徑,取2m,α為拐彎角度。拐彎局部阻力系數(shù)計(jì)算得:
ξ=0.008×900.75/50.6=0.089
局部阻力得:
h局=0.089×1.2×302/2=48.1Pa
(2)沿程壓力損失計(jì)算:
風(fēng)管內(nèi)摩擦阻力
λ——摩擦系數(shù),根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)、取λ=0.01;風(fēng)管平均流速
V=30m/s。
L——通風(fēng)管長(zhǎng),取1200m
D——風(fēng)管直徑,取D=2m
ρ——空氣密度,取1.2
h——沿程摩擦阻力pa
h=λ(L/D)ρ(V2/2)=0.01×(1200/2)×1.2×(302/2)=3240Pa
風(fēng)壓計(jì)算:Pa
3.4 風(fēng)機(jī)選型
根據(jù)對(duì)各開挖工作面的供風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算,鷓鴣山隧道風(fēng)機(jī)選型如表2:
右線隧道為進(jìn)風(fēng)洞,左線隧道為排風(fēng)洞,每隔600m安設(shè)37KW射流風(fēng)機(jī)一臺(tái),將洞內(nèi)污風(fēng)吹出洞外。
3.5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果
通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)工序含氧量、風(fēng)速、粉塵等檢測(cè)結(jié)果如表3。
通過對(duì)比分析,各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求,其中噴砼、打鉆工序通風(fēng)參數(shù)均有較大優(yōu)化空間,立拱(出渣)工序則不予調(diào)整。
經(jīng)調(diào)整后,各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)如表4。
經(jīng)過分析比選,噴砼、打鉆工序均采用30Hz頻率,在滿足通風(fēng)規(guī)范要求以及作業(yè)需要的同時(shí),又預(yù)留一定安全空間,以保證洞內(nèi)空氣質(zhì)量。
3.6 通風(fēng)量校核
為了使通風(fēng)管理更加科學(xué)合理,同時(shí)能夠盡量的節(jié)約能源,在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的情況下,得出一套科學(xué)完整的適合本隧道施工工作的通風(fēng)技術(shù)方案,具體參數(shù)對(duì)比分析如表5。
將原參數(shù)與現(xiàn)在的參數(shù)對(duì)比可知,每道工序都有一個(gè)合適的范圍可供調(diào)整。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)每天24小時(shí)中噴砼、打鉆工序約占用13小時(shí),經(jīng)過原有參數(shù)與現(xiàn)有參數(shù)計(jì)算,得出平均日耗電量節(jié)省了(56.32kw×2-23.76kw×2)×2臺(tái)×13小時(shí)=1693.12度。在安全上符合高海拔地區(qū)隧道施工通風(fēng)技術(shù)要求。
4 總結(jié)
本文通過對(duì)在建高海拔地區(qū)鷓鴣山隧道現(xiàn)行通風(fēng)方案進(jìn)行了不同工序情況下的參數(shù)分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,采用數(shù)據(jù)對(duì)比分析,得出一套適合高海拔地區(qū)隧道施工的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理、安全的通風(fēng)方案,為本隧道今后的施工做了有力的指導(dǎo)作用,為類似的工程提供了參考。
參考文獻(xiàn)
[1]JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].