王政松， 陳智勇， 王忠勛， 李 軍， 張紀(jì)強(qiáng)

(1.中鐵二十三局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072；2.中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司，山東 日照 276826)

隧道施工通風(fēng)是保護(hù)作業(yè)人員健康與安全的重要措施，同時(shí)是影響施工進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。針對隧道施工通風(fēng)問題，國內(nèi)外學(xué)者從通風(fēng)方式[1-3]、有害氣體濃度[4, 5]、風(fēng)管漏風(fēng)率[6-8]、風(fēng)機(jī)功率[9]、數(shù)學(xué)模型[10-12]等方面進(jìn)行了深入研究，取得了一些成果，但對于高海拔地區(qū)隧道掌子面施工需風(fēng)量的計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型以及通風(fēng)方式研究較為鮮見。本文以大瑞鐵路杉陽隧道進(jìn)口段施工通風(fēng)為依托，對高海拔深埋長隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)選型以及通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究。

1 工程概況

杉陽隧道位于大理白族自治州永平車站與杉陽車站之間，為單線鐵路隧道。隧道正洞全長13 390 m，是全線重難點(diǎn)控制性工程之一。隧道位于瀾滄江活動(dòng)斷裂帶東側(cè)，多次穿越高地應(yīng)力，經(jīng)歷了5條褶皺、6條斷裂(如圖1所示)，使得巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，地質(zhì)情況復(fù)雜多變。

圖1 杉陽隧道縱斷面斷裂帶分布[13]

隧道掌子面開挖揭示巖性為泥巖、頁巖，呈薄層、片狀構(gòu)造，巖層擠壓褶皺明顯。圍巖具有遇水易軟化、泥化和膨脹等特點(diǎn)，自穩(wěn)性極差，極易造成隧道初期支護(hù)大變形，施工安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，預(yù)控難度大。此外，隧道處于云貴高原，山體海拔最高達(dá)2 500 m，隧道最大埋深1 015 m，洞內(nèi)巖溫最高可達(dá)42 °C，環(huán)境溫度達(dá)37～39 °C，施工人員難以長時(shí)間帶班作業(yè)，更換頻繁，機(jī)械故障率高，施工環(huán)境艱難。

隧道正洞設(shè)計(jì)為單線小斷面隧道，隧道斷面如圖2所示。臨近正洞設(shè)置有“一斜井一平行導(dǎo)坑(簡稱平導(dǎo))”的輔助坑道。斜井位于隧道中部，長度為600 m，洞身坡度為33%，用于改善施工通風(fēng)和排水；平導(dǎo)位于線路左側(cè)30～45 m處，全長13 408 m。隧道受地理地形限制，不具備再增開斜井、豎井的條件，只能采取隧道進(jìn)口和出口單頭掘進(jìn)的施工方式，獨(dú)頭掘進(jìn)長度超過6 000 m。由此可見，解決長距離通風(fēng)排煙問題是保證作業(yè)人員安全和施工進(jìn)度的重要因素。

圖2 隧道正洞斷面(單位：m)

2 高海拔隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

2.1 海拔高度與施工環(huán)境參數(shù)的關(guān)系

由于海拔高度的變化，工程施工環(huán)境會(huì)發(fā)生明顯改變,空氣密度和含氧量值均隨著海拔高度的增加而減少。在其他條件不變的情況下，高原地區(qū)的空氣密度減少，同樣的含氧量會(huì)導(dǎo)致氣體體積的增加，因此需引進(jìn)海拔高度修正系數(shù)。海拔高度修正系數(shù)與海拔高度的關(guān)系見式(1)[8]。

(1)

式中：ω為海拔修正系數(shù)；Z為海拔高度。

此外，海拔在1 100 m以內(nèi)，海拔高度與大氣壓之間滿足如下關(guān)系式[14]。

(2)

式中：P為海拔h處的大氣壓(kPa)；Z為海拔高度。

2.2 掌子面需風(fēng)量計(jì)算

隧道施工采用無軌運(yùn)輸，受斷面小和運(yùn)輸距離長的影響，施工通風(fēng)對隧道施工速度起著重要作用。施工通風(fēng)量應(yīng)對洞內(nèi)最多作業(yè)人數(shù)的需風(fēng)量、排除和稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需風(fēng)量、稀釋爆破后氣體所需風(fēng)量、稀釋瓦斯氣體所需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，并取其最大值作為隧道施工作業(yè)的需風(fēng)量；最后，按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算[15]。

(1)洞內(nèi)作業(yè)人員所需風(fēng)量Q1：

Q1=k·n·q

(3)

式中：k為風(fēng)量備用系數(shù)，k=1.2～1.4，本文取1.3；n為同一時(shí)間內(nèi)洞內(nèi)最多作業(yè)人員，取60；q為每人需要的新鮮空氣量，取3 m3/min[16]。

(2)排除和稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需風(fēng)量Q2：

(4)

式中:α為單位功率內(nèi)燃設(shè)備供風(fēng)量，根據(jù)《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》取3 m3/(min·kW)；Ni為第i臺(tái)內(nèi)燃設(shè)備的額定功率,因隧道為單線小斷面隧道，掌子面出渣時(shí)只能停放2臺(tái)自卸車(1臺(tái)為滿載，功率按200 kW計(jì)；另1臺(tái)為空車，功率按滿載的80%計(jì)，即160 kW計(jì))和1臺(tái)裝載機(jī)(功率162 kW)。

(3)稀釋爆破產(chǎn)生氣體所需風(fēng)量Q3:

(5)

(6)

式中：t為爆破后通風(fēng)時(shí)間，取15 min；G為爆破的炸藥用量，取150 kg；A為隧道開挖斷面面積，(m2)；L0為爆破后炮煙的擴(kuò)散長度。

(4)隧道瓦斯涌出與所處巖層、巖石的滲透率、開挖深度、開挖方法等條件有關(guān)。隧道施工前，應(yīng)對地質(zhì)條件進(jìn)行詳勘；施工時(shí)，應(yīng)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)或施工監(jiān)測確定瓦斯含量，再采用通風(fēng)的方式將瓦斯?jié)舛认♂尩揭?guī)定值以下濃度。稀釋瓦斯?jié)舛人栾L(fēng)量Q4為：

(7)

式中：?為瓦斯涌出量的不均衡系數(shù)；W為瓦斯絕對涌出量；m為工作面允許的瓦斯?jié)舛?；m0為送入風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

(5)洞內(nèi)允許最小風(fēng)速條件下的風(fēng)量Q5：

Q5=60·A·V

(8)

式中：V為洞內(nèi)最小風(fēng)速，取0.25 m/s。

根據(jù)以上公式可分別計(jì)算得到Q1=234 m3/min、Q2=1 566 m3/min、Q3=704 m3/min、Q4=0 m3/min、Q5=1 050 m3/min。由此可知掌子面需風(fēng)量Q≥1 566 m3/min(max(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5)，為隧道施工中用于稀釋爆破氣體所需風(fēng)量，且能滿足洞內(nèi)允許的最小風(fēng)速要求。因此，隧道施工供風(fēng)量由稀釋爆破氣體所需風(fēng)量控制，稀釋爆破氣體所需風(fēng)量可作為風(fēng)管末端的出風(fēng)量。

2.3 通風(fēng)設(shè)備選型計(jì)算

通風(fēng)設(shè)備的選擇包括風(fēng)機(jī)和風(fēng)管(帶)。首先根據(jù)上節(jié)計(jì)算所需風(fēng)量，結(jié)合隧道斷面尺寸和送風(fēng)距離確定風(fēng)管(帶)類型和直徑，然后計(jì)算風(fēng)管(帶)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量、通風(fēng)阻力和風(fēng)壓等參數(shù)，最后確定風(fēng)機(jī)規(guī)格型號。

通風(fēng)風(fēng)管(帶)初步選擇直徑為1 500 mm的PVC涂覆布風(fēng)帶。該風(fēng)帶具有強(qiáng)度高、重量輕、使用壽命長、易于加工等特點(diǎn)。另外需要指出的是，如果選擇的風(fēng)管直徑過小，會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)阻力過大，不能滿足送風(fēng)需要；如果選擇的風(fēng)管直徑過大，又會(huì)造成浪費(fèi)，且不利于施工組織。

風(fēng)帶進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量Q0可根據(jù)風(fēng)帶的漏風(fēng)系數(shù)μ和風(fēng)帶的使用長度L進(jìn)行確定：

Q0=μQ

(9)

(10)

式中：β為百米風(fēng)帶的漏風(fēng)率，取1.5%；L為最大通風(fēng)距離；Q為風(fēng)帶出風(fēng)口風(fēng)量。

通風(fēng)阻力包括沿程摩擦阻力、局部阻力和其他阻力。長距離通風(fēng)過程中摩擦阻力為主要阻力，局部阻力和其他阻力一般取摩擦阻力的10%～20%[17]。

h=hf+h0

(11)

(12)

h0=0.15hf

(13)

式中：h為通風(fēng)阻力；hf為摩擦阻力；h0為局部阻力和其他阻力；λ為風(fēng)帶摩擦系數(shù)，取0.002 N·s2/m4；L表示最大通風(fēng)距離；Q0、Q分別表示風(fēng)帶進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口風(fēng)量(m3/s)；U、A分別為風(fēng)帶周長和面積。

3 施工通風(fēng)技術(shù)

杉陽隧道進(jìn)口段平導(dǎo)和正洞計(jì)劃開挖長度分別為6 585 m和6 485 m,考慮隧道長距離送風(fēng)效率影響，采用四階段送風(fēng)方式。圖3為隧道開挖不同距離的送風(fēng)平面布置，其中第一、二階段各包括兩個(gè)送風(fēng)工作面，第三階段作業(yè)面為一個(gè)平導(dǎo)作業(yè)面和兩個(gè)正洞作業(yè)面，第四階段作業(yè)面為一個(gè)平導(dǎo)作業(yè)面和三個(gè)正洞作業(yè)面。

圖3 隧道進(jìn)口段平面布置

根據(jù)各段通風(fēng)距離和作業(yè)面數(shù)量選擇不同的通風(fēng)方式，如表1所示。

表1 隧道施工四階段通風(fēng)劃分及通風(fēng)方式

根據(jù)公式(9)～公式(10)，可以計(jì)算獲得隧道施工四個(gè)階段的風(fēng)帶進(jìn)風(fēng)量及風(fēng)阻值，如表2所示。表3為隧道施工四階段軸流風(fēng)機(jī)的選擇及風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)。每臺(tái)風(fēng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，風(fēng)機(jī)為變頻軸流風(fēng)機(jī)。

表2 隧道施工四階段風(fēng)帶進(jìn)風(fēng)及風(fēng)阻情況

表3 隧道施工四階段風(fēng)機(jī)選擇及技術(shù)參數(shù)

3.1 第一階段壓入式通風(fēng)

隧道在施工第一階段，由于隧道各作業(yè)面距離隧道洞口的距離不超過1 000 m，施工通風(fēng)采用風(fēng)管壓入式通風(fēng)。主要將軸流風(fēng)機(jī)安裝在隧道洞口外30 m處，通過軸流風(fēng)機(jī)將隧道外的新鮮空氣壓入至隧道作業(yè)面，污濁空氣則通過氣流的作用排出至洞外。另外，為保證正洞和平導(dǎo)作業(yè)面施工通風(fēng)的需要和通風(fēng)效率，在正洞和平導(dǎo)隧道洞外各設(shè)置一臺(tái)2×75 kW的軸流風(fēng)機(jī)，分別為正洞和平導(dǎo)作業(yè)面送風(fēng)。圖4為第一階段壓入式通風(fēng)布置。

圖4 第一階段壓入式通風(fēng)

3.2 第二階段巷道式通風(fēng)

當(dāng)隧道開挖超過1 000 m后，壓入式通風(fēng)沿程風(fēng)阻較大，風(fēng)壓損失嚴(yán)重，污風(fēng)排出緩慢。為此，利用橫通道使正洞和平導(dǎo)組成巷道式通風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的風(fēng)流循環(huán)系統(tǒng)。平導(dǎo)作為新鮮風(fēng)的進(jìn)風(fēng)巷道，正洞作為污風(fēng)的出風(fēng)巷道，平導(dǎo)和正洞掌子面通過最前的橫通道連通，其余橫通道全部封閉。此外，為加快污風(fēng)的排除，在正洞設(shè)置3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)接力抽排污濁空氣，射流風(fēng)機(jī)型號為SDS-II，風(fēng)機(jī)功率為35 kW。該階段巷道式通風(fēng)布置如圖5所示。

圖5 第二階段巷道式通風(fēng)

3.3 第三階段斜井+巷道式通風(fēng)

為加快正洞施工進(jìn)度，正洞通過超前平導(dǎo)和橫通道作用新增加了一個(gè)作業(yè)面。因作業(yè)面的增加和隧道長距離通風(fēng)效率難以保證等問題，洞口長距離送風(fēng)方式無法滿足隧道全部施工作業(yè)面的需風(fēng)量。為此，在隧道中間位置設(shè)置了斜井，利用斜井進(jìn)入新鮮風(fēng)實(shí)現(xiàn)巷道式通風(fēng)。圖6為斜井巷道式通風(fēng)布置。考慮正洞1施工進(jìn)度較慢且前期距斜井的位置較遠(yuǎn)，正洞1作業(yè)面通風(fēng)采用從正洞洞口送風(fēng)，平導(dǎo)排污風(fēng)的巷道式通風(fēng)。其中，軸流風(fēng)機(jī)后約200 m布置一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)加快新鮮風(fēng)風(fēng)速；其他作業(yè)面采用斜井和風(fēng)帶將新鮮風(fēng)送入掌子面，污風(fēng)通過射流風(fēng)機(jī)加快排出洞外。射流風(fēng)機(jī)型號為SDS-II，風(fēng)機(jī)功率為35 kW。

圖6 第三階段斜井+巷道式通風(fēng)

3.4 第四階段斜井+巷道射流式通風(fēng)

新鮮風(fēng)的進(jìn)入方案：利用平導(dǎo)超前和橫通道優(yōu)勢，開挖掌子面數(shù)量增加至4個(gè)，實(shí)現(xiàn)了隧道“長隧短打”施工方案。掌子面數(shù)量的增加致使洞內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)需要做適當(dāng)調(diào)整。利用射流風(fēng)機(jī)將斜井的新鮮風(fēng)引入平導(dǎo)，平導(dǎo)和橫通道處設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)帶實(shí)現(xiàn)壓入式送新鮮風(fēng)。

污風(fēng)的排除方案：利用平行導(dǎo)坑的優(yōu)勢，采用射流風(fēng)機(jī)將污風(fēng)引入18#橫通道，通過正洞排出污風(fēng)，形成巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。其中，為避免污風(fēng)進(jìn)入平導(dǎo)，在17#橫通道處需設(shè)置密封墻。

圖7為第四階段的通風(fēng)布置，該階段的通風(fēng)效果為所有階段中的最不利階段。經(jīng)過對正洞各工序含氧量測試結(jié)果表明：開挖階段、出渣階段、立架階段的含氧量分別為18.7%、19.1%、19.6%，均符合安全操作標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外為加快降塵和高地溫，掌子面開挖后采用霧炮機(jī)噴霧降塵，冰塊降低作業(yè)環(huán)境溫度。

圖7 第四階段斜井+巷道射流式通風(fēng)

4 結(jié)論

高原地區(qū)受低壓、高寒、空氣稀薄等不利因素影響，隧道及地下空間施工通風(fēng)技術(shù)要求更高，施工通風(fēng)難度更大。隧道施工通風(fēng)問題直接影響作業(yè)人員的身心健康、施工進(jìn)度和施工安全。本文依托杉陽隧道進(jìn)口段工程實(shí)踐，采用理論計(jì)算與現(xiàn)場施工相結(jié)合的方法，對高海拔深埋長隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)選型以及通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

(1)高原地區(qū)因空氣密度減少、氣體體積的增加，隧道施工通風(fēng)量計(jì)算時(shí)應(yīng)采用海拔高度修正系數(shù)進(jìn)行修正。

(2)通過對高海拔深埋長隧道各階段施工里程和通風(fēng)參數(shù)的計(jì)算分析，制定了不同開挖長度的隧道通風(fēng)專項(xiàng)技術(shù)方案。

(3)通過對最不利送風(fēng)階段施工工序含氧量測試，驗(yàn)證了通風(fēng)方案的通風(fēng)效果，研究成果可為高海拔隧道施工通風(fēng)提供參考和借鑒。