特長隧洞施工通風系統設計及應用

[摘要] 本文以錦屏二級水電站引水系統中引水隧洞洞群所采用的通風系統為例，詳細闡述了隧洞施工通風系統設計流程及原則，以及通風方式的選擇及通風風量的計算。對長大隧洞施工中合理布置通風系統留下了可貴的參考經驗。

[關鍵字] 洞特長隧洞 施工通風 設計及應用

1. 工程概況

錦屏二級水電站引水系統采用4洞8機布置形式，引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

東端1#、2#引水隧洞采用鉆爆法和TBM法相結合的施工方案，其中1#引水隧洞主要采用TBM施工，2#引水隧洞主要采用鉆爆法施工。引水隧洞標準斷面見圖1-1。

2. 施工通風設計流程及原則

2.1 施工通風設計流程

通風設計流程見圖2-1通風設計流程圖。

2.2 施工通風設計原則

從經濟、維修方便的角度出發，選用國產先進節能通風設備。在滿足通風效果的前提下，盡量減少風機的品種、型號。在凈空允許的情況下，盡量采用大直徑風管，減少能耗損失。通過適當增加一次性投入，減少通風系統的長期運行成本。

3. 施工方案及主要污染源

3.1 施工方案

本標段工程1#引水隧洞和2#引水隧洞長度分別為14144.291m、11929.086km。其中1#引水隧洞有1228.676m采用鉆爆法施工，其余采用TBM施工，連續皮帶輸送；2#引水隧洞約6400m采用鉆爆法掘進，液壓鉆孔臺車鉆孔，石渣通過橫洞利用1#引水隧洞連續皮帶機運輸，其余采用TBM施工，連續皮帶輸送。其它輔助洞室采用鉆爆法掘進，小型裝載機配自卸車出渣。

3.2 主要污染源

主要污染源見表14-1。

4. 施工環境標準

洞內施工環境的要求包括：洞內空氣中的有害氣體濃度、粉塵和煙塵濃度、空氣溫度和濕度、風速、噪音等等，其主要標準如下。

4.1 有害氣體

《水工建筑物地下開挖工程施工技術規范》(DL/T5099-1999)中規定的地下工程施工中有害氣體允許濃度見表4-2。

CO容許濃度當作業時間在1h以內時，可放寬到50mg/m３，半小時以內可達100mg/m３，15～20min可達200mg/m３。在以上條件下反復作業時，兩次作業時間應間隔2h以上。

4.2 粉塵

《工業企業設計衛生標準》(TJ36-79)中規定的與地下工程施工有關的粉塵允許濃度見表4-3。

4.3 空氣溫度和風速

洞內溫度一般不應超過28℃，當空氣溫度和相對濕度一定時，提高風速可以提高散熱效果。溫度和風速之間的關系見表4-4。

洞內最低風速應不小于15m/min，最大風速應不超過240～360m/min。

4.4 風量

洞內風量要求：每人每分鐘供應新鮮空氣不少于3m３。

洞內使用柴油機械施工時，每馬力每分鐘供風3m３，并與同時工作人員所需的通風量相加；

洞內空氣中的氧氣含量不低于20%。

5. 通風方式和通風系統布置

5.1 通風方式

根據本投標人長大隧洞施工通風的經驗，結合本工程現場實際情況及工程特點，引水隧洞施工期間通風分三階段，兩種通風方式：

第一階段為1#、2#引水隧洞第一、二個橫通道、通風通道貫通之前，1#、2#引水隧洞鉆爆法施工階段，各隧洞采用獨立的壓入式通風方式；

第二階段為1#、2#引水隧洞第一、二個橫通道、通風通道貫通之后，1#引水隧洞TBM掘進、2#引水隧洞鉆爆法施工及1#引水隧洞已貫通，兩洞之間橫通道未封堵，2#引水隧洞TBM施工階段，兩座隧洞聯合形成巷道式通風；第三階段為兩洞之間橫通道已封堵，2#引水隧洞TBM施工階段，2#引水隧洞采用獨立的壓入式通風方式。

5.2 通風系統布置

通風系統包括1#、2#引水隧洞鉆爆段、TBM施工段，橫通道及通風通道，組成平行巷道的循環通風和掘進工作面的管道通風兩部分。在2#引水隧洞16+140.918處左側與之成19°交角的方位開挖一條斷面為4.5m×4.8m長約900m的通風通道，在洞內布置通風機將污濁空氣抽出洞外。

第一階段在東引1#施工支洞洞口布置通風機，檢修交通廊道、通風道分別在各自洞口布置通風機；

第二階段在橫通道(每1500m設置一個)附近布置風機，每開挖一個橫通道，風機向前移動一次，為避免污濁空氣通過東引2#施工支洞向其它洞內擴散，在東引2#施工支洞至通風通道與2#引水隧洞交界點之間設兩道風門，車輛通過時交替開啟;

第三階段在2#引水隧洞通風通道與東引2#施工支洞之間安裝風機。具體通風系統布置詳見附圖5-1。

6. 通風計算及通風設備

6.1 設計參數

1#引水隧洞采用TBM施工，施工長度12916m， 2#引水隧洞前期采用鉆爆法施工，獨頭掘進長度約6400m，兩洞均采用皮帶輸送機出渣。按照施工組織設計安排推算，當1#引水隧洞貫通時， 2#引水隧洞鉆爆工作面將施工6400m，預計TBM超前6500m。

1#、2#引水隧洞之間的橫通道間距按1500m考慮。按進度安排和橫通道間距計算，TBM工作面的最大管道通風長度為1#引水隧洞8000m、2#引水隧洞11400m， 2#引水隧洞鉆爆工作面的最大管道長度為3000m。

施工期間通風主要為第二階段為1#引水隧洞TBM掘進、2#引水隧洞鉆爆法施工階段，從經濟、維修方便的角度出發，在滿足通風效果的前提下，為了盡量減少風機的品種、型號，第一、三階段利用第二階段的風機及風管，以下對第二、三階段通風進行計算。

(1)開挖面積：TBM施工St＝120.76m２，鉆爆法施工Sz＝137m２。

(2)一次開挖長度：L＝4.0m；

(3)單位體積耗藥量：1.5kg/m３；

(4)一次爆破用藥量：G＝822kg；

(5)洞內最多作業人數：60人；

(6)爆破后通風排煙時間：T＜30min；

(7)隧道內平均風速不應低于15m/min。

6.2 通風計算

6.2.1 引水隧洞TBM施工 本標段TBM施工通風系統由TBM供貨商提供，本投標人只負責設備安裝及維護。按照TBM需要風速不低于0.3m/s，按0.4m/s考慮，TBM風機風量約為2898m３/min。

6.2.2#引水隧洞鉆爆法施工

6.2.2.1 工作面風量

隧道內平均風速不應低于15m/min，則

Ql= V×A =15×147=2055m3/min

按排除炮煙計算風量，

式中，t——爆破后通風時間，單位min，取30min

G——一次爆破炸藥用量，取822kg

A——開挖斷面積，147m2

L0——炮煙拋擲長度，L0=15+ G/5=179.4m

Q=7.8/t×3 822×(137×179.4)2=2059

考慮高原修正系數0.856，工作面風量應按2405 m3/min計算。

6.2.2.2 風機F4的設計風量

(1)管道漏風系數 要求與F4風機配套的通風軟管為引進的優質通風管道，平均百米漏風率0.5%，3000m管道的漏風系數

Pl=1/(1－P100×L/100)=1/(1－0.005×30)=1.2

(2)風機F4的設計風量

Qj=Pl×Q1=1.2×2405=2886m3/min，

(3)風機F4的設計全壓

取與F4風機配套通風軟管直徑Φ2.4m，3000m管道風阻系數

Rl=6.5×α×L/D5=6.5×1.8×10-3×3000/2.45=0.44N·S2/m8

管道阻力損失

Hl= RlQj2/Pl=0.44×502/1.2=917Pa，

6.2.2.3 通風通道F5通風機

(1)通風機F5的風量應大于TBM通風風機F3及F4的風量之和。

(2)通風機的全壓應克服總風流在隧道中的總阻力，總風流自東引1#施工支洞流入后，經東1#引水隧洞、橫通道、2#引水隧洞、通風通道流出洞外，該流道各段的阻力系數為：

①東引1#施工支洞： 斷面8.5×7=59.5m2，長576米，水利直徑8.7米，洞壁摩阻系數按光面爆破計算取α=0.088，變斷面進風口局部阻力系數§=0.95，60?轉彎2處，取§彎=0.62×2=1.24 合計阻力損失

h支=(1+§e+λL/de)ρ/2×V2=(1+0.95+1.24+0.088×576/8.7)×1.027/2×2.352=25.6Pa

②1#引水隧洞：斷面面積120.76m２，長13940m，水力直徑de=14.4m，洞壁摩阻系數λ=0.038，按每1500m設一個橫通道計算，共5個橫通道，與主洞交叉岔口的局部阻力系數為§岔=5×0.36=1.8。風流在1#引水隧洞中的阻力損失：

h引1=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(1.8+0.038×13940/14.4)×1.027/2×1.162=31Pa

③2#引水隧洞：斷面面積137m2，長11664m，水力直徑de=13.2m，洞壁摩阻系數λ=0.088，10個橫通道與主洞交叉岔口的局部阻力系數為§岔=10×0.36=3.6.風流在2#引水隧洞中的流動阻力損失：

h引2=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(3.6+0.088×11664/13.2)×1.027/2×1.022=43Pa

④橫通洞：兩端進出口變斷面局部阻力§橫=0.95×2=1.9，平均風速取V=2.3m/s，流動阻力損失：

h橫=§e×ρ/2×V2=1.9×1.027/2×2.32=5 Pa

⑤通風通道：斷面面積(4.5×4.8)20.25m2，長900m，水力直徑5.0m，洞壁摩阻系數λ=0.088，兩處60°彎的局部阻力系數§彎=0.95×2=1.9，平均風速6.9m/s。風流在通風通道中的流動阻力損失：

h通=(§e+λL/de)ρ/2×V2=(1.9+0.088×900/5.0)×1.027/2×6.92=434Pa

⑥總流動阻力損失：

h= h支1+h引1+h引2+h橫+h通=25.6+31+43+5+434=538.6pa

6.3 風管直徑選擇

為降低風管漏風率，提高通風效果，根據現場施工條件及工程特點，鉆爆法段通風管采用引進的優質通風軟管，風管直徑選用Φ2.4m。

6.4 風機選型及配置

隧洞施工通風設備選型及配置見表6-1。本表中除考慮一般地段正常通風外，同時儲備了一定的通風安全系數，確保順利通過施工地段開挖、支護、襯砌施工，保證施工、隧洞結構及施工人員安全。

7. 剛性風管制作與設備安裝

7.1 剛性風管制作 風管采用Φ＝2.4m引進的優質通風軟管，由于風機口風壓較大，風機后200m為鍍鋅鐵皮硬管，以防風機啟動時吹破軟管，其余采用軟管。硬管在現場加工制作。

7.2 設備安裝 風機盡可能置于干燥處，如有漏水，要高雨棚對風機和配電柜進行保護。

風管轉彎應設過渡段，轉角應大于110°。

用架子車升降、吊裝風管，吊具焊接在洞壁的砂漿錨桿上，按照5米間距埋設吊掛錨桿，并在桿上標出吊線位置，再將φ8mm的盤條吊掛線拉直拉緊焊接于錨桿上，將φ6mm的盤條彎成“V”形，跨于吊掛線上，兩端分別掛于軟風管兩側的吊環，要求φ6mm “V”形盤條長短一致。這樣，就可保證風管安裝達到平、直、穩、緊，不彎曲、無褶皺，減小通風阻力。

8. 通風監測

8.1 監測內容

(1)內燃機廢氣排放濃度及凈化效果測試

內燃機怠速狀態下；

內燃機空載運行加添加劑前后比較；

內燃機洞內運行加添加劑前后比較；

在內燃機廢氣排放口1.5～1.0m處測定煙黑度及CO排放量。

(2)洞內塵毒測試 爆破后10分鐘、30分鐘、60分鐘，離掌子面不同距離處選點測粉塵濃度，CO濃度，NO和H2S濃度，噴錨作業時粉塵濃度和噪音；裝運碴時，洞內煙度及CO濃度，NH3濃度。

(3)管道通風測試 管道的靜壓、動壓、風速、風量和風機處噪音。

(4)其它指標測試 洞內外濕度、溫度、氣壓及含氧量。

8.2 測試儀器 粉塵濃度測定根據GB5748－85《作業場所空氣中粉塵測定方法》測定1.5m高處人員呼吸帶的濃度，主要器材有粉塵采樣器、0.0001g電子天平、箱形電爐、秒表、過氯乙烯纖維濾膜。有害氣體測定在各檢測點距地面1.5m高進行，采用氣體檢測儀進行。通風系統性能在風機氣流穩定的直管段處測定風機的風量、風壓、系統阻力、管內風速。

9. 通風管理

隧洞施工通風管理水平的高低，是影響通風質量的關鍵因素之一。因此，必須以“合理布局，優化匹配，防漏降阻，嚴格管理，確保效果”二十字方針，作為施工通風管理的指導原則，強化通風管理。

9.1 通風組織與相關管理制度 建立以崗位責任制和獎懲制為核心的通風管理制度和組建專業通風班組，通風班組全面負責風機、風管的安裝、管理、檢查和維修，嚴格按照通風管理規程及操作細則組織實施。項目部定期根據通風質量給通風班組兌現獎懲辦法。施工產生的粉塵應進行綜合治理，除采用常規的機械通風、濕式鑿巖、放炮噴霧、出渣灑水、沖洗巖幫等措施外，還可以采取局部凈化的方法，控制塵源所產生的粉塵擴散。

9.2 防漏降阻措施 以長代短。每段軟風管的長度由以往的20～30m加長至50～100m，減少接頭數量，并嚴格按操作規程執行，以減少漏風率。以大代小。在凈空允許的條件下，盡量采用大直徑軟風管。以直取彎。掘進過程中，按照5米間距埋設吊掛錨桿，并在桿上標出吊線位置，再將φ8mm的盤條吊掛線拉直拉緊焊接于錨桿上，將φ6mm的盤條彎成“V”形，跨于吊掛線上，兩端分別掛于軟風管兩側的吊環，要求φ6mm “V”形盤條長短一致。這樣，就可保證風管安裝達到平、直、穩、緊，不彎曲、無褶皺，減小通風阻力。

軟風管在儲存、運輸過程中要注意保護，避免造成人為損傷和機械損傷，從而減少漏風量。通風管線路的終點距工作面不應大于30m，必要時應在通風管上設置中間接力風機，以保證良好的排出污染空氣。此外，加強風管的檢修，檢查內容包括懸掛是否完好、接頭連接狀況、風管有無破損等，對存在的問題及部位做好記錄并及時處理。

望本文提供的通風技術能為以后建設的其他特長隧洞通風設計提供參考。（作者單位 中鐵十八局集團有限公司隧道工程公司）