麥積山特長隧道施工通風、供水、配電技術

孫鳳玲

(中鐵二十局集團第五工程有限公司,昆明 650200)

1 工程概況

麥積山隧道為寶天高速公路上一座特長隧道,進口位于甘肅省天水市北道區東岔鎮境內,穿越秦嶺主脊,出口位于甘肅省天水市北道區利橋鄉境內。隧道左線起訖樁號為ZK22+542～ZK34+828,全長12 286 m,右線起訖樁號為YK22+518～YK34+808,全長12 290 m,為亞洲第二長雙線公路隧道。設計為雙向四車道,設計行車速度80 km/h。隧道凈寬10.25 m,凈高5.0 m,縱坡為1.58%,最大埋深489 m。該隧道穿越秦嶺北麓,地形復雜,相對高差大,海拔1 270～1 840 m。地質構造復雜,規模不等的斷層、褶皺發育。

本隧道有以下幾個工程特點：獨頭掘進長,該隧道4個工作面單口掘進長度均在5 900 m以上,在國內公路隧道建設史上是前所未有的；圍巖結構復雜多變,本隧道穿越Ⅱ～Ⅴ級圍巖。巖石節理發育,滲水量大,給掘進施工帶來困難；隧道施工通風難度大,最小通風段長度3 012 m；安全風險大,由于獨頭掘進長、埋置深、圍巖差等特點,在施工過程中有不可預見的安全隱患多。加之工期緊,壓力大,因此，該隧道被列為全線控制關鍵工程。現就左線進口段施工配電、供水和通風方案的選擇進行介紹。

2 施工配電

在特長隧道施工中,隨著開挖斷面的向前掘進,各種用電設備緊隨其后。為了保證各種用電設備的正常運轉,10 kV高壓電就必須進洞。根據施工要求,備用發電機必須安裝在洞外配電室旁。如果把自發電直接送到洞內,在1 000 m范圍內還可以實現,但隨著隧道向前掘進,供電線路太長,將會導致電壓降過大,各種電器設備無法正常運轉。因此,就考慮把自發電升壓到10 kV,再并聯到10 kV市電線路上進行供電。

2.1 隧道正洞供電

(1)在隧道口一側,設置2臺630 kVA變壓器,接入10 kV高壓線。

(2)當隧道開挖超過2 000 m后,2臺630 kVA變壓器不能保證隧道作業面電力時,洞內增設400 kVA變壓器,專供襯砌臺車、混凝土輸送泵及掌子面裝砟機械用電,此變壓器設置防護設施,確保施工用電安全。具體位置設在已二次襯砌(含仰拱)施工完畢的緊急停車帶安全地段。照明和動力線路分開、架空布設,確保隧道作業地段有足夠照明和洞內動力用電。

2.2 3號豎井供電

在豎井口施工安裝400 kVA變壓器從高壓電線接入電源,供施工生活用電。

2.3 備用電源

在隧道出口配備2臺325 kW柴油發電機和3號豎井配備1臺250 kW發電機組作為備用電源。為了滿足需要對變配電方案作了一些改進,2臺325 kVA的發電機容量已經達到要求,并且2臺發電機的型號、容量和輸出電壓都相同,因此可以并聯發電。

在麥積山隧道施工中,如果采用雙電源、雙回路配電方案的話,將會給企業增加上百萬元的成本投入。但這種方案也有它的弊病,那就是必須保證回路的正常運行。特別是10 kV高壓線路,決不能出現任何故障。一旦10 kV高壓線路出現故障,就會造成整個隧道內停電,維修起來也特別困難,最快恢復也需要1 h以上。并且在安裝調試過程中就必須把相序調整好,以免停電的時候再來倒相。在安裝10 kV高壓線路時必須認真,在保證了線路正常的情況下,自發電要通過變壓器反送升壓,還必須得保證在停電時,以最快的速度,最短時間內送上電。

3 隧道施工供水

3.1 隧道正洞供水

在隧道洞口山坡上修200 m3高壓水池并鋪設抽水管道,在洞口小河修蓄水池,用多級泵提升到高壓水池,確保隧道施工用水和生活用水。因麥積山隧道縱坡為1.58%(反向),在隧道掘進3 500 m左右,在3號豎井處修筑蓄水池,用于掌子面施工用水,能保證0.3 MPa以上的水頭壓力,有效節省了水管投入量。

3.2 3號豎井供水

利用豎井附近的溪水修蓄水池攔蓄水,用多級泵提升到豎井山坡上修50 m3的高壓水池,并鋪設抽水管道,確保施工用水和生活用水。

3.3 洞內抽水

洞內滲水和施工積水通過分級設置蓄水池,分級抽出洞外的辦法。在每個水池安設限位啟動裝置,達到自動啟動抽水。在正洞掘進到4 000 m以后,從洞口排水距離長、蓄水池設置數量多,分級導抽繁瑣。為有效解決此問題,在隧道正洞掘進至3號豎井后,在豎井處安設垂直排水管,將掌子面滲水和施工積水引至豎井下蓄水池,利用高壓水泵通過3號豎井抽出。

4 隧道通風

麥積山隧道運營通風方案設計了4個通風豎井(圖1)。此隧道采用4個洞口4個工作面獨頭掘進的方式進行施工,在施工時,通風難度最大的就是左線出口段,最長通風距離5 178 m,因此通風方案的設計、機具選型等方面對施工安全、職業健康、施工能否順利顯得尤為重要。

圖1 運營通風豎井布置(單位：m)

4.1 通風方案的制定

4.1.1 通風方案選擇

選擇混合式通風和自然通風相結合的方式(圖2)。

圖2 隧道通風方案

壓入式和抽出式通風時,風機根據掘進深度采取動態方案,確保掌子面和二襯施工地段空氣新鮮。同時在通風豎井安設軸流風機輔助自然通風,使污染空氣快速流動。

4.1.2 風機選型

通過計算洞內允許的最小供風量為施工人員所需的750 m3/min,機械達到最佳施工效率所需的供風量為2 160 m3/min。確定麥積山隧道左線出口選用SDF型軸流式和SSF型射流風機,在豎井通風口選擇SFC抽出式軸流風機。

4.2 根據掘進深度采取的通風措施

因3號運營通風豎井位置在隧道掘進5 178 m以后,在此之前的通風制定兩套組合通風方案：從隧道洞口采取機械混合式通風保證洞內新鮮空氣；在隧道XK32+925(距洞口1 903 m,地形低洼處)左側25 m處增加臨時通風豎井(井深70 m),解決階段排風出口。

4.2.1臨時通風豎井投入使用前的通風方案(0～2000m)

臨時通風豎井未投入使用前,采用送排風并用串聯通風的方式進行通風。

(1)送風

在隧道口處安裝1臺264 kW的軸流風機,距離隧道洞口至掘進方向1 500 m處串聯1臺110 kW的軸流風機向隧道掌子面送風。經計算，此種串聯通風方式風壓能夠滿足隧道2 000 m內的送風要求,可保證掌子面的風量和風壓要求。

(2)排風

依靠2臺軸流風機往掌子面送風形成的風壓,利用隧道洞身作為排煙通道,將煙塵從洞身排出。同時為了解決排煙時間長的問題,在襯砌臺車前后和掘進距離的中部安設4臺22 kW的射流風機輔助排風,以加快隧道內污風排出速度(圖3)。

圖3 2 000 m內通風方案(單位：m)

4.2.2臨時通風豎井投入使用后的通風方案(2000～3000m)

臨時豎井貫通后,將采用豎井排風,正洞送風的方式進行隧道通風。

(1)送風

臨時通風豎井投入使用后,此時將洞口風機移至洞內距洞口1 800 m處,向洞內送風,隨隧道掘進的加深,一臺風機是難以滿足施工送風需要的,因此再向前掘進1 800 m左右后,串聯1臺264 kW風機向工作面送風。

(2)排風

臨時通風豎井施工完畢后,在隧道臨時通風豎井聯絡風道內,安裝1臺132 kW抽出式軸流通風機,封閉風機口外的其余風道斷面,利用臨時豎井向外排煙。 由于大量洞內出砟行車排煙,仍需在臨時排風豎井至洞口間安設射流風機,保證此段的空氣質量(圖4)。

圖4 2 000～3 000 m區間通風方案(單位：m)

4.2.3 3 000～5 200 m的通風方案

3 000～5 200 m施工段采取利用4號運營豎井排風方案(圖5)。

圖5 3 000～5 200 m區間通風方案(單位：m)

(1)送風

在1號軸流風機位置不動,根據隧道的掘進,再在前端增加1臺110 kW風機(串接)向掌子面送風。

(2)排風

在4號豎井附近行車橫洞處安裝1臺132 kW軸流排風機,利用風筒將污風引排至4號豎井口。在中部安放2臺22 kW射流風機輔助排風。

4.2.4 5 200 m以后通風方案

掌子面掘進至5 200 m以后利用3號豎井排風,此時將1號軸流風機移至距3號豎井1 000 m向掌子面送風。將132 kW排風機移至3號豎井聯絡道口排出污風。

4.3 二次襯砌臺車前后送排風處理

因二襯臺車處縮小了有效排風斷面,往往在二襯臺車前后區段空氣質量最差,施工中采取以下方法較好地克服了斷面縮頸后造成的缺陷。一方面是在臺車前后各安裝2臺射流風機,加快排風的流速；另一方面對臺車處送風筒進行改裝。目前施工使用的送風筒基本都是軟質的,優點是施工方便,易更換。缺點是遇到轉折處風筒直徑自然變小,嚴重阻礙了有效通風量。特別是在二襯臺車處,針對此缺陷,施工中在二襯臺車處20 m長范圍風筒采用硬質風筒,根據臺車外形尺寸直徑加工成折線行,在折角處過風斷面不改變,同時軟質風筒定做不同長度的調節段,以便臺車移動能很好地與硬質風筒對接。

4.4 實際通風效果

通過方案實施,麥積山隧道左線出口在3 000 m以前采取混合機械通風和臨時豎井排風措施,洞內環境非常良好；但在3 000～5 000 m利用4號豎井進行排煙,雖然能保證掌子面和二襯地段空氣質量良好外,在二襯距臨時豎井間仍渦旋著污染空氣,施工中采取增加射流風機數量,也解決了此區間行車的空氣質量。

隧道施工中影響通風效果的其他因素很多,如洞外氣候、工序的配合、并行隧道施工的相互串煙以及人為的片面節省意圖等, 也直接影響著隧道洞內通風效果。采用以上通風措施,基本保證了施工通風標準,為隧道順利掘進創造了條件。

5 結語

特長隧道的施工,關鍵是施工前期做好三大系統(風、水、電)的方案選定工作,尤其是獨頭掘進在5 000 m以上隧道,三大系統方案選擇好壞直接關系到隧道施工安全、質量和掘進速度。筆者認為,獨頭掘進超過5 km的隧道施工,應考慮采取有軌運輸,這樣才能有效保證洞內施工環境、安全、質量和進度。本文重點介紹了麥積山隧道左線進口段施工中采取的通風、供水和配電措施,以供同類隧道施工以借鑒。

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