特長高污染隧洞施工通風技術研究

韓文起

(中鐵十三局集團公司，長春 130033)

錦屏二級水電站引水系統采用4洞8機布置形式，包括A、B輔助洞共有7條深埋特長隧洞，4條引水隧洞長度均在16.67 km左右，為世界規模最大引水隧洞群。其實際鉆爆法施工獨頭掘進通風距離達到了12.5 km，TBM獨頭掘進通風距離達到了14.5 km。隨著工程建設的陸續進行，隧洞群設計及施工組織均有較大調整。且地質等因素也影響隧洞布置，諸如輔引支洞、橫通道及其他交通線路均有所變化，故隧洞群施工通風方案也隨之做出了較大的相應調整。特別是在洞身長度增長后，洞身段出現通風不暢，導致整條隧洞長期處于污染或死風狀態，生產處于停頓，嚴重影響工程建設進度和安全。

本文針對錦屏二級水電站特長隧洞高污染且嚴重影響施工人員安全和工程進度等通風難題，運用隧洞通風理論、計算機技術和科學試驗等手段與方法，充分結合錦屏工程實際情況和國家相關控制標準，研究出適合錦屏引水隧洞洞群在不同施工階段(工況)進風通道、工點(工作面、隧洞洞段)、出風通道等通風方案及其參數。進而提出復雜條件下錦屏特長隧洞群施工高強度通風技術，以此確保所有隧洞群通風質量，使得隧洞不會因空氣污染致使施工停滯，最終確保整個工程建設順利完成。

1 施工組織調整及通風需求分析

由于引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線隧洞埋深1 500～2 525 m，受高地應力和其他地質因素影響，巖爆日趨頻繁且烈度越來越高，已經嚴重影響所有隧洞掘進施工安全和進度。由此導致了施工進度大幅滯后于原計劃的不利局面，必須對施工組織進行調整，并對通風系統進行重新分析和論證。

1.1 施工組織變化

依據隧道工程理論［1-2］，結合目前施工現狀，采取增加工作面以及提前釋放應力等一系列措施可以加快隧洞群掘進的速度。為此對隧洞布置做出了較大調整，調整后隧洞群布置見圖1。

圖1 調整后隧洞群布置

1)增設排引 1#、2#和 3#隧洞

首先，掘出排引1#隧洞并利用其作為交通和通風通道，同時也可由此通道作為施工支洞分別向上、下游方向掘進3#和4#引水隧洞，理論上最多可以增加4個工作面。其次，利用排引1#隧洞作為交通和通風通道，從施工排水洞開口與4條引水隧洞45°斜交掘進排引2#隧洞，完成后由排引2#隧洞作為施工支洞分別向上、下游方向掘進 1#、2#、3#和 4#引水隧洞，理論上最多可以增加8個工作面。最后，利用排引1#隧洞、排引2#隧洞和4#引水隧洞作為交通和通風通道，從4#引水隧洞開口向排水洞方向斜交掘進排引3#隧洞，完成后由排引3#隧洞作為施工支洞掘進施工排水隧洞，理論上最多可以增加2個工作面。

2)增設輔引 1#、2#和 3#隧洞

與掘進排引1#、2#和3#隧洞同樣道理，在后期掘進3條輔引隧洞，分別從A輔助洞開口進入，與4條引水隧洞在不同里程位置45°斜交。利用輔引隧洞作為交通通道，理論上可以在不同施工階段分別增加8個工作面。

由上述調整可知，這些施工組織變化，將使錦屏工程隧洞群數量大大增加，且隧洞群的設計、施工條件以及管理難度發生了極大變化，隧洞平面和空間布置極為復雜。另外，調整后所有以排引1#及排引2#施工支洞開挖出的巖渣均須由4#引水隧洞無軌運出，4#引水洞已經成為了多達4～6個工作面掘進出渣的總交通和運輸通道(見圖2)。因此，調整后相當長的時間(直到工程竣工)內對4#引水洞本身的支護襯砌等后續施工、洞段路面維護、高強度運輸通過能力以及通風系統均有極大影響。一旦處理不當或出現問題則有可能造成所有工作面停工的嚴重后果，特別是大功率運渣車輛大量尾氣排放后，對洞身段通風能力以及隧洞管理帶來極大的考驗和挑戰。

圖2 4#引水洞高強運輸

1.2 通風系統的新要求

依據實際監測數據可知，調整前通過4#引水洞的車流量約為1 500輛/d，其中大功率運輸車輛有1 200輛。洞內空氣污染已經非常嚴重，洞內工作人員施工效率明顯下降，有效工作時間急劇減少。施工組織方案調整后，4#引水洞內的車流量將達4 000輛/d，其排放污染物的總功率高達1 167 kW，總需風量為5 403 m3/min。4#洞目前的通風水平已經難以滿足施工需要，更不用說滿足調整施工組織方案后高強度運輸大量尾氣排放的通風要求。故必須對4#引水隧洞通風系統的方案及其參數重新論證和分析，以確保工程順利完成任務和施工人員的身體健康。

2 通風方案分析

4#引水隧洞洞身段通風中的風量主要來自工作面的返程風，這些風流經過工作面后已較大程度受到污染，隨著洞身段長度不斷增加，其排出效果將急劇下降。如果按照最新施工組織設計方案，運輸車輛排出的大量尾氣使得洞內空氣受到更加嚴重的污染，若通風機的風量不足，很可能洞內出現死風。

鑒于4#洞內的施工實際與通風需求，解決洞身段空氣質量問題主要考慮采用加大通風強度和降塵凈化等措施:洞內系統布設風機聯動排風，將污濁空氣排至東引2#施工支洞;采用噴淋設施形成水幕降低爆破和出渣的粉塵;利用噴霧水車對隧道內個別污染嚴重地段進行噴霧降塵除煙。其中風機布設最為關鍵，必須對其排風方式、風量、風壓、風阻、排風能力以及設備規格與配置進行重新計算和論證分析。

3 通風參數計算

按隧道通風理論與技術［3-6］，結合4#引水洞的鉆爆掘進和承擔的交通運輸實際情況，4#引水洞的通風風量和設備數量必須由工作面生產以及洞身段排污總量兩部分決定。4#引水洞一方面需要排出4#引水洞掌子面的污染空氣，另一方面需要承擔2#排引洞多工作面施工運輸的排污，所以洞身段的通風量是掌子面和運輸車輛所需通風量總和。

3.1 通風量計算

由于洞身來往車輛密度大，車輛最大頻率4 000輛/d，即2.78輛/min，每輛213.3 kW，則運輸車輛所需通風量為Q1=2 370.2 m3/min。

考慮4#工作面需風量 Q2=3032.8 m3/min，故洞身通風量Q=Q1+Q2=5 403 m3/min。

3.2 風壓計算

4#隧洞橫斷面面積 AT=137 m2，長6 000 m，水力直徑13.2 m，洞壁摩阻系數 λ=0.088，局部阻力系數ξ=3.6，平均風速 V=0.657 m/s。計算得出風流的流動阻力為h=9.7 Pa

3.3 環境條件

由于隧道的地理位置不同，隧道進出口的環境條件存在較大差異，如自然風速、風向、空氣溫度、高程、大氣壓等條件會差別較大，從而會導致煙囪效應，故應從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應。隧道兩端大氣壓差而引起的阻力PS應由測量值確定，并增加到系統阻力中，由此4#引水洞為反坡隧道獨頭掘進6 000 m，高程增加21.36 m。h環=215 Pa

3.4 隧洞中總推力TT

各項阻力損失之和，即 h總=h+h環=9.7+215=224.7 Pa。

考慮到車輛和機械設備的損失需增加局部空氣阻力和溫度影響，取 h總=300 Pa，則用于克服隧洞中的空氣阻力的總推力為

3.5 射流風機推力

射流風機的基本推力等于風機進出口空氣動量的變化。風機進口或出口空氣動量等于空氣質量流量與進口或出口的平均流速之乘積。根據隧道中射流風機的布置原則，通常認為射流風機進口處空氣流速為0，故射流風機的理論推力為:

式中，ρ為空氣密度(kg/m3);QVF為風機中空氣體積流量(m3/s);VF為風機出口空氣平均流速(m/s)。

選擇SDS-180型75 kW/37 kW 射流風機，QVF為77.6/57.6 m3/s，VF為 30.3/22.5 m/s;排 風 量 65 m3/s，開動75 kW可滿足排風量要求。

上式僅適用于流速均勻分布的情況。而風機中的流速分布通常差別很大，主要取決于風機的設計，特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長度的比、葉片設計基礎(自由流動、強制流動或旋渦流)、整流體的效率以及流動障礙物的布置等。因此，射流風機的測試推力僅為理論推力的0.65倍或更低，故Tm取1 650 N。

3.6 隧道中射流風機數量的確定

根據隧洞中所需總推力41 100 N的要求，當所選射流風機單機推力1 650 N時，所需風機數量為25臺。污濁空氣通過系統射流風機排出，每240 m布置一臺。

4 通風設備選型及布置

4.1 通風設備配置(見表1)

表1 4#引水洞通風設備型號及配置

4.2 通風風機布置

4#引水隧洞的通風主要包括工作面通風和高強度運輸尾氣污染后洞身段污風排放，其工作面取風與污風排放風路及風機布置分別見圖3和圖4。

圖3 4#引水洞工作面風路及風機布置

圖4 4#引水洞污風排放風路及風機布置(單位:m)

5 結論

1)4#引水隧洞通風系統問題非常嚴重，掌子面和洞身內因高強度無軌運輸尾氣污染后的污風風量極大，且持續時間非常長(直到工程結束)，如果不采取切實可行的工程措施，將會嚴重影響施工質量、進度并傷害施工人員身體健康。

2)采用240 m布置一臺射流風機排污風的方案可以滿足4#引水洞掌子面掘進污風以及洞身內的因高強度運輸尾氣排放要求。

3)由于隧洞斷面較大，在隧洞頂部布設射流風機，會使隧洞上部風速大于下部風速，下部風速在0.325～0.400 m/s之間，隧洞上部排風效果要好于下部。

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