錦屏水電站輔助洞巷道式射流施工通風技術

張忠偉，周洪波，楊安林

(二灘水電開發有限責任公司，四川成都 610051)

錦屏水電站樞紐工程由一級、二級兩個梯級水電站組成。為滿足對外交通及二級水電站引水隧洞地質勘探、科研試驗、施工和運行管理的需要，需穿越錦屏山修建17.5 km的輔助洞。輔助洞分為A、B兩洞，全長約為17.5 km，一 般 埋 深1 500～2 000 m，由兩條相互平行、中心距35 m，洞 斷 面 分 別 為5.5 m ×5.7 m(寬 × 高)、6 m ×6.25 m的單車道組成。縱斷面呈“人”字坡，最大縱坡為2.5%，最小縱坡為0.12%。西端由中鐵二局施工，采用無軌運輸方式。輔助洞已于2008年8月8日貫通，其中西端開挖約9.7 km。

1 巷道式射流通風技術原理

1.1 技術特點

錦屏水電站輔助洞是非常典型的上下行隧道，正好構成巷道式通風條件，而且洞內需風可直接從洞口進入(有露頭)，將隧道作為大風道，既加大了風量，又減少了風阻損失。西端自第三個橫向通道形成后便改變通風方案，即掌子面采取軸流通風。軸流所需風量及巷道內的需風和污濁空氣的排除全部由射流風機提供[1]。具體特點如下:

(1)在排除污濁空氣的隧道洞口附近設置風門，方便了進出車輛，提高了運行速度;

(2)把巷道作為主風道，斷面大，減少了風阻，提高了通風效果;

(3)加大了無軌施工的獨頭通風距離，減少了輔助坑道工程量;

(4)可開展洞內多工序平行作業，減少施工干擾，施工組織相對有軌運輸更加方便靈活;

(5)以射流風機為主，在開挖工作面附近布置風管作局部通風，避免了在隧道內全程布設風管，減少了對施工的干擾。

1.2 操作要點

充分利用兩個(A、B)相鄰隧道相互構成平行導洞的特點，將公路隧道運營通風原理和理念大膽地運用到隧道(洞)施工通風中來，采用射流風機和軸流風機構成混合式通風方式，可有效解決無軌運輸洞通風的技術問題。

具體內容:當互為平行導洞的兩隧道(洞)第二個橫向通道貫通后(一般橫向通道間隔500 m)，在A、B線內布置一定數量的射流風機向洞內分別供入新鮮風和排除污濁空氣;在進入新鮮風的A線或B線距開挖工作面最近的橫向通道后方約80～100 m位置布置軸流風機，通過軸流風機與風管將其后方的新鮮空氣直接壓入到A線或B線的開挖工作面。巷道式通風原理見圖1。

圖1 巷道式通風原理圖

2 施工通風技術方案的設計

正確選擇風機是通風中最為重要的環節，要求在等功率條件下供風量大，壓力大，噪聲低，節能。

軸流風機的通風距離僅需考慮1 000～1 200 m即可，一般選擇2×110 kW、2×135 kW變頻風機足矣，不需要進行計算;而風管直徑則不小于1.5 m。軸流風機移動同步進行，即每隔1 000～1 200 m同步移動一次。

射流風機偏向于選擇大功率。射流風機最重要的性能參數是風機所能產生的推力值與出風口速度。為了增加射流風機的推力，可以增加風機的葉片角度以及相應的電機功率，以達到更高的風機出口流量與風速。在錦屏輔助洞施工實際應用中，采用了強力射流風機QSF－1260，其功率為75 kW，風機出口平均風速在40 m/s以上。

射流風機數量計算較復雜，在設備配備時一般可參考公式計算考慮，而在實際使用時則是以保證現場通風質量為前提，根據試驗確定。它與射流風機的功率、效率、通風質量、隧道斷面等直接相關。

根據通風原理圖1簡化得到的等效計算簡圖見圖2。

圖2 射流通風計算簡圖

圖2中，△pj為射流通風升壓力;△pt為交通通風力;△pr為通風阻力，單位均為Pa。計算中，交通通風力△pt可以忽略不計，計算射流風機臺數時只考慮通風阻力△pr。

通風阻力計算公式如下[2、3]:

式中 △pr為通風阻力，Pa;Σξ為局部阻力系數(對特長隧道而言，每500～600 m設置橫通道一處，局部阻力相對沿程摩擦阻力較小，計算時可以忽略);λi為隧洞內沿程摩擦阻力系數;Li為隧洞的長度，m;di為隧洞內的水力直徑，m;vi為隧洞內的風速，m/s;ρ為空氣容重，取 1.2 kg/m3。

隧洞內沿程摩擦阻力系數的計算公式:

式中 △為隧道壁面粗糙度，mm。比較光滑的混凝土標準斷面在一般情況下λi＜0.1，可參考相關資料取值計算;然而施工期間洞身一般為錨噴支護。由于超挖存在，既便經臨時噴護后，表面粗糙度平均達到200～500 mm。因此，將按式(2)計算得到的沿程摩擦阻力系數λi代入公式計算得到的風機數量與實際情況相差較大，取值時僅供參考。

根據錦屏輔助洞前9 000 m每階段實際風機布置與測試數據統計與回歸分析，洞內在達到施工安全的臨時噴護后，λi取值按0.1～0.2考慮比較符合實際情況。

式中 C為隧道斷面周長，m。

式中 Q需為洞內需要的風量，m3/min。需風量應根據通風技術規范或隧道施工規范的要求確定，或根據洞內帶負荷工作的內燃設備功率和工作人員計算。錦屏輔助洞洞內行駛重載車輛較多，如果按照設備功率反算風速，將達到4 m/s以上，但是，通過現場觀察，不需要過大的風速仍能滿足通風質量要求，故在計算中，過風斷面≤40 m3按風速2～2.5 m/s計算需風量，過風斷面＞40 m3按風速1.5～2 m/s計算需風量。

射流通風升壓力計算如下:

式中 K為噴流系數，取0.85;vj為射流風機出口風速，m/s;φ為面積比，φ=Fj/Fs;Fj為射流風機的出風口面積，m2;Fs為隧道橫斷面積，m2;ψ為速度比，ψ=vi/vj;vj為射流風機的出風口風速，m/s;vi為隧道內風速，m/s

根據隧道內的壓力平衡關系:

在滿足隧道施工通風設計風速的條件下，射流風機臺數可按下式計算:

根據式(1)～(7)，計算得到錦屏水電站輔助洞不同通風距離的射流風機數量見表1。通過實際驗證，射流風機計算數量與實際使用數量僅相差2臺。

表1 錦屏水電站輔助洞不同通風距離的射流風機理論計算和實際布置數量表

3 巷道式射流通風布置與施工

3.1 風機平面布置

風機平面位置布置原則:進風洞數量相對排風洞要少，基本上按3∶7分布可達到較好的通風效果。若射流風機靠近橫向通道附件時，風機要布置在靠風流方向的上方并離通道邊壁位置5～7 m，如圖3。

3.2 風機安裝

射流風機施工期間設置緊靠隧道(洞)邊墻一側，高度不低于1.2 m，離洞壁保證有0.3 ～0.5 m間距。

軸流風機設置在進入新鮮空氣的隧道(洞)中，其位置在緊靠掌子面的第一個橫向通道的后方80～100 m位置。

圖3 錦屏水電站輔助洞風機平面布置示意圖

3.3 軸流風機的風管安裝

風管安裝在拱頂和邊墻位置。當無軌運輸的凈空滿足要求時，為便于維修方便，一般設置在邊墻，其懸掛高度不低于2.5 m;當凈空受限時，則安裝在拱頂位置，懸掛順直牢靠。

風管彎管使用特制的軟管制作，并用拉鏈與主風管相連接。

3.4 風門的封堵

當不需要利用橫向通道進入進行其它工序作業時，將橫向通道全部封堵。封堵使用角鋼、方木和竹制材料，預留進人孔。

4 巷道式射流通風技術的應用效果

通過采用巷道式射流通風技術，錦屏水電站輔助洞在貫通之前的空氣質量問題得到了有效的解決。

當隧道掘進至9 300 m時，請專業部門對通風質量進行了檢測，檢測結果見表2。通風的質量滿足《公路隧道施工技術規范》JTJ042－94與《鐵路隧道施工規范》TB10204－2002和J163－2002 的規定[4、5]。

表2 錦屏水電站輔助洞2008年3月20日通風質量檢測結果表

5 結語

錦屏水電站輔助洞全長17.5 km，西端開挖約9.7 km。根據輔助洞為非常典型的上下行隧道、互為平行導洞的特點，通過理論分析與試驗研究，最終采用巷道式射流通風技術，成功的解決了特長隧洞施工期通風的難題。文中的計算方法和經驗公式可以為特長隧洞施工通風方案的設計所借鑒。

[1]公路隧道通風照明設計規范，JTJ0261－1999[S].

[2]陸懋成.鷓鴣山高原隧道(東口)施工通風設計與實施[C].國際隧道研討會暨公路建設技術交流大會論文集.北京:人民交通出版社，2002.

[3]楊家松.特長隧道采用巷道式射流施工通風技術與工程應用[J].隧道建設，2008，28(4):456－459.

[4]鐵路隧道施工規范，TB10204－2002[S].

[5]公路隧道施工技術規范，JTJ042－94[S].