公路隧道無軌運輸條件下長距離施工通風(fēng)技術(shù)

陳 琳

(中鐵十一局集團 第三工程有限公司，湖北 十堰 442012)

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，距雅江縣城上游約25 km，為雅礱江中下游梯級電站的控制性水庫電站工程，對整個雅礱江梯級電站的開發(fā)影響巨大。

兩河口隧道為兩河口水電站的最長公路隧道，里程為K7+480—K13+320，全長5 840 m。其中隧道出口原標(biāo)段里程為K10+550—K13+320，全長2 770 m。由于進口標(biāo)段圍巖較差，在完成出口2 770 m隧道洞身開挖后，業(yè)主要求繼續(xù)掘進1 200 m，實際繼續(xù)開挖1 262 m，總共完成4 032 m(K9+288～K13+320)。隧道以Ⅲ級圍巖為主，Ⅲ級圍巖開挖面積為90.8 m2，隧道凈空:11.0 m×5.3 m。

施工區(qū)域處于高原地區(qū)，海拔高度達(dá)到2 700 m，設(shè)備降效較大。由于施工區(qū)電力缺乏，施工用電采用柴油發(fā)動機供電。

兩河口隧道采用進、出口雙向掘進施工，隧道工程按新奧法組織施工，Ⅱ，Ⅲ級圍巖地段采用全斷面法開挖，Ⅳ，Ⅴ級圍巖采用短臺階法開挖或分部開挖。隧道開挖采用自制掘進作業(yè)臺架作為工作臺，人工操作YT-28風(fēng)動鑿巖機打眼爆破。由于施工區(qū)采用自發(fā)電，考慮到凈空較大，開挖棄渣采用無軌運輸，施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)方式。

原合同段(開挖2 770 m)隧道開挖完成后，繼續(xù)開挖1 200 m至隧道貫通，即完成3 970 m洞身開挖任務(wù)，施工通風(fēng)距離長達(dá)4 000 m，需對通風(fēng)系統(tǒng)進行改造。

2 通風(fēng)方案

2.1 原合同段施工通風(fēng)

原合同段施工工程中分為兩階段通風(fēng)，第一階段采用洞口壓入式通風(fēng)方式，第二階段采用壓入接力式通風(fēng)方式。

2.1.1 第一階段洞口壓入式通風(fēng)

原合同段隧道開挖完成2 350 m前采用在洞口壓入式通風(fēng)，即洞口設(shè)置咸陽西安交大風(fēng)機廠 SD17Y-11No12.5A型通風(fēng)機(功率為 2×115 kW，流量為1 500～2 250 m3/min，風(fēng)壓為2 650～6 000 Pa，配φ1.5 m軟風(fēng)管向洞內(nèi)壓風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 原合同段隧道通風(fēng)系統(tǒng)(階段一)布置示意

2.1.2 第二階段壓入接力式通風(fēng)

原合同段開挖超過2 350 m后，通風(fēng)效果逐漸變差，由于洞內(nèi)的內(nèi)燃機械較多，內(nèi)燃機尾氣煙塵較大，洞內(nèi)能見度較低，出渣過程分2～3次進行，導(dǎo)致隧道出渣時間由原來的3～4 h增加到9～10 h左右。

洞身開挖2 350 m以后，采用壓入接力式通風(fēng)，在洞口安設(shè)1臺SD17Y-11No12.5A(2×115 kW)的軸流通風(fēng)機，配備φ1.5 m軟風(fēng)管向洞內(nèi)壓風(fēng)，在距洞口約1 700 m處安設(shè)1臺SD17Y-Ⅲ11.0型通風(fēng)機(咸陽西安交大風(fēng)機廠，功率為 2×55 kW，流量為 866～1 200 m3/min，風(fēng)壓為 960 ～3 700 Pa)，配備 φ1.5 m軟風(fēng)管向洞內(nèi)壓風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)布置見圖2。

圖2 原合同段隧道通風(fēng)系統(tǒng)(階段二)布置示意

2.2 繼續(xù)掘進1 200 m合同段施工通風(fēng)

由于通風(fēng)階段二無法滿足開挖掘進3 970 m施工任務(wù)，所以決定對通風(fēng)系統(tǒng)進行改造。

2.2.1 所需風(fēng)量計算

首先按下式計算高程修正系數(shù)Kγ

式中，γz為海拔為 Z時空氣重度;γ0為海拔為0時空氣重度;ZZ為海拔高度。

所需風(fēng)量按四種方式計算，取最大值。

1)根據(jù)同一時間洞內(nèi)作業(yè)人員數(shù)計算風(fēng)量

式中，k為風(fēng)量備用系數(shù)，采用1.1;m為洞內(nèi)同時作業(yè)人數(shù)，按100人計算;qn為每一工作人員所需新鮮空氣，取 4 m3/min。

2)按同時爆破最多炸藥量計算(壓入式通風(fēng))

式中，t為爆破后有害氣體濃度達(dá)到允許濃度的通風(fēng)時間，按20 min計算，G為同時爆破藥量(kg)，根據(jù)現(xiàn)場全斷面爆破情況取220 kg;L為坑道全長(m)，按4 000 m計算;S為坑道凈斷面面積(m2)，按Ⅲ級圍巖取90.8 m2。

3)按最小風(fēng)速

式中，V最小為保證坑道內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)流要求，全斷面開挖時風(fēng)速不得小于0.15 m/s，坑道內(nèi)不小于0.25 m/s，本隧道為全斷面開挖，采用0.15 m/s;S最大為坑道最大斷面面積，按Ⅲ級圍巖取90.8 m2。

4)按洞內(nèi)內(nèi)燃機械設(shè)備需要的風(fēng)量計算

出渣時，隧道內(nèi)的內(nèi)燃設(shè)備主要為出渣設(shè)備(挖掘機、裝載機、自卸車)和襯砌施工設(shè)備(混凝土輸送車)。

整個隧道內(nèi)的內(nèi)燃施工機械總功率為1 042 kW，取供風(fēng)系數(shù) 2.9 m3/min·kW，則總的供風(fēng)量應(yīng)達(dá)4 168 m3/min。考慮1/Kγ=1.307的高原修正系數(shù)，得總的供風(fēng)量為5 448 m3/min。

根據(jù)上述四項計算，取最大值為5 448 m3/min，故通風(fēng)機的總供風(fēng)量宜在5 448 m3/min以上。

2.2.2 風(fēng)壓計算

為了保證把足夠的風(fēng)量送到工作面，并在風(fēng)口保持一定的風(fēng)速，就要求通風(fēng)機具有一定的風(fēng)壓，使其克服沿途的所有阻力。通風(fēng)機應(yīng)具備的風(fēng)壓為:

高原修正H=H總阻/Kγ

通風(fēng)機風(fēng)壓計算見表1。

2.2.3 通風(fēng)系統(tǒng)選擇

根據(jù)上述計算，通風(fēng)機的總供風(fēng)量宜在5 448 m3/min以上，風(fēng)壓在2 774 Pa以上。經(jīng)過比選，決定采用壓入式通風(fēng)，在洞口安設(shè)目前國內(nèi)性能最好的1臺2×200 kW(侯馬 SDF(B)-NO18通風(fēng)機，風(fēng)量為2 973～6 100 m3/min，風(fēng)壓為 782～5 124 Pa)的軸流變頻通風(fēng)機，配φ2.2 m PVC增強維綸布軟風(fēng)管向洞內(nèi)壓風(fēng)，在距洞口約1 000 m處改為φ2.0 m PVC增強維綸布軟風(fēng)管向洞內(nèi)壓風(fēng)，在距洞口約2 000 m處改為φ1.8 m PVC增強維綸布軟管向洞內(nèi)壓風(fēng)。

表1 系統(tǒng)風(fēng)壓計算式及計算結(jié)果表

2.3 通風(fēng)效果

由于隧道內(nèi)的內(nèi)燃機械較多，隧道洞內(nèi)空氣煙塵較大，施工通風(fēng)如果不及時淡化及排出內(nèi)燃機尾氣，會導(dǎo)致隧道內(nèi)煙塵較多，空氣質(zhì)量很差，空氣能見度較低，影響施工作業(yè)效率。

兩河口隧道出口端在施工過程中，根據(jù)施工進展情況，通風(fēng)系統(tǒng)按三個階段進行設(shè)置，滿足了施工需要，洞內(nèi)空氣較好，視線良好，保證了施工進度。

3 結(jié)語

1)壓入式通風(fēng)是一種比較簡單、實用的通風(fēng)技術(shù)，兩河口隧道通過計算后采用新型的通風(fēng)機進行壓入式通風(fēng)，解決了高海拔地區(qū)無軌運輸條件下，長達(dá)4 032 m通風(fēng)距離的隧道施工通風(fēng)。該風(fēng)機采用變頻技術(shù)，可以根據(jù)隧道施工長度，調(diào)整頻率，實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，改變技術(shù)參數(shù)，節(jié)約了電能。

2)隧道壓入式通風(fēng)的關(guān)鍵是要保證掌子面出口要有足夠的出風(fēng)量，并形成風(fēng)管進風(fēng)，隧道出風(fēng)的明確通道，減少風(fēng)管漏風(fēng)量。風(fēng)管漏風(fēng)雖然起到了稀釋內(nèi)燃?xì)庾饔茫秋L(fēng)管漏風(fēng)風(fēng)向與隧道出風(fēng)風(fēng)向垂直，導(dǎo)致隧道部分出風(fēng)風(fēng)向改變后撞到隧道壁上，形成紊流，阻礙了風(fēng)的流動，從而影響通風(fēng)效果。

3)按掌子面最小風(fēng)速需要風(fēng)量817 m3/min。本隧道采用2×115 kW軸流通風(fēng)機，單機通風(fēng)較好。長2 350 m的情況，反算該φ1.5 m軟風(fēng)管的百米漏風(fēng)率為2.6%。2×200 kW軸流通風(fēng)機單機通風(fēng)較好，長度4 000 m 時，反算 φ2.0 m(有 φ2.2 m，φ2.0 m，φ1.8 m風(fēng)管，為計算方便采用φ2.0 m進行計算)軟風(fēng)管的百m漏風(fēng)率為2.2%。φ1.5 m軟風(fēng)管比φ2.0 m風(fēng)管小而漏風(fēng)率高的原因，主要是使用時間比較長，破損較多，風(fēng)管百m漏風(fēng)率正常情況下應(yīng)為2.0% ～2.5%。

4)減少漏風(fēng)與降低風(fēng)阻是實現(xiàn)長距離通風(fēng)的技術(shù)關(guān)鍵。在施工中，采取了以下措施:①選擇優(yōu)質(zhì)材料的風(fēng)管，在繼續(xù)掘進前，更換了隧道所有風(fēng)管，選用PVC增強維綸布風(fēng)管，其表面光潔度高，摩擦阻力系數(shù)小。②加長風(fēng)管管節(jié)長度可以減少接頭個數(shù)，減少接頭漏風(fēng)量和接頭局部阻力，風(fēng)管每節(jié)長為20 m。③加強通風(fēng)系統(tǒng)的保養(yǎng)維護管理。要保持通風(fēng)系統(tǒng)良好的工作狀況，必須加強對通風(fēng)系統(tǒng)的維護管理，特別是風(fēng)管需經(jīng)常修補、更換，減少漏風(fēng)。由于 SDF(B)-NO18通風(fēng)機風(fēng)壓高，洞口200 m采用了雙層風(fēng)管，但由于自身材質(zhì)及汽車刮碰影響，風(fēng)管經(jīng)常出現(xiàn)撕裂，在施工中，成立了專門的通風(fēng)維護班組，由專人負(fù)責(zé)日常維護。

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