青藏鐵路關(guān)角特長隧道通風(fēng)設(shè)計與施工

黎愛清,劉世杰

(中鐵十六局集團第五工程有限公司,河北唐山 063030)

1 工程概況

新建西格二線關(guān)角隧道位于青海省天峻縣境內(nèi)既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候，年平均氣溫-5 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，最大積雪厚度21 cm，最大凍結(jié)深度299 cm。其中關(guān)角隧道6號斜井海拔為3 766 m，氣候惡劣，空氣稀薄，大氣中氧氣含量平均為平原地區(qū)的60%～70%。

關(guān)角隧道為2座平行的單線隧道，設(shè)計時速160 km，線間距40 m。隧道全長32.645 km。6號斜井平距長2 808 m，坡度為10.3%。斜井洞口與正洞隧底高差為288.18 m。斜井進入正洞后，向進口方向(格爾木)施工1 435 m，向出口方向(西寧)施工1 812 m，6號斜井合計承擔(dān)6 469 m的正洞開挖施工任務(wù)。施工中采用鉆爆法和無軌運輸。

2 隧道施工的難點

由于地處高原，關(guān)角隧道6號斜井的施工通風(fēng)難點主要有以下幾方面。

(1)隧道地處高原，海拔為3 766 m，高寒缺氧，大氣氧氣含量平均為平原地區(qū)的60%～70%，影響施工人員和設(shè)備的工作效率。

(2)斜井洞身過長，且斷面面積小，隧道內(nèi)施工環(huán)境差，存在較大的安全生產(chǎn)風(fēng)險。

(3)斜井進入正洞后，分別在Ⅰ、Ⅱ線正洞向進、出口方向施工，共4個工作面，通風(fēng)循環(huán)路線復(fù)雜。

(4)隧道埋深均在700 m以上，水量大，無法設(shè)置豎井，隧道內(nèi)溫度、濕度較高。

隧道內(nèi)良好的施工環(huán)境是施工人員身體健康、安心工作的必要前提，是隧道施工安全的需要，也是充分發(fā)揮人員設(shè)備工作效率，保證施工進度的需要，因此以青藏鐵路關(guān)角隧道6號斜井為例對高原鐵路特長隧道通風(fēng)方案進行了研究。

3 隧道通風(fēng)設(shè)計原則

關(guān)角隧道6號斜井通風(fēng)設(shè)計的總體思路為：由于受隧道內(nèi)外溫差的影響作用，斜井產(chǎn)生“煙囪”效應(yīng)，將隧道內(nèi)污濁的氣體排出，另利用通風(fēng)機將新鮮空氣壓入到工作面，形成空氣對流。考慮到隧道斜井長，風(fēng)阻大，沿途損耗大，如果采用通風(fēng)帶壓入新鮮空氣，會受通風(fēng)帶直徑和斜井長度的影響，需增加通風(fēng)機組才能使洞內(nèi)空氣達到施工條件。為保護環(huán)境，控制能源消耗，將斜井橫斷面分隔成上下兩部分，上部為進風(fēng)通道，下部為出風(fēng)及交通通道，減小風(fēng)阻，加快隧道內(nèi)外的空氣循環(huán)，以達到良好通風(fēng)效果[1-5]。具體做法如下。

關(guān)角隧道6號斜井全長2 808 m，凈斷面(寬×高)6.6 m×7.3 m，面積48.18 m2，進入正洞后將分別在Ⅰ、Ⅱ線向進、出口方向施工，共4個工作面。利用中隔板將斜井橫斷面分隔為上、下兩部分，上部為半徑為3.3 m半圓形，作為進風(fēng)通道，然后在斜井底部與正洞交匯處安裝4臺風(fēng)機，與通風(fēng)管形成壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，分別向4個工作面供風(fēng)。所有污濁空氣經(jīng)斜井下部(寬×高)6.6 m×4.0 m矩形通道排出洞外。

4 通風(fēng)量計算

由于斜井內(nèi)的通風(fēng)量為4個正洞工作面的通風(fēng)量之和，所以通風(fēng)量計算只考慮單工作面。設(shè)計控制風(fēng)量考慮以下4種情況，取其中最大值[6-12]。

4.1 按單工作面同時作業(yè)人數(shù)計算

Q1=qmk

式中q——洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮氧氣標(biāo)準(zhǔn)，取3 m3/min；

m——掌子面同時工作的最多人數(shù)，取25人；

k——風(fēng)量備用系數(shù)，取1.1～1.25。

4.2 按單工作面同一時間爆破使用最大炸藥量計算風(fēng)量

Q2=[7.8(A·S2·L2)1/3]/t

式中t——爆破后氣體達到允許濃度的通風(fēng)時間，min；

A——同時爆破耗藥量，kg；

S——工作面斷面積，m2；

L——巷道長度，m。

4.3 按內(nèi)燃機作業(yè)廢氣稀釋的需要計算

Q3=(∑Nj·Ki·α/60)·δ·η

式中N——同時使用內(nèi)燃機功率，kW；

K——同時使用內(nèi)燃機單位耗油量，kg/(kW·h)；

α——燃燒1 kg油料所需供應(yīng)空氣量，可按20.83 m3計算；

δ——稀釋系數(shù)；

η——安全系數(shù)(1.5～2.5)。

4.4 按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計算

Q4=60vS

式中v——洞內(nèi)允許最小風(fēng)速；

S——巷道面積。

通過計算，Q1=85 m3/min，Q2=1 012 m3/min，Q3=1 800 m3/min，Q4=1 080 m3/min，于是Qmax=1 800 m3/min。正洞4個工作面同時施工時所需的總風(fēng)量為7 200 m3/min，即為斜井內(nèi)需要輸送的設(shè)計控制風(fēng)量。以上風(fēng)量計算均已考慮高原大氣氧氣含量為平原地區(qū)的60%～70%的狀況，進行了修正。

按漏風(fēng)公式

Q需=PQ(m3/min)

式中Q需——洞內(nèi)實際所需總風(fēng)量；

P——漏風(fēng)系數(shù)；

Q——設(shè)計控制風(fēng)量。

計算得出Q需=7 920 m3/min。

5 通風(fēng)阻力計算

5.1 斜井內(nèi)風(fēng)道風(fēng)阻計算

斜井上部進風(fēng)道斷面積17.1 m2，半圓形周長16.96 m，當(dāng)量直徑4.03 m；斜井下部排風(fēng)道因交通用車輛需占用面積，不考慮其形成的風(fēng)流阻力時，高取3.34 m，寬度不變，則斷面積22.0 m2，矩形周長19.88 m，當(dāng)量直徑4.43 m。

5.1.1 斜井上部進風(fēng)道的風(fēng)阻

地面為無軌運輸車輛路面條件，取壁面摩阻系數(shù)α=80×10-4kg/m3，計算上部沿程風(fēng)阻系數(shù)

0.076(N·s2/m8)

斜井上部進風(fēng)道的局部阻力系數(shù)包括進風(fēng)口局部ξ1=0.6，井底與正洞交匯處分岔ξ2=1.5，總局部阻力系數(shù)∑ξ=2.1。

風(fēng)流在斜井上部進風(fēng)道的阻力損失

2.1×1.2/2×7.02≈1 094+62=1 156 Pa

5.1.2 斜井下部出風(fēng)道的風(fēng)阻

沿程風(fēng)阻系數(shù)

0.042(N·s2/m8)

斜井下部排風(fēng)道的局部阻力系數(shù)包括井底部匯流局部阻力系數(shù)ξ1=0.5；中部會車洞局部阻力系數(shù)10處取10×0.5=5.0；洞口局部阻力系數(shù)ξ3=1.0，總的局部阻力系數(shù)∑ξ=6.5。

風(fēng)流在斜井下部排風(fēng)道的阻力損失

6.5×1.2/2×5.452≈605+116=721 Pa

5.2 正洞內(nèi)風(fēng)道風(fēng)阻計算

進口段方向施工長度1 435 m，配用風(fēng)管直徑φ1.5 m，管道風(fēng)阻系數(shù)

1.69(N·s2/m8)

通風(fēng)管道沿程阻力損失(漏風(fēng)系數(shù)取1.2)

出口段Ⅰ、Ⅱ線正洞施工長度1 812 m，配用風(fēng)管直徑φ1.6 m，管道風(fēng)阻系數(shù)

2.34(N·s2/m8)

通風(fēng)管道沿程阻力損失(漏風(fēng)系數(shù)取1.8)

6 通風(fēng)機的選擇

根據(jù)通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)阻要求選用以下通風(fēng)機：風(fēng)機額定通風(fēng)量不應(yīng)小于Q需，且隧道內(nèi)為24 h全天施工，風(fēng)機工作強度大，風(fēng)機性能一定要滿足要求[5]。隧道內(nèi)通風(fēng)機配置見表1。

7 通風(fēng)方案實施

7.1 中隔板施作

本方案的關(guān)鍵之一為中隔板施作，首先中隔板的剛度能夠承受通風(fēng)風(fēng)壓，且在外力作用下不能產(chǎn)生明顯變形。隧道中隔板施作采用材料為：板材為1 m×4 m×1 mm(寬×長×厚)彩鋼板，骨架梁為4 cm×4 cm×3 mm(寬×長×厚)空心方鋼。骨架梁橫向設(shè)置，間距為1.2 m/根，安裝前對骨架梁安裝點進行放線定位，以確保中隔板水平順直。然后在安裝點處安裝膨脹螺栓，將空心方鋼與膨脹螺栓焊接牢固形成骨架梁。骨架梁安裝完成后進行板材吊裝，板材之間采用折邊扣裝方式拼裝，并用錨釘進一步加固確保整體牢固性。

表1 隧道內(nèi)通風(fēng)機配置

另中隔板應(yīng)該具有良好的密封性，防止漏風(fēng)，確保進、出通風(fēng)循環(huán)線路相互分離，減少紊亂氣流，以達到優(yōu)良的通風(fēng)效果。為達到良好的密封性，在安裝板材之前應(yīng)將巖層基面處理平整，本隧道6號斜井為永久性建筑，已全部進行了襯砌支護，方便了密封處理。板材之間采用灌膠粘接密封，板材與基巖交接處用107膠與粘子粉混合密封。通過實用檢驗，經(jīng)該方法處理后密封性滿足通風(fēng)要求。

中隔板結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為斜井內(nèi)中隔板實圖。

圖1 中隔板結(jié)構(gòu)示意 (單位:mm)

圖2 斜井內(nèi)中隔板

7.2 通風(fēng)機安裝布置

整個通風(fēng)系統(tǒng)分為2個通風(fēng)機組：斜井機組和正洞機組。風(fēng)機分布如圖3所示，斜井口風(fēng)機布置狀況[6-12]如圖4所示。

圖3 風(fēng)機分布示意

圖4 斜井口風(fēng)機布置

7.2.1 斜井機組

斜井通風(fēng)機組承擔(dān)的作用為將隧道外的新鮮空氣通過斜井上部的進風(fēng)通道壓入隧道正洞。首先在斜井口安裝2臺軸流風(fēng)機，具體型號參見表1中斜井-1，因考慮到斜井過長，另在斜井內(nèi)安裝設(shè)置2組接力風(fēng)機，風(fēng)機型號參見表1中斜井-2、斜井-3。風(fēng)機均安裝在中隔板上側(cè)，與支架焊接牢固，防止運行時振動移位。

斜井內(nèi)中隔板下方的出風(fēng)通道，會因季節(jié)不同而使隧道內(nèi)外的溫差發(fā)生變化，從而造成出風(fēng)通道內(nèi)的外排氣流發(fā)生阻滯，甚至形成霧氣團，影響通風(fēng)效果的同時還給交通運輸安全造成隱患。為消除該問題，在隧道斜井內(nèi)安裝了3臺射流風(fēng)機，在隧道內(nèi)外溫差小時，進行助力排煙，射流風(fēng)機型號參見表1中斜井-4、斜井-5、斜井-6。

7.2.2 正洞機組

正洞內(nèi)通風(fēng)機組負(fù)責(zé)將從斜井內(nèi)壓入的新鮮空氣分配到4個工作面。分別在斜井與Ⅰ、Ⅱ線交接處的4個方向安裝軸流風(fēng)機，風(fēng)機型號參見表1中正洞-1、正洞-2、正洞-3、正洞-4，風(fēng)機同樣與支架連接牢固，安裝完風(fēng)機后，將斜井內(nèi)的中隔板向正洞內(nèi)延伸，直至將各個風(fēng)機的尾部包裹嚴(yán)密，避免新鮮空氣發(fā)生泄漏，影響循環(huán)效果。

隨隧道長度增加，輸送到工作面的新鮮空氣會逐漸減少，當(dāng)輸入到工作面的空氣量小于工作面實際所需風(fēng)量時，就應(yīng)加設(shè)接力風(fēng)機。該隧道選用的風(fēng)機的作用范圍為1 000 m左右，由經(jīng)驗總結(jié)得出，受高原大氣稀薄及漏風(fēng)影響，風(fēng)機的作用范圍為900 m左右，當(dāng)通風(fēng)距離達到該值時就應(yīng)加設(shè)接力風(fēng)機。接力風(fēng)機型號與正洞交接口處相同。將風(fēng)機與支架連接牢固后，然后用中隔板將風(fēng)機包裹形成一個封閉的空間，尾部與進風(fēng)軟管連接，頭部與接力風(fēng)機尾部連接，形成新鮮空氣中轉(zhuǎn)站，如圖5所示。

圖5 隧道內(nèi)空氣中轉(zhuǎn)站設(shè)置

7.3 管理維護

管理維護是通風(fēng)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)好壞的關(guān)鍵因素之一，為達到持續(xù)良好的通風(fēng)效果必需加強日常管理工作。中隔板和通風(fēng)軟管應(yīng)定期檢查，如有破損須及時修補，減少漏風(fēng)。中隔板拼裝縫和通風(fēng)軟管的接頭為重點檢查對象。特別注意的是中隔板安裝前，下部通道的高度一定要符合通車要求，如高程過低中隔板將會經(jīng)常被行駛車輛損壞，增加維護難度。通風(fēng)機應(yīng)定期進行電路維護和保養(yǎng)，確保其正常運轉(zhuǎn)[6-12]。

8 結(jié)語

經(jīng)過研究分析，借鑒國內(nèi)外隧道通風(fēng)的先進技術(shù)，確定了此方案。利用中隔板將斜井分隔成上下兩部分風(fēng)道，降低了風(fēng)阻，加快了隧道內(nèi)外的空氣循環(huán)，通風(fēng)效果良好。關(guān)角隧道6號斜井已施作1年有余，完成2 100 m的掘進施工，施工統(tǒng)計顯示，開挖爆破后，掌子面廢氣20 min左右便可排凈達到施工條件，機械設(shè)備在隧道內(nèi)運行正常，且尾氣排放達標(biāo)，為施工人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。通過檢驗該通風(fēng)方案完全能夠滿足高原長大隧道的施工要求，確保了隧道施工的有序進行。

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