六盤山隧道豎井和巷道式通風綜合技術研究

韓 利 儒

(中鐵十四局集團第五工程有限公司，山東 兗州 272100)

六盤山隧道豎井和巷道式通風綜合技術研究

韓 利 儒

(中鐵十四局集團第五工程有限公司，山東 兗州 272100)

以六盤山隧道設計為例，依據(jù)相關設計原則，從長距離獨頭掘進施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標準、施工通風方式選擇、施工通風計算、施工通風方案等方面，搭建了長大公路隧道獨頭掘進施工通風組織的技術框架，以保證長大隧道工程施工能夠順利開展。

隧道，獨頭掘進，豎井通風，巷道式通風，方案實施

1 工程概況

六盤山隧道設計為單洞分離式隧道，隧道長9 490 m。六盤山隧道出口段采用鉆爆法施工獨頭掘進達3 260 m，有害氣體、粉塵、噪聲、高熱、高濕環(huán)境對施工人員有較大危害，施工通風效果直接關系到隧道內(nèi)作業(yè)人員的健康和施工效率、工程進度與安全，施工通風是隧道施工人員及作業(yè)機械的“生命線”。為了保證長大隧道工程施工能夠順利開展，使得通風方案在技術上具有可行性，在經(jīng)濟上具有合理性，就需要在設計過程中分階段設定通風方案。

2 設計標準與原則

2.1 施工通風設計標準

隧道在施工過程中，作業(yè)環(huán)境應符合下列職業(yè)健康及安全標準：

1)巷道最低風速不低于0.25 m/s。2)有害氣體最高容許濃度：CO含量控制在24 ppm以下；NO2含量不超過2.5 ppm；H2S不超過6.6 ppm；粉塵中SiO2含量不超過1 mg/m3；CO2按體積計不大于0.5%；O2不低于20%。3)隧道內(nèi)氣溫不得高于28 ℃。4)隧道施工通風應能提供洞內(nèi)作業(yè)所需的最小風量。

2.2 施工通風設計參數(shù)

風量和風阻計算邊界條件和相關參數(shù)見表1。

表1 施工通風計算參數(shù)表

3 通風計算

施工通風所需風量按洞內(nèi)同時作業(yè)最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風速、一次性爆破所需要排除的炮煙量、內(nèi)燃機械設備總功率和瓦斯涌出量分別計算，取其中最大值作為控制風量。

1)按洞內(nèi)同時作業(yè)最多人數(shù)計算。

Q人=q·n。

其中，q為單位用風量；n為最多人數(shù)。

可知：Q人=150 m3/min。

2)按洞內(nèi)允許最小風速計算。

Q風=S·V。

其中，S為隧道最大斷面積；V為允許最小風速。

可知：Q風=35 m3/min。

3)按一次性爆破所需要排除的炮煙量計算。

其中，A為同時爆破炸藥量；t為通風時間；L為炮煙拋擲長度，取40 m；S為隧道斷面積。

可知：Q0=350 m3/min。

4)按內(nèi)燃機械設備總功率計算。

Q內(nèi)=H·q。

其中，H為內(nèi)燃機械總功率；q為內(nèi)燃機械單位功率供風量。

按開挖面裝碴設備，包括1臺挖掘機(額定功率為107 kW)、1臺裝載機(額定功率為162 kW)、1臺出碴車(額定功率為170 kW)，可知：Q內(nèi)=1 317 m3/min。

5)按瓦斯涌出量計算。

其中，K為相關系數(shù)，本處K=1.2；A為瓦斯涌出量，取2.0 m3/min；B0為送風瓦斯?jié)舛龋籅1為隧道內(nèi)允許瓦斯?jié)舛龋?.5%。

可知：Q瓦斯=480 m3/min。

各因素用風量匯總得出總用風量為2 332 m3/min。

4 六盤山隧道施工通風總體方案

4.1 施工通風方案總體布置

六盤山隧道出口段獨頭掘進，施工通風方案共分為三個階段。

第一階段：隧道掘進1 500 m以內(nèi)采用壓入式通風方案，并在距洞口1 050 m處增加φ1.2 m通風豎井。

第二階段：隧道掘進1 500 m～2 500 m，利用通風豎井采用送排結(jié)合混合式通風方案。

第三階段：隧道掘進2 500 m～3 260 m，利用地形及左右線高差采用巷道式綜合通風方案。

4.1.1 第一階段：壓入式通風方案

在施工初期，只有左右線兩個開挖面、橫洞未貫通，施工距離短、通風方式單一，采用壓入式通風方案，并在本階段后期距洞口1 050 m處增加φ1.2 m通風豎井(見圖1)。

1)壓入式軸流風機送風量計算。

取最大通風長度L=1 500 m，按風管百米漏風率β為1.38%，風機所需風量Q機為：

Q機=p×Q需=1.23×2 332=2 798m3/min。

2)風壓計算。

3)通風設備選型及配置。

隧道在單洞獨頭掘進1 500m時，需要壓入式軸流通風機出風量為2 798m3/min，通過比較可得出：選用軸流風機SDF(c)-No13型(2×132kW)扇葉角度3°在高速檔位運行能滿足掌子面用風要求，如圖2所示。

軸流風機高速狀態(tài)下出風口風壓為3 700Pa，經(jīng)過1 500m的摩擦阻力消耗，掌子面出風口風壓降低為2 360Pa。為減少通風時間、提高功效，于1 050m位置施作通風豎井一處，煙囪效應明顯，加速排煙。

4)通風豎井施工概述。

根據(jù)地形條件、隧道覆蓋層厚度等因素，在左右線隧道頂各施作一座小直徑通風豎井，成孔直徑1.2m。小直徑通風豎井可以實現(xiàn)快速選址、快速施工，較短時間內(nèi)提供通風能力，同時規(guī)劃為高壓進洞的線路通道，可以節(jié)省高壓電纜送線距離，越來越普遍應用于長大隧道施工中。

通風豎井鉆孔位置選定洞頂覆蓋層厚68m，采用旋挖鉆成孔，鋼護壁由輔助卡盤螺栓接長，在鉆孔壁間隔10m人工挖出凸起臺提升咬合力，砂漿灌注飽滿，豎井與隧道交叉口“井”字形工鋼方形骨架加固。

在豎井口各設置一臺排氣扇，提高豎井的排風能力，能迅速將洞內(nèi)渾濁空氣、煙塵排出，大大改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，見圖3。

4.1.2 第二階段：采用送排結(jié)合混合式通風方案

第二階段，隧道左右線排風系統(tǒng)各自獨立、防止串風，利用通風豎井采用送、排結(jié)合通風方案(見圖4)。

1)壓入式軸流風機送風量計算。

隧道掘進1 500m～2 500m，采用送排結(jié)合混合式通風方案，送風量Q機為：

Q機=p×Q需=1.38×2 332=3 212 m3/min。

2)風壓計算。

可知：風管內(nèi)摩擦阻力P摩=1 701 Pa，局部阻力按P摩的5%考慮，P總=1 786 Pa。

3)通風設備選型及材料配置。隧道在單洞獨頭掘進2 100 m時，需要壓入式軸流通風機出風量為3 212 m3/min，現(xiàn)場配備選用軸流風機SDF(c)-No13型(2×132 kW)能夠提供的最大風量為3 300 m3/min，基本處于軸流風機的運行最大狀態(tài)，只能提供2 000 Pa的風機出口風壓(如圖2所示)，經(jīng)過近2 500 m的摩阻消耗，隧道右線存在掌子面污濁空氣外排動力不足的問題。豎井段出現(xiàn)靜風區(qū)(風速<0.25 m/s)的問題，在距離洞口1 000 m位置增加吸出式風機(SDF(c)-No9.6型)一臺，增加排風能力。

4.1.3 第三階段：巷道式綜合通風方案

隨著獨頭掘進距離增加，巷道式通風較壓入式供風的風量大、功率省，且技術成熟。隧道施工過程中，左洞自然風風速及風壓較大，結(jié)合現(xiàn)場情況對巷道式通風進行了優(yōu)化調(diào)整(見圖5)。

1)壓入式送風量計算。隧道掘進2 500 m～3 200 m，采用優(yōu)化后的巷道式綜合通風方案；隧道開挖作業(yè)面所需控制風量為2 332 m3/min。隧道左線壓入式軸流風機遷移最遠通風距離為2 200 m；隧道右線壓入式軸流風機調(diào)整到位于1 710 m位置的配電橫洞內(nèi)，最遠通風距離1 500 m。

風機所需風量Q機為：

Q機左洞=p×Q需=1.35×2 332=3 125m3/min(減小)。

Q機右洞=p×Q需=1.23×2 332=2 798 m3/min。

2)風壓計算。

可知：左洞風管摩擦阻力P摩左洞=1 498 Pa，總阻力：P總左洞=1 572 Pa。右洞風管摩擦阻力P摩右洞=1 276 Pa，總阻力：P總右洞=1 339.8 Pa。

3)污濁空氣外排初始流速計算。

污濁排出空氣計算公式：

V風袋·S風袋=Q送風量=Q排風量=V污濁·S隧道。

由伯努利方程P=0.5·ro·v2。

其中,wp為風壓，kN/m2;ro為空氣密度，kg/m3;v為風速，m/s。

計算得到左洞風管口出風風速：V左洞風袋=4.5 m/s；右洞風管口出風風速：V右洞風袋=7.05 m/s。

隧道左線污濁空氣V左洞污濁=0.56 m/s，隧道右線污濁空氣V右洞污濁=0.88 m/s。

污濁空氣由左線進入右線，第一個車行橫洞污濁空氣排風量：

第二個車行橫洞污濁空氣排風量：

右洞污濁空氣總排風量、平均初始速度：

Q總量=Q隧道右線+Q橫洞1+Q橫洞2。

Q總量=4 664 m3/min。

4.2 通風設備選型及材料配置

計算用于克服隧道中全部空氣阻力所需要的射流風機的推力，隧道中的空氣阻力主要由以下各項阻力組成。

4.2.1 右線隧道口空氣阻力

隧道口所形成的微壓波阻力的影響，隧道削竹洞口有流線形喇叭擴散結(jié)構，取隧道中空氣動壓的1.5倍。

式中：Pdt——隧道空氣動壓，Pa；ρ——空氣密度，kg/m3；VT——隧道中空氣平均流速，m/s,VT=qT/AT；qT——隧道中空氣流速，m/s；AT——隧道截面積，m2。

計算可知：隧道中空氣動壓Pdt=24 Pa，隧道口阻力P口=36 Pa。

4.2.2 右線隧道阻力中表面摩擦損失

隧道中的懸掛物表面，如照明燈具、標識、存放材料等會對隧道中的空氣流動產(chǎn)生阻力。其計算如下：

式中：VT——隧道中空氣平均流速，m/s；L——隧道長度，按照本方案巷道長取2 200 m；Dh——隧道橫截面當量直徑，本處取2.5 m，Dh=4AT/PT；AT——隧道橫截面積，本處取87 m2；PT——隧道橫截面周長，取34.5 m；f——摩擦系數(shù)，取決于隧道表面粗糙度及隧道中懸掛物的尺寸及數(shù)量，本處取f=0.025。

計算可知：巷道內(nèi)摩擦阻力P摩=296 Pa，局部阻力按摩擦阻力P摩的4%考慮，巷道內(nèi)摩擦總阻力P總=308 Pa。

4.2.3 隧道中總推力TT

隧道中的總推力主要是用于克服隧道中的空氣阻力和隧道口所形成的微壓波阻力，故：

TT=P口+P摩=354 Pa。

4.2.4 射流風機選型計算

射流風機工作風壓Hf，要求射流風機產(chǎn)生的壓力必須得以克服整個系統(tǒng)的阻力，即：

Hf≥∑H阻。

式中：Hf——射流風機壓力，Pa；Vj——射流風機出口風速，m/s；Aj——射流風機出口斷面積，m2；Ag——隧道斷面積，m2；Vgo——隧道內(nèi)風速，m/s；kj——增壓系數(shù)，0.85；nj——射流風機臺數(shù)。

經(jīng)計算，2 200 m區(qū)間內(nèi)需要6臺SSF-No10型射流風機(37 kW)，前期方案中右線1 000 m位置已安裝一臺軸流風機(SDF-No9.6型)，本著節(jié)約成本、減少新設備、利用有效的現(xiàn)有設備的原則，吸出式軸流風機代替原方案該位置一臺射流風機。

4.3 通風設備選型及配置綜合分析

遵循充分利用現(xiàn)有設備，在滿足通風效果的前提下，進行合理調(diào)配減少新購風機的數(shù)量；在凈空允許的情況下，采用大直徑風管，減少能耗損失；通過適當增加一次性投入，減少通風系統(tǒng)長期運行成本的原則，確定所需通風設備及最終配置見表2。

表2 通風設備數(shù)量表

4.4 氣體監(jiān)測

定期對風速、風量、CO濃度、NO2濃度進行檢測，以上述四項指標為基準，決定各項施工工序的合理性，理順作業(yè)環(huán)境與隧道施工的關系，重視其環(huán)境危害，積極主動采取合理措施，使其危害降到最低限度。

5 結(jié)語

本文以六盤山隧道為基礎，提出了長大公路隧道長距離獨頭掘進分階段式施工通風方案，并從施工作業(yè)環(huán)境的標準、施工通風方式選擇、施工通風計算、施工通風方案等方面，搭建了長大公路隧道長距離獨頭掘進施工通風組織的技術框架，提出了獨頭掘進施工通風計算方法。

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Research on comprehensive technique for tunnel shaft and roadway ventilation in Liupanshan

Han Liru

(No.5EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Yanzhou272100,China)

Taking Liupanshan Tunnel design as the example, the paper establishes the technical framework of the blind heading ventilation organization in tunnels of large-scale roads based on related design standards from the health standards, construction ventilation approach selection, construction ventilation calculation, and construction ventilation scheme for the working environment of the long-distance blind heading construction, so as to ensure the smooth operation for the long and large tunnel projects.

tunnel, blind heading, shaft ventilation, roadway ventilation, scheme implementation

2015-06-23

韓利儒(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)25-0177-04

U453.4

A