高原缺氧環境長隧洞小斷面通風排煙技術研究

魏 青，郭俊波

（1.四川興東禹建設工程有限公司，610000，成都；2.中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，610036，成都）

高原缺氧環境長隧洞小斷面通風排煙技術研究

魏 青1，郭俊波2

（1.四川興東禹建設工程有限公司，610000，成都；2.中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，610036，成都）

水利水電工程中引水隧洞比較常見，通風排煙對工程進度和人員職業健康至關重要，尤其超長引水隧洞隨著進深加大，通風排煙效果不理想。西藏拉洛水利樞紐德羅引水隧洞根據該地域特殊性和實際情況進行周密考慮，通過分期規劃，采取改善措施，解決了缺氧環境下長隧洞小斷面通風排煙問題，對類似地區類似工程的設計和施工具有一定經驗借鑒意義。

高原；長隧洞；小斷面；通風排煙；拉洛水利樞紐

一、概 述

1.工程概況

德羅引水隧洞緊接進水口布置，采用無壓引水方式，標準斷面為馬蹄形，斷面腰線寬度4.03 m，高4.05 m，襯砌厚度40 cm。進口高程4 283.50 m，出口高程 4 280.00 m，隧洞洞長7 520.76m，縱坡0.466，隧洞出口接壓力前池。隧洞由三部分組成。第一部分長39.6 m，為消力池段，采用城門洞型，寬度4.0 m，高5.5 m，池深1.5 m，長25 m，池后接長15 m漸變段，漸變為馬蹄形標準段。第二部分為引水隧洞標準段，斷面為馬蹄形，最大尺寸4.3 m×4.05 m。第三部分分兩部分，一為引水隧洞加高段，斷面為城門洞型，尺寸4.0 m×5.35 m；二為引水隧洞加強段，斷面為城門洞型，尺寸4.0 m×5.35 m，同時在德羅隧洞樁號Y7+ 456.6布置一條交通洞，洞身斷面為城門洞型，尺寸為4.0 m×4.1 m，洞長127.27 m。

德羅引水隧洞設置三條施工支洞，其中#1施工支洞布置在進口段，與主洞交點樁號為 Y0+060 m，長158.2 m，承擔進口段鉆爆開挖和襯砌施工任務。#2施工支洞布置在德羅隧洞中上段，與主洞交點樁號為Y2+ 407.12，長643.37 m，承擔隧洞中上段鉆爆開挖和襯砌施工任務。#3施工支洞布置在德羅隧洞中段，與主洞交點樁號為Y4+702.97，長341.48 m，承擔隧洞中下段鉆爆開挖和襯砌施工任務。施工支洞均采用城門洞型斷面，斷面寬、高尺寸4.0 m×4.2 m。

2.地質情況

隧洞沿線地面高程為4 300 m～4 500 m，隧洞一般埋深100 m～150 m，最大埋深213 m。隧洞圍巖主要為侏羅系遮拉組（J2Z）頁巖夾薄層砂巖、出口部分為侏羅系日當組（J1r）頁巖。隧洞軸線與巖層走向夾角一般0°～50°。隧洞區地應力以構造應力為主導，最大水平主應力方向21°～37°，與隧洞軸線夾角6°～56°。隧洞最大埋深處于低地應力水平，最大水平主應力9.1 MPa、自重應力5.3 MPa，接近圍巖抗壓強度（6～8 MPa），存在軟巖大變形的可能。

3.通風排煙現狀

①隧洞地處高海拔地區，含氧量嚴重不足，對通風供氧要求高。

②隧洞單一工作面長，通風機性能滿足不了要求，送風風筒漏風十分嚴重。

③隧洞各施工支洞斷面比主洞斷面小，造成通風排煙困難。

④通風管理技術落后，通風時間不夠，廢氣沒有完全排出洞外就過早停機，造成污染廢氣循環積累。

⑤地質條件差，均為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，工期緊、任務重、安全壓力大，通風排煙制約著整體工期。

表1 溫度與風速的關系

二、隧洞施工污染源

德羅引水隧洞屬于小斷面長隧洞，開挖時有6個工作面，但因地形及隧洞長度影響，幾個工作面通風排煙長度均超過了1 600 m，為確保隧洞開挖安全、快速，必須解決通風排煙問題，隧洞越長解決通風排煙除塵的難度越大。隧洞內空氣中的有害氣體、粉塵使隧洞內環境惡化，嚴重影響施工人員的安全和健康，極大地影響生產效率。隧洞內有害氣體主要來源于開挖爆破、出渣、噴射混凝土產生的煙霧和粉塵。這些有害氣體不但能影響能見度和施工進度，還影響作業安全，危害施工人員的身體健康。

三、隧洞內環境條件標準

1.洞內溫度與風速

按照我國《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》（DT/T 5099—2011）的規定，洞內平均溫度不應超過28℃，應根據不同溫度，按表 1調節洞內風速以提高散熱及排煙效果，但工作面附近的最小風速不得小于0.15 m/s，最大風速也不應大于4.0 m/s。

2.洞內空氣標準

《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》（DT/T 5099—2011）規定，洞內每個作業人員應供新鮮空氣3 m3/min。洞內空氣中含量為10%以上游離SiO2的粉塵濃度最高為2 mg/m3。

3.洞內通風要求

①在高原地區，隧洞內氧氣含量不低于空間體積的18%。

②在每m3空氣中含有大于10%的游離SiO2粉塵不得大于2mg，游離SiO2含量小于10%時，有毒的粉塵不得大于4 mg。

③CO不大于30 mg/m3，CO2、氮氧化物和瓦斯含量要低于體積的0.5%。

④洞內氣溫不高于28℃，噪聲不大于90分貝。

⑤供應每人的新鮮空氣不低于3 m3/min；低瓦斯情況下，供應每人的新鮮空氣不低于4 m3/min；內燃機工作情況下，供應每人的新鮮空氣不低于3 m3/min·kW，開挖時的斷面風速不低于0.15 m/s。

四、通風排煙方案

隧洞通風的基本原理是利用外來新鮮空氣沖淡、稀釋施工中產生的各類有害氣體，使之達到安全衛生標準。通風量計算包括施工人員所需風量計算、爆破散煙的需風量計算、滿足最小風速所需風量計算及沖淡柴油機廢氣所需風量計算等，設計風量為這四項計算風量的最大值。

1.通風風量分析

（1）計算原則

根據洞室施工程序、方法、施工設備配置及通風方式的安排，采用純稀釋理論、隧洞最小風速計算方法進行通風量計算。計算中，通風管路按100 m漏風率取1%～2%，沿程風壓損失最大取20%，隧洞斷面風速不小于0.5 m/s。

按規范規定，開挖時需要的通風量應根據下列原則分別計算，取其中最大數值。

①按洞內同時工作的最多人數計算，每人每分鐘供給3.0 m3的新鮮空氣。

②按爆破規定時間內將工作面的有害氣體排出或沖淡至容許濃度計算，每千克炸藥爆破后可產生折合成40 L的CO氣體。

③洞內使用柴油機械時，可按每千瓦每分鐘4 m3風量計算，并與同時工作的人員所需的通風量相加。

④全斷面開挖風速不小于0.15 m/s。

⑤計算的通風量，應按最大最小容許風速和相應洞內溫度所需的風速進行校核。

（2）施工人員需風量

根據《水利水電工程施工手冊》：

VP=VP×M×K式中，VP為施工人員需風量，m3/min；VP為每人所需新鮮空氣量，取3m3/min·人；M為同時作業最多人數，取m=8；K為風量備用系數，取1.1～1.15。

根據不同作業面計算施工人員需風量：

VP施≈27.6（m3/min）

（3）出渣機械人員通風量

出渣采用電動機械作業，按1臺斗容0.5m3電動挖掘機 （86kW）、2臺8t電動自卸車（2×70kW）同時作業人員按4人計：

VP=VP×M×K=13.8（m3/min）

因此，作業總風量V=13.8（m3/min）

（4）排除爆破廢氣所需風量

根據《隧道施工及組織管理指南》：

QH=100×E×be/（e'×t）

式中，QH為稀釋炮煙所需風量，m3/min；E為同時爆破的炸藥量（kg），E=截面積×循尺深度×單位圍巖用炸藥量；be為1 kg炸藥爆破后所產生的一氧化碳；e'為允許有害氣體的濃度，一般為0.02；t為規定通風時間（min），取散煙時間30 min。

經計算：QH=488.88（m3/min）

（5）最小風速風量

計算公式：Qu≥Vf×F（m3/s）

式中，Vf為最小風速 （m/s），取0.15 m/s；F為隧洞最大斷面積（m2）；

經計算：Qu施=216（m3/min）

（6）通風量確定

綜合考慮炮后散煙與作業人員施工不會同時進行，出渣過程及噴混凝土時連續進行通風排煙外，其他時段采用間隔通風。采用爆破排煙加施工人員用風量以及最小風速要求下的通風量進行比較，經分析隧洞各個施工部位的最小通風量為488.88 m3/min。

2.通風設備選型

根據上述計算確定的最小通風量，施工通風設備選用AVH90.2.8型通風機（距離1800m，最大通風量2739 m3/min，考慮風管分叉，單個工作面分風量約1 300 m3/min），考慮到高原降效系數0.6、叉管、風阻、風管漏風以及風壓損失，所選設備可滿足通風量需要。

3.風管選擇

風管選用直徑為1 000 mm的涂塑帆布風筒，接頭采用拉鏈式連接，拆裝方便。從各支洞口延支洞布置，風筒吊掛在隧洞頂部，進入主洞后根據工作面進行轉彎，接至施工作業部位。

4.分期通風規劃

通風散煙、除塵的影響是連續性的，針對德羅引水隧洞的洞室施工程序及施工進度安排，各支洞 （交通洞）、主洞室施工通風總體上分為Ⅲ期布置。

①在各工作面開挖未貫通時，采用通風機進行壓入式通風。

②#1支洞與進口、交通洞與出口工作面貫通時，采用壓入式與巷道式通風，在#1支洞、交通洞采用壓入式供風，進口與出口自然通風；#3支洞與交通洞工作面貫通時，#3支洞采用壓入式供風，進口與出口及交通洞采用巷道通風；#2支洞與#3支洞工作面貫通時，采用壓入式與混合式通風，在#1、#3支洞采用壓入式供風，#2支洞采用離心風機進行負壓供風。

③#1支洞與#2支洞開挖面貫通，開挖結束，以自然通風為主，機械輔助通風。

圖1 Ι期通風規劃示意圖

圖2 Ⅱ期通風規劃示意圖

圖3 Ⅲ期通風規劃示意圖

表2 通風設備分類匯總表

5.通風設備匯總

通風設備分類匯總見表2。

五、技術要點及安全措施

1.技術要點

①風管出風口距離工作面的距離不宜太遠，否則會在工作面附近形成循環風流，炮煙難以散去。德羅引水隧洞建議風筒距離工作面為35～45 m。此外出風口要正對工作面，避免形成局部風流，且要在風筒轉彎處的進風口處使用剛性風筒，避免風損增大。

②采用壓入式通風，回風會攜帶污風污染整個通道，尤其在交叉口處，還會擴散到另外一個作業面。因此在交叉口出要合理布置風門，阻止回風向另一個工作面擴散，提高通風排煙效率。

③爆破后炮煙往往集中在工作面附近一定距離內，在此范圍內采取噴霧除塵措施能夠有效降低回風中的粉塵含量。尤其對于長距離通風，在作業面60～80 m范圍噴霧降塵，作業環境將明顯改善。

④采用功率大、噪音低、性能優越的通風機，不僅能保證洞內通風穩定可靠，而且能有效降低每延米通風功率，節約電源，經濟效益十分顯著。

⑤在長隧洞施工中，受風筒破損、老化、變徑、轉彎等因素影響，往往實際風損要大于理論計算值，單臺風機無法滿足長距離通風要求時，宜采用通風機串聯方式進行接力通風。接力通風機盡量采用同型號的通風機，且通風口處用一節剛性風筒與柔性風筒連接。

⑥在高原缺氧狀態下，要考慮施工降效問題，根據海拔和含氧量進行降效計算，德羅引水隧洞地處4 300 m海拔，含氧量為內地60%～66%范圍，所以此處降效按60%計算。

2.安全措施

①爆破材料運輸、儲存、加工、現場裝藥、連線、起爆及瞎炮處理必須遵循《爆破安全規程》的有關規定。

②進行爆破時設備、人員應撤離至飛石、有害氣體和爆破沖擊波影響范圍之外，且無落石威脅的安全地點，對難以撤離的施工機具、設備應以隔離遮蓋防護。

③洞內用電由專業電工定期、不定期進行供電線路的維護檢修，所有設備均要安裝漏電保護器。

④加強洞內圍巖變形觀測，及時掌握圍巖穩定情況，發現異常情況立即采取措施。

⑤所有洞內作業人員在上崗前須經過安全培訓，學習安全知識，樹立安全意識，對風筒采取保護措施，不得隨意挪動和破壞。

⑥在離各工作面最近的避車道配備氧氣瓶，確保在人員缺氧或受傷狀態時能供應及時。

[1]李國華，等.超長引水隧洞施工期通風措施研究[J].人民長江，2016（47）.

[2]盧建設.小斷面長隧洞施工的通風排煙及除塵[J].水利水電施工，2013（03）.

責任編輯 李建章

Research on ventilation and smoke exhausting technologies for small sections of a long tunnel under oxygen-deficient environment

Wei Qing，Guo Junbo

It is common to include diversion tunnels in the construction of hydropower stations.In this case, induce ventilating and smoke exhausting system can play a significant role for ensuring schedule of construction and health of workers,especially when long diversion tunnel is getting deeper and unfavorable condition is involved.More considerations had been given to local particularities and actual conditions during the construction of Deluo Diversion Tunnel of Laluo Water Complex in Tibet.Solutions are designed to induce ventilating and smoke exhausting in small section of long tunnel under oxygen-deficient environment,which is of reference value for design and construction of similar projects.

plateau;long tunnel;small section;induce ventilating and smoke exhausting;Laluo Water Complex

TV+TB495

B

1000-1123（2016）20-0062-04

2016-10-18

魏青，助理工程師。