小直徑長距離泥水平衡盾構(gòu)施工通風(fēng)技術(shù)研究

裘水根

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海市天然氣崇明島——長興島段過江隧道采用盾構(gòu)法施工，線路起始于長興島北過江井。線路走行在長江大橋東側(cè)，與長江大橋基本平行（圖1），出過江井后，線路穿越長興島北子江堤、長江北港水域、崇明島主江堤后上行接入崇明島過江井（在崇明清管站內(nèi)）。

圖1 隧道線路設(shè)計示意

江中隧道段中心線全線距離長江大橋規(guī)劃紅線187～200 m。全線在江中設(shè)置3個平曲線半徑，半徑分別為7 770、7 230、3 000 m，越江隧道長約8237m。

圓隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為3.4m，外徑為3.96 m，環(huán)寬為1.35 m，裝配式襯砌環(huán)全環(huán)分成6塊，由1塊小封頂塊F、2塊鄰接塊L和3塊標準塊B構(gòu)成。采用通用楔形襯砌環(huán)形式，錯縫拼裝。采用塊間鑄鐵預(yù)埋件＋短直螺栓和環(huán)間彎螺栓接頭形式。隧道運營階段采用水填充，填充水位高于洞口約1 m。

2 通風(fēng)方式選擇

本工程隧道內(nèi)徑只有3400mm，掘進距離長且縱坡面呈“V”形，特別是當盾構(gòu)進入上坡推進時，工作面產(chǎn)生的熱量和潮氣無法自然排出，不僅對盾構(gòu)設(shè)備和工作人員的身體帶來不良的影響，而且也會嚴重影響測量工作的順利進行。

為了保證通風(fēng)質(zhì)量，采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)長度為8 250 m，通風(fēng)管采用較大直徑軟管。由于本隧道送風(fēng)距離長，獨頭通風(fēng)困難，因此擬采用接力方案。因隧道空間有限，故通風(fēng)管直徑按700 mm設(shè)計，布置于洞頂，利用管片內(nèi)預(yù)埋螺栓連接懸掛（圖2）。

圖2 隧道風(fēng)管布置示意

1）方案一：洞內(nèi)二次接力通風(fēng)。長距離接力通風(fēng)時，每臺風(fēng)機應(yīng)保證其供應(yīng)的風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)量大于接力風(fēng)機所需風(fēng)量，因此風(fēng)機放置距離應(yīng)逐漸加大。初步設(shè)計地面放置1臺軸流式送風(fēng)機F1，經(jīng)深約22 m的豎井拐2個90°彎頭后進入TBM洞（此階段建議采用φ800 mm鋼制風(fēng)管及彎頭），通過高強度PVC風(fēng)管將新鮮空氣送2 000 m至洞內(nèi)接力風(fēng)機F2，接力風(fēng)機F2送風(fēng)約2 750 m至接力風(fēng)機F3，接力風(fēng)機F3送風(fēng)約3 500 m至盾構(gòu)機尾部（圖3）。

圖3 洞內(nèi)二次接力通風(fēng)布置示意

2）方案二：洞內(nèi)一次接力通風(fēng)。初步設(shè)計地面放置1臺軸流式送風(fēng)機F1，經(jīng)深約22 m的豎井拐2個90°彎頭后進入TBM洞（此階段建議采用φ800 mm鋼制風(fēng)管及彎頭），通過高強度PVC風(fēng)管將新鮮空氣送3 500 m至洞內(nèi)接力風(fēng)機F2，接力風(fēng)機F2送風(fēng)約4 750 m至盾構(gòu)機尾部。

進一步分析，本隧道空間有限，因此配套風(fēng)管直徑為700 mm，如采用洞內(nèi)一次接力，則風(fēng)機壓力過大（17 700 Pa），而所需風(fēng)機體積過大也會造成洞內(nèi)安裝困難。因此本隧道選擇二次接力，即由3臺風(fēng)機供風(fēng)的方案一。

3 隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 風(fēng)量的計算

風(fēng)量計算按壓入式通風(fēng)考慮，確定工作面需風(fēng)量，需計算出滿足洞內(nèi)除塵要求風(fēng)速所需空氣量Q1，滿足洞內(nèi)工作人員呼吸所需空氣量Q2，取其最大者即為壓入式通風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口的所需風(fēng)量Q需。經(jīng)計算，Q1=157 m3/min，Q2=108 m3/min，故Q需=157 m3/min，為隧道工作面所需新鮮風(fēng)量即F3風(fēng)機風(fēng)管出風(fēng)口的風(fēng)量。

1）由于采用接力通風(fēng)，故應(yīng)先計算F3風(fēng)機所需的風(fēng)量，供風(fēng)長度為3 500 m，考慮風(fēng)管漏風(fēng)，經(jīng)計算，F(xiàn)3風(fēng)機提供的風(fēng)量應(yīng)為QF3=223 m3/min。

2）考慮接力通風(fēng)方式，容易造成接力點風(fēng)機吸入部分污風(fēng)循環(huán)。因此F2風(fēng)機風(fēng)管出風(fēng)口所供的風(fēng)量應(yīng)滿足1.05倍的F3風(fēng)機所需的風(fēng)量，即234 m3/min，供風(fēng)長度為2 750 m，考慮風(fēng)管漏風(fēng)，則F2風(fēng)機提供的風(fēng)量應(yīng)為QF2=308 m3/min。

3）同理，F(xiàn) 1風(fēng)機風(fēng)管出風(fēng)口所需的風(fēng)量為323 m3/min，供風(fēng)長度為2 000 m，考慮風(fēng)管漏風(fēng)，則F1風(fēng)機提供的風(fēng)量應(yīng)為QF1=395 m3/min。

3.2 各接力段通風(fēng)阻力的計算

各接力段通風(fēng)阻力的計算為摩擦阻力與局部阻力之和。經(jīng)計算，F(xiàn)3通風(fēng)阻力為6 171 Pa，F(xiàn)2通風(fēng)阻力為9 240 Pa，F(xiàn)1通風(fēng)阻力為11 055 Pa。

3.3 機械設(shè)備的選型

根據(jù)以上計算，風(fēng)機應(yīng)滿足風(fēng)量、風(fēng)壓要求，通風(fēng)機性能參數(shù)選型如表1所示。

表1 通風(fēng)機性能參數(shù)

需要說明的是，以上風(fēng)機是按最長通風(fēng)距離計算的，實際通風(fēng)長度是漸進的，因此當通風(fēng)距離較短時，變頻控制采用低頻頻率運行即可，待下一個接力風(fēng)機工作時，再全負荷運行。此方案通風(fēng)總功率為222 kW。

3.4 隧道焊接煙塵處理

結(jié)合本項目隧道口徑小、線路長、焊接點多、涉及范圍廣等特點，擬采用設(shè)置機械排煙系統(tǒng)的方式進行焊接煙塵的處理。通過設(shè)置機械排煙系統(tǒng)，利用一種吸除管道焊接煙塵的專用吸煙口（我公司已申請專利），通過排煙風(fēng)機產(chǎn)生的負壓作用，將煙氣吸入管道，再由風(fēng)機接力將煙塵通過排煙風(fēng)管排送至不影響人員工作的區(qū)域外，使之自然飄散。同時將移動式煙塵凈化器作為現(xiàn)場零星焊接及局部焊縫返修焊接作業(yè)時的煙塵處理設(shè)備。

4 通風(fēng)系統(tǒng)布置

隧道施工期間，整體的布置如下：隧道右側(cè)為掘進附屬管路，包括循環(huán)水管路，進、排漿管路，高壓風(fēng)管，排污管及高壓線等；隧道左側(cè)每50 m設(shè)一避車臺供人躲避管片運輸車，每100 m安裝1個VMT導(dǎo)向系統(tǒng)的激光站支架。隧道正中間設(shè)軌道，供運輸管片電瓶車進出，風(fēng)管設(shè)于最頂端（圖4）。

圖4 隧道施工主道的通風(fēng)布置示意

此外，由于隧道施工工藝較復(fù)雜，隧道內(nèi)設(shè)備、管路較多，施工期間車輛運行需要有交會，同時隧道內(nèi)每隔1 000 m左右設(shè)有排漿泵站。在車輛交會區(qū)與排漿泵站處空間更是狹窄。風(fēng)管設(shè)于最頂端，既不影響交通，也不遮擋VMT導(dǎo)向激光站所發(fā)出的激光。

5 結(jié)語

本文針對上海市天然氣崇明島—長興島—浦東新區(qū)跨長江管道工程的小直徑、長距離等特點，分析與研究了隧道施工的通風(fēng)方式，主要結(jié)論與建議如下：

1）在小斷面、長距離盾構(gòu)隧道施工中，通風(fēng)計算以滿足作業(yè)人員的呼吸要求和洞內(nèi)最小風(fēng)速為主要控制指標。

2）經(jīng)過計算，采用壓入式洞內(nèi)二次接力通風(fēng)的方案可以滿足長距離隧道施工的需要。

3）實際上在最前端的作業(yè)面——盾構(gòu)機操控室和管片安裝區(qū)是通風(fēng)效果最差的位置，由于隧道斷面小、設(shè)備復(fù)雜的特點，風(fēng)管有可能不能延伸到作業(yè)面，從而降低通風(fēng)的效果，這需要在現(xiàn)場施工中進一步優(yōu)化方案。

4）對于小直徑、長距離隧道的通風(fēng)，最理想的是采用“長壓短抽式”的混合式通風(fēng)方式，即主要采用壓入式通風(fēng)，將新風(fēng)壓送至掘進面，同時盡量將掘進面區(qū)域的污濁氣體使用抽出式風(fēng)機抽走。這種改進的通風(fēng)方式，不僅可將盾體處的高溫空氣或由渣土帶出的有毒氣體迅速抽出，且能更好地改善施工人員的工作環(huán)境，值得進一步研究。這將會是今后小直徑、長距離隧道施工通風(fēng)的主要方式。