TBM隧洞施工長距離通風問題研究

王 新，劉波波

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

1 工程概況

通風問題是長大隧洞施工中需要解決的重要問題之一。合理的通風系統和理想的通風效果是實現長隧洞快速施工和保障施工人員身心健康的關鍵。設計科學、先進、合理的通風系統和部署高效的通風設備是解決長大隧洞施工中通風問題的根本。

近年來，許多學者針對長大隧洞施工通風問題進行了研究[1-4]。陳進明[5]結合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞的實際情況,研究了洞內施工通風、高壓供風方案和通風機械設備選型以及配套方案，取得了不錯的效果；朱齊平等人[6]以遼寧大伙房水庫輸水隧洞工程為背景，通過計算風量、風壓、通風功率等參數，通風設備及其布局得到了優化，并實現了更好的通風。沈熙智等[7]結合引大濟湟工程項目，對引水隧洞的通風降溫問題進行了分析。此外，還有一些學者對長大隧洞通風進行了數值模擬研究[8-9]，從理論研究的角度得出科學結論，指導洞內通風的優化設計。

許多學者根據不同的工程實踐，從不同的角度研究了水工隧洞的通風設計。但是針對主洞、支洞交叉，且超長洞線的水工隧洞工程通風研究較少。本文結合秦嶺隧洞嶺北TBM施工通風的技術難題，通過分析研究，制定合理的處置方案。

引漢濟渭工程嶺北TBM由2條主洞、2條支洞組成，具體為TBM主洞、6號主洞以及5號支洞、6號勘探試驗洞。

其中5號支洞全長4595m，位于TBM施工段落中部，主要用來解決TBM長段落施工通風、出渣、檢修等問題，是目前國內建成第二長的斜井支洞。

6號勘探試驗洞全長2470m，斷面為圓拱直墻型，凈空高6.75m，寬7.7m，支洞內縱坡為-9.1%和-3%的單面下坡，綜合坡度8.23%。

6號主洞延伸段工程合同段為隧道單洞4414.5 m（樁號K63+050～K67+464.5）。該洞襯砌后斷面為 6.76 m×6.76 m，為馬蹄形斷面。

TBM主洞全長16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主機組裝洞82 m，步進洞245 m，TBM接應洞918 m，檢修洞60 m，兩個始發洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一階段6788 m，第二階段8377 m）。5號支洞和TBM配套洞進行鉆孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m開敞式硬巖掘進機施工。TBM通過6號勘探試驗洞運至組裝洞室，在洞內組裝并完成調試后向三河口方向掘進，第一階段貫通后，TBM在檢修洞內檢修，TBM出渣、通風系統以及輔助設備的供電系統轉場至5號支洞，TBM轉場檢修完畢后，開始第二階段掘進施工。施工平面布置見圖1。

圖1 TBM施工平面布置圖

2 通風設計難點

從圖1可以看出，本工程通風設計要全面考慮TBM從6號勘探試驗洞運至組裝洞室開始，向三河口方向掘進至樁號K46+360為止全過程的通風。在進行通風設計時，不僅要考慮支洞和主洞工程交叉通風設計，還要綜合考慮TBM轉場維修，不同施工段落銜接過渡時的通風問題。本工程通風設計的主要難點在于：

（1）克服超長送風線路（13.5 km）的困難，及時高效地排除洞內污濁氣體，還要將足夠的空氣輸送至掌子面，是設計通風系統的最大難點；

（2）設計科學合理的通風系統，選擇既經濟節能，又能滿足TBM施工兩階段通風需求的風機、風管等也是通風設計面臨的主要問題；

（3）長距離通風常出現因漏氣、沿程阻力大造成供風效率低下、供風量不足等問題，同時，風管的彎折變形、出渣造成的機械摩損都是長距離通風必須面對的問題，如何防止泄露和減少阻力是實現遠距離通風的關鍵；

（4）隧洞通風效果除受到通風系統布局、設備匹配等技術原因影響外，還受通風管理水平的影響，通風管理水平是保證通風質量的重要因素之一。

3 通風設計方案

3.1 設計原則和通風標準條件

基于該項目在通風設計中遇到的實際困難，設計時應以“布局合理，優化匹配，防漏降阻，加強管理，保證效益”為基本原則，優化設計，強化管理。同時，由于隧洞施工通風用電占隧洞施工用電相當高的比重，還要考慮優先選用節能型風機以降低功耗，確保在滿足通風效果的前提下，風機的型號和數量合理。

針對秦嶺隧洞的實際情況，TBM段施工通風設計需滿足施工通風標準條件，即：CO含量不超過30 mg/m3，洞內最低風速0.5 m/s，每人每分鐘新鮮空氣供應量不低于4 m3，每100 m風道漏風率不超過0.35%，風機數量n用1備。

3.2 具體設計方案

3.2.1 總體設計

根據工程現場的實際情況及本工程特點，施工期間的通風設計分三個階段進行考慮：

第一階段為TBM組裝期間的通風，從經濟效果考慮，組裝期間的通風采用組裝洞開挖時的通風系統。通風機設置在6號洞口，通過6號支洞和6號主洞，將新鮮風送至TBM施工區。

第二階段（TBM掘進第一階段），主要是TBM掘進期間，滿足掘進施工通風，由TBM供貨商提供的壓入式風機具有獨立的壓入式通風裝置。利用5號支洞、6號支洞以及TBM第一階段施工段落形成的自然通風，將通風機設置在5號主洞和TBM第一階段施工段貫通面向上游300m的位置，通風機通過主隧道向TBM施工區輸送新鮮空氣，臟污回風通過5號支洞排放到洞外。

第三階段（TBM掘進第二階段），由于TBM段第二階段掘進總長度8920 m（包括TBM掘進8377 m，鉆爆法掘進543 m），且需要通過5號支洞（長4595 m）洞口進行通風，第三階段最大通風長度達13.5 km。也是本次通風設計的重難點。

根據隧道工程的施工技術和經驗，隧道施工的通風方式分為巷道通風[10]、自然通風和管道通風。TBM隧洞的第二階段是單洞布局，沒有進行巷道通風的條件；單獨自然通風不適合長隧道施工通風。有三種基本類型的管道通風：壓入式，吸出式和混合式。各有其優缺點，適用的條件不同，布置形式不盡相同。如表1所示。

表1 管道通風的優缺點比較

考慮到污濁空氣的排除，在6號洞至5號接應洞下游K55+690處采用自然通風，風機設置于K55+690處，自此里程開始進行軸流風機壓入式通風。壓入式通風最大通風距離9280 m（5號支洞接應洞903 m＋TBM掘進主洞8337 m）。同時，在5號支洞設置兩個接力軸流風機（分別設置在斜900和斜2300附近），進行洞內污濁空氣的排除。具體布置見圖2。

圖2 TBM通風系統第二階段總體布置

3.2.2 風量計算和風機參數核算

在通風系統中，一般由通風機提供風量和風壓。風量由風點決定的。通風機風壓除要考慮把風送到掌子面的壓力外，還要考慮管路漏風的影響，以及克服在管路中的風流阻力。因此，應對需風量、風機參數進行核算。

1）需風量

隧道施工掌子面要求的風量按照同時在洞內工作的最大人數，洞內最低允許風速，風道內除塵散熱所需風量計算，經高程修正后，將最大值作為控制風量。計算過程如下所示：

式中：Q1為根據洞內工人的最大數量計算所需風量；k為風量備用系數，取1.2；m為洞內同時最高工作人數，取m=150；q為每人每分鐘最少需要的空氣量，取4 m3/min。經計算，Q1=720 m3/min。

式中：Q2為根據洞室平均風速計算的風量；ν為確保孔內風速穩定的最小風速，取ν=0.5 m/s；A為開挖最大斷面積，本工程中A=π×（8.02÷2）2=50.5 m2。經計算，Q2=1525 m3/min。

TBM隧洞施工中，洞內和掌子面要求的風速，除了要滿足排塵的要求外，還要綜合考慮TBM設備機組散熱、冷卻、工人工作舒適性等要求。目前，TBM施工通風風量計算基本沿用《建筑工業中隧道開挖作業安全實用規程》中的相關標準，按最低風速0.5 m/s確定。

根據國內實用掘進機的一些資料：秦嶺隧道Ⅰ線采用直徑為8.8 m的TBM，后配套系統配備1800 m3/min的風量，隧洞內風速為0.5 m/s；在大伙房輸水隧洞工程中，使用了直徑8.0 m的TBM，實際采用風量為1500 m3/min，洞內風速0.5 m/s；在天生橋水電站項目中，隧洞采用直徑10.8 m的TBM，洞內風量為1812.3 m3/min，風速為0.33 m/s。經過對比可見，本工程計算隧洞內風速0.5 m/s，隧洞TBM供風量取1525 m3/min是合適的。

2）風機選型及參數核算

通過以上計算，結合對國內類似項目的通風情況分析，經過綜合考慮，嶺北TBM第二施工段將采用自然通風結合獨頭壓入式通風。洞口風機采用法國進口T2.160.3×200.4軸流風機，風量57.6 m3/s（即3456 m3/min），最大風量可達68 m3/s（4080 m3/min），風筒直徑為 2.2 m，風機功率：3×200kW，整機長度9.6 m，進風口直徑2.04 m，出風口直徑1.82 m。洞內接力風機為 T2.180.2×315 軸流風機，風量 72 m3/s（4320 m3/min），最大風量可達88 m3/s（5280 m3/min），電機功率2×315 kW。兩個風機可供風量均大于所需的最大風量，能滿足通風需求。

主洞風管選擇從挪威進口的Φ2.2 m通風軟管。風管直徑計算：風阻較大時，容易導致風管破裂，因此，風速應控制在合理范圍內，本工程取不超過20 m/s。需風量按最大額定風量的85%確定。則TBM主洞風筒直徑：

Φ=2×((0.85×Qmax額)/(3.14×60×V))^(1/2)=2×（0.85×5280/(3.14×60×20）)^(1/2)=2.18 m，主洞風管直徑 2.2 m，符合要求。3.2.3 防漏降阻措施

將每段軟風管的長度由增加到200 m以上，同時減少各管段之間的接頭數量，達到降低漏風率的目的；在隧洞斷面凈空允許的前提下，使用大直徑（Φ2.2 m）的軟風管。通過這種在控制風管長度上“以長代短”，在風管直徑選用上“以大代小”的方式，達到降低漏風率，降低通風阻力，提高送風效率的目的。

在運輸和儲存過程中要注意保護風管，避免人為造成損傷和機械磨損，降低漏風量；還要加強對風管的定期檢修，經常檢查風管各段接頭連接情況、懸掛是否完好、有無破損等，及時記錄并處理發現的問題。

3.2.4 配套措施

1）做好對塵源所產生的粉塵的控制，考慮在采用機械通風、濕式鑿巖、出渣灑水、沖洗巖面等多措施并舉的綜合治理方法的基礎上，輔以局部凈化；

2）推廣使用低污染柴油車輛，同時盡量減少進洞的內燃車輛的數量和次數，降低洞內廢氣排放量。

3.3 通風效果

在嚴格按照設計方案布置通風系統，配備風機風管后，TBM在掘進過程中，洞內通風狀況始終保持良好，各項氣體指標均優于施工通風標準條件。

4 結論

（1）本文以引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM施工段為例，對水工隧洞長距離通風設計普遍性技術難題進行了研究，依據工程實際及TBM掘進不同段落進行三階段通風設計，每段結合自身特點進行具體、細化設計，提出了一套科學、合理、節能、高效的長距離通風方案，取得了良好的效果，可為類似工程通風設計提供參考。

（2）本文的初步研究結果表明，對于超長隧洞施工通風，分段通風是合理可行的解決方案。但是，尚缺少對這種方案的節能效果進行定量分析和評價，在后續研究和應用中，結合各自工程實際，如何合理利用好配套設施，加強通風效果，也值得進一步研究和探討。