羊毛灣引水工程施工I 標段引水隧洞施工通風改進方案

田旭智，張 濤

（陜西省交口抽渭灌溉管理局，陜西 渭南 714000）

1 工程概況

羊毛灣引水工程是為解決乾縣縣城及石牛、臨平、新陽、漠西4 個鄉鎮（社區）嚴重缺水的重大民生工程。引水隧洞部分是該工程的關鍵控制工程，該隧洞全長7.744 km，進口位于羊毛灣水庫大壩溢洪道下游左側，出口位于臨平鎮小咸陽村境內，洞身斷面為城門洞型，最大開挖斷面尺寸為2.8 m 寬×3.2 m高，最小開挖斷面尺寸為2.3 m 寬×2.75 m 高。施工支洞位于五星村龍背溝內，全長645.63 m 與主洞在樁號4+775 處相接，洞身斷面為城門洞型，開挖斷面尺寸為4.3 m 寬×3.85 m 高。

2 施工通風技術的難點

1）隧洞開挖斷面小，最小開挖尺寸僅為2.75 m 高×2.3 m寬，洞內運輸采用三輪車作為運輸工具，三輪車的高×寬為1.2 m×1.35 m，兩側剩余空間較小，且在洞身一側必須布設水、電線路以及通風風管,很難滿足吸風管及設備安裝所占空間需求,同時機械運輸材料中容易造成風帶損壞,進一步造成風損較大,且隨著開挖距離的增加，壓入的風量明顯不足,最終導致洞內空氣質量無法滿足正常施工需求。

2）單口通風距離長，根據施工部署安排進口段單口通風距離長達2580 m，支洞上游單口通風距離長達2840.13 m，支洞下游單口通風距離長達1220.63 m，出口段單口通風距離長達2414 m。要保證相應的掘進速度對通風時間有嚴格的限制，所以具有很大的技術難度。

3 目前隧洞通風現狀及存在問題分析

工程于2014 年7 月8 日正式開工，依據工程實際特點采用三口四個工作面進行，通風方式主要以壓入式通風為主，截止2016 年6 月22 日，出口累計獨頭通風2560 m；支洞下游累計獨頭通風980m；支洞上游累計獨頭通風1350 m；進口累計獨頭通風1300 m。

經對目前各工作面洞內空氣觀測分析，出口段為土質隧洞，采用電動扒渣機開挖柴油三輪車出渣進行施工，洞內主要廢氣由運輸設備即三輪車產生，通風主要采用4 臺（FBD No5.6A）風機柔性管筒壓入式送風，2015 年5 月份在距離出口1530 m 處增設了通風豎井配合通風，有效的解決了洞內空氣質量差的問題，目前該處已實現獨頭通風2560 m，考慮到再有不足40 m將和支洞下游貫通，故出口段通風不再進行優化。

支洞上下游均為石質隧洞，采用全斷面爆破開挖，柴油三輪車出渣進行施工，洞內廢棄有爆破后產生的廢氣和三輪車產生的廢煙，通風主要采用2 臺（FBD No5.9A）風機柔性管筒壓入式送風。由于受支洞比降大、彎道多、和主洞垂直相接等因素影響，目前支洞洞內通風主要存在問題：

1）因風筒角度變化過大、多處出現褶皺、破損漏風，風筒末端的風速和風量均不能滿足施工生產要求；

2）上下游兩個工作面同時施工，施工機械在洞內的工作時間長、風能損耗大、廢氣量增加，加之洞外送風量不足,上下游煙氣出現串流的現象；

3）支洞比降大受內外氣壓差影響排煙不暢。目前支洞下游已實現獨頭通風980 m，考慮到再有不足40 m 將和出口貫通，故支洞下游通風不再進行優化；支洞上游已累計獨頭通風1350 m，洞內空氣已嚴重不能滿足施工生產，考慮到后續該工作面仍有1500 余米的掘進任務，因此必須對該處的通風方式進行優化改進以滿足施工生產要求。

進口段為石質隧洞，采用全斷面爆破開挖，柴油三輪車出渣進行施工，洞內廢棄有爆破后產生的廢氣和三輪車產生的廢煙，通風主要采用2 臺（FBD No5.6A）風機柔性管筒壓入式送風。目前累計獨頭通風1300 m，因只在洞口位置架設了兩臺（FBD No5.6A）風機，隨著掘進的長度加大，風筒的長度加長，風速和風量降低，洞內廢氣排出困難。該工作面仍有1500 余米的掘進任務，因此必須對該段通風方式進行優化改進。現有通風設備參數見表1。

表1 現有通風設備參數表

4 通風方案改進優化

在本次工程隧洞施工中，通風方法主要采用管道法（一般有管道法，巷道法、機械法等），而管道法按照其送風方式又分為壓入法、吸出法、混合法三大類，各種送風方式各有優缺點。吸出法的優點是施工工作面的廢氣及粉塵能夠得到快速凈化，并且凈化質量較高,但是通風機需要根據工作面頻繁地移動,噪聲污染較大,管道極易漏風，并且會造成重復污染;壓入法的優點主要表現在排除廢氣及粉塵的速度較快,在安裝拆卸過程中更為簡單、易操作,缺點主要是空氣輸入需全部通過通風管;混合法雖然是施工隧洞通風中最佳的,空氣質量好、速度快,但由于羊毛灣洞室斷面過小，不滿足該方案的實際運用條件。根據羊毛灣隧洞的現場實際情況,綜合考慮各種不利因素,采用壓入法通風方案合理可行。

4.1 通風量分析

隧洞施工通風應能滿足洞內各項作業所需要的最大通風量，風量按每人每分鐘供應新鮮空氣3 m3計算，一般采用內燃機械作業時，功率為1 kW 供風量不小于3 m3/min，風速在全斷面開挖時不小于0.15 m/s，坑道內不小于0.25 m/s，但均不應大于6 m/s。根據實際情況及以往施工經驗在洞室獨頭掘進時,采用電雷管起爆，工作面在爆炸的瞬間及之后數分鐘內,被爆破產生的污染氣體及粉塵僅是距工作面40 m 左右的隧洞空間。如果能及時采取有效措施, 將污染氣體及粉塵控制在爆破后所延伸的范圍內,則很大程度能減少除塵排煙所需的風量,極大的縮短通風時間,且可減輕或避免廢氣及粉塵污染整個隧洞空氣。

4.2 風量計算

隧洞內所需風量按照下列幾種計算方法進行計算，并取計算結果的最大值作為供風的標準。

4.2.1 按滿足在洞內進行各項作業所需要的最大通風量計算

式中：q 為按每人每分鐘供應新鮮空氣3 m3計算；m 為同時工作人數，取m=15 人；k 為風量備用系數，取k=1.2。

經計算，Q1=54.0 m3/min。

4.2.2 按稀釋內燃機械作業計算工作面風量

式中：a 為1 kW 供風量3 m3/min；K1為內燃機功率有效系數，K1=1.0；K2為內燃機工作系數，K2=1.0；∑N 為內燃機功率之和，∑N=6×16.2=97.2 kW。

經計算，Q2=291.6 m3/min。

4.2.3 按允許最低平均風速計算

式中：A 為隧道開挖斷面面積，取A=7.5 m2；V 為允許最小風速，取 V=0.15 m/s。

經計算，Q3=67.5 m3/min。

4.2.4 按照爆破后稀釋有害氣體達到允許濃度計算

采用壓入式通風，工作面需要風量：

Q4=[7.8×（GA2L2）1/3]/t

式中：t 為通風時間，取t=30 min；G 為爆破所用最大炸藥量，取G=55 kg；A 為隧道斷面面積，取 A=7.5 m2；L 為空氣質量滿足下一循環施工長度，取L=40 m。

經計算，Q4=44.31 m3/min。

4.2.5 通風設計量選取

依據計算選取上面四種計算中最大值作為通風設計量，即取風量Q=300 m3/min。

根據施工安排單口掘進最大長度按L=1000 m。

風管漏風系數Pc=1/（1-β）=3，通風機供風量Q供=PcQ，則Q供=PcQ=3×300=900 m3/min，取 Q供=900 m3/min。

4.3 管道阻力系數

風阻系數Rf=6.5αL/（5D），摩阻系數α=λρ/8=0.00225 kg/m3，取風管（軟管）直徑D=0.6 m。

則Rf=6.5αL/（5D）=6.5×0.00225×1000/（5×0.6）=4.875。

4.4 管道阻力損失

管道阻力損失：

式中：Qj為通風機供風量，取設計風量Qj=Q供=900 m3/min；Qi為管道末端流出風量，取Qi=Q2=300 m3/min；HD為隧道內阻力損失，取 HD=60 Pa；H其他為其他阻力損失，取 H其他=50 Pa（支洞 H其他=50+555=605 Pa）。

1）隧道進口管道阻力損失：

2）隧道支洞管道阻力損失：

4.5 隧洞風機全壓

1）進口隧洞風機全壓：

2）支洞口風機全壓：

4.6 風機功率計算

式中：Q 為風機供風量；H 為風機工作風壓；K 為功率儲備系數，取1.05；η 為風機工作效率，取90%；

1）進口隧道風機功率計算：

W=QHK/(60η)=900×475.625×1.05/(60×0.9)=8.323kW

2）支洞隧道風機功率計算：

W=QHK/(60η)=900×980.625×1.05/(60×0.9)=17.16kW

4.7 通風機選擇

通風機選擇配置主要依據風壓、風量以及功率。結合羊毛灣隧洞工施工實際,選用軸流式通風機,因其體積小,安裝簡單方便,效率也高,但噪音較大，現場實際使用風機與優化后理論風機參數對照見表2。

表2 實際使用風機與理論風機參數對照表

5 通風方案的實施

經計算分析，目前支洞口和進口所架設的風機實際風機流量不能滿足理論流量，需在進口和支洞口再各增加一臺同型號風機（進口FBD No5.6A 型號一臺，支洞FBD No5.9A 型號一臺，具體布設見圖1、圖2）。

圖1 進口通風系統優化布設平面示意圖

圖2 支洞通風系統優化布設示意圖

考慮到兩個工作面將來獨頭供風均要超過2500 m，為保證因通風距離長風壓降低，在兩個口進尺1000 m 處各架設風機一臺串聯接力供風，同時為加快洞內廢氣的出排，采取每隔100 m 增設局扇混合式通風。

設備預算見表3。

表3 羊毛灣引水工程隧洞通風優化所需設備預算

6 施工通風管理

1）通風管的安裝必須平順、接頭嚴密，彎管半徑不小于風管直徑的3 倍，風管采用軟質橡膠管，如有破損及時修理或更換，加強日常維修管理工作。

2）安設在洞口的風機要距離洞口20 m 以外的上風向，盡量避免發生污風循環；出風管靠近作業工作面的距離小于15 m。

3）定期測試隧洞內通風風壓、風速、風量，檢查通風設備的供風能力和線路連接，作業過程中做好通風灑水防塵措施，搞好個人防護。

4）進口、支洞工區配置專職安全人員對現場通風情況及時定期進行檢測，根據檢測結果，對通風系統作出優化調整，最終必須保證洞內溫度不得高于30℃、一氧化碳（CO）小于30 mg/m3；二氧化碳（CO2）濃度按體積計算小于0.5%；氮氧化合物（NO2）小于 5 mg/m3～8mg/m3；甲烷（CH4）按體積計算小于 0.5%。

5）按照隧洞通風設計要求安裝主風機，輔助風機安裝在洞內新鮮氣流中，通風機裝置安設牢固、安全，當發生風機故障時能自動停機，通風管每節長度控制在20 m。

6）因為該項目進口、支洞獨頭掘進距離較長，洞內運輸設備所采用的三輪車較多，運輸過程中排放的廢氣和產生的粉塵量較大，隧洞開挖采用爆破方式所產生的有害氣體和粉塵也較多。為了避免對洞內作業人員造成人身傷害，若發現不符合廢氣和粉塵排放標準，應立即采取有效的處理措施，以滿足人身健康安全和環境保護的要求。

7 結語

本工程屬于長距離小斷面引水隧洞，在施工作業時，面對洞內的空氣輸送，不斷的優化通風方案，采取有效的處理措施，在洞內外布設風機，洞內通過距離不斷串聯接力風機，為施工提供有利條件，也為施工作業提供了人身健康安全和環境保護，達到了安全可靠、經濟最優的目的，對于類似工程具有參考意義。