中東抽水蓄能K項目尾調通氣洞施工通風的分析與探討

趙 維 剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中東抽水蓄能K項目由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、尾水系統、下水庫、地面開關站及進場道路組成。其中進廠交通洞長度約1 003 m，呈城門洞型和馬蹄型斷面。根據不同的圍巖條件，開挖斷面從6.2 m×7.45 m到11.288 m×8.95 m(寬×高)，洞內縱坡坡比為-10%，最大轉彎半徑為628 m，轉彎角度為16.84°。

尾調通氣洞連接進廠交通洞與尾水調壓室，樁號為ATL0+000～0+523.27，高程為-229.54～-176.5 m，洞內縱坡坡比為-10.5%。進口位于進廠交通洞樁號AC0+476.457處，與進廠交通洞軸線呈120°夾角，隧洞斷面呈馬蹄形，結構尺寸為6 m×(6.28～6.45)m，最大開挖面積為36.4 m2，隧洞直徑為3.4 m。

尾調通氣洞縱斷面見圖1，尾調通氣洞開挖典型斷面見圖2。

2 通風的目的

在隧洞施工過程中，不可避免地會產生一些有害氣體并排放到隧洞空氣中，造成對隧洞空氣的污染，嚴重地損害隧洞內作業人員的身心健康。這些有害氣體主要包括一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫和瓦斯等，其主要來源包括人員呼吸、放炮作業、內燃設備的尾氣、洞內火災、瓦斯爆炸、有機物氧化和焊接等。

因此，需要采用有效的施工通風措施以降低洞內空氣中有害氣體的濃度，保證施工人員正常呼吸及施工機械的有效運轉和施工安全，保持施工進度、文明施工和員工的身體健康，為洞室開挖及支護施工提供一個安全良好的施工環境。

3 施工通風的計算及布置

圖1 中東抽水蓄能K項目尾調通氣洞縱剖面圖

單位：cm圖2 中東抽水蓄能K項目尾調通氣洞開挖典型斷面圖

(1)通風標準。

按照《中東一般隧洞施工技術要求》54.06.02款中的規定及中東標準5567的要求，隧洞洞室斷面面積小于100 m2的隧洞洞內的最低風速為0.5 m/s，洞內每人的供風量為不小于5.6 m3/min，柴油設備供風量不少于3.8 m3/kW。

關于洞內有害氣體濃度，中東標準5567有以下規定的限值：二氧化碳(CO2)，隧洞中空氣的5 000 ppm(0.5%)；一氧化碳(CO)，隧洞中空氣的30 ppm(0.003%)；二氧化氮(NO2)，隧洞中空氣的3 ppm(0.000 3%)；硫化氫(H2S)，隧洞中空氣的10 ppm(0.001%)；甲烷，隧洞開挖面的1.5%。

而對于影響作業環境的相關因素和衛生標準，在我國《工業企業設計衛生標準》(GBZ 1-2010)《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分：化學因素》(GBZ 2.1-2007)和《工作場所有害因素職業接觸限值 第2部分：物理因素》(GBZ 2.2-2007)中，對與隧洞施工作業環境有關、常見的幾種化學物質(有害氣體)容許濃度及粉塵容許濃度都有明確的規定，其主要內容見表1。

中東標準5567中有害氣體的濃度與我國規范中的相關規定對比情況見表1，隧洞內風速標準、設備及人員需風量標準對比情況見表2。

表1 隧洞工作場所空氣中化學物質容許濃度對比表

表2 隧洞內風速標準、設備及人員需風量標準對比表

(2)通風規劃。

依據經監理工程師審核的開挖及支護施工方案，尾調通氣洞的開挖及支護由進廠交通洞向尾水調壓室單向獨頭掘進，施工通風方式選擇壓入式通風，利用設置在洞外的通風機械通過通風管道將新鮮空氣送至工作面，供給洞內足夠的新鮮空氣。

根據施工方案中的人力資源、設備配置、爆破設計等計算施工現場的通風量及風速，除必須滿足施工人員正常呼吸、稀釋機械廢氣濃度、降低有害氣體的濃度及降溫等的最小通風量外，還需滿足洞內的最小風速，以保持洞內空氣的新鮮程度。

施工通風采用正壓軸流風機供風、柔性連續風筒送風。風機架設在進廠交通洞外約30 m，風筒出風口距掌子面約20 m，風筒通過鋼絲懸吊在隧洞拱頂位置。

(3)通風風量。

通過對滿足施工人員正常呼吸、排除爆破及機械廢氣、降低有害氣體濃度等的最大通風量，以及滿足洞室最小風速且不超過最大容許風速進行施工所需通風量的分別計算，確定最大的需風量。

①施工人員正常呼吸所需風量計算公式：

Q1=m×q1×k

式中Q1為隧洞內作業人員呼吸所需的總風量(m3/min)；m為工作人數；q1為每個人需要的通風量，取5.6 m3/min；k為通風備用系數，取1.1～1.25。

根據尾調通氣洞開挖支護施工方案，施工作業面高峰期的人員總數為31人，按照中東標準5567的要求，以每人5.6 m3/min新鮮空氣需要量進行計算，施工人員所需風量計算如下：

Q1=m×q1×k

=30×5.6×1.25=217(m3/min)

②計算爆破排煙需風量。

尾調通氣洞爆破開挖施工過程中的主要爆破參數見表3。

表3 尾調通氣洞爆破參數表(進尺3 m)

考慮到中東規范5567要求達到的CO濃度為30 ppm，即0.003%，遂選擇采用沃洛寧公式計算壓入式通風方式下排除炮煙的需風量，其計算公式為：

式中Q2為爆破排煙工作面需風量(m3/min)；t為通風時間。依國際隧協規定，取15 min；G為同時爆破的炸藥量，依據爆破設計，取118.5 kg；b為每千克炸藥爆炸時產生的CO(L/kg)，一般取b=40 L/kg，遇到煤層時取b=100 L/kg；L0為通風長度；A為隧洞開挖斷面積，依據設計圖計算為42 m2；Pq為通風區段內通風管始末端風量之比；Ca為要求達到的CO濃度(%)，取值為0.003%。

a.通風長度的確定。

當隧洞長度較短、小于排煙安全距離時，隧洞長度即為通風長度；當隧洞長度較長、大于排煙安全距離時，則取排煙安全距離作為通風長度(排煙安全距離指炮煙從工作面向外排除過程中濃度不斷降低、隧洞斷面上的炮煙平均濃度已降到平均濃度時該斷面到掘進工作面的距離)。

排煙安全距離的計算公式根據沃洛寧公式推導得到，即：

Ls=0.1×G×b/(Ca×A)

=0.1×118.5×40/(0.003×36.4)

=4 340.66(m)

尾調通氣洞長度為523.7 m，小于排煙安全距離，故通風長度L0取523.7 m。

b.通風區段內通風管始末端風量之比Pq的計算。

尾調通氣洞用于連通進廠交通洞及尾水調壓室，開挖及支護施工時，供風風機架設在進場交通洞外，通風風管經進廠交通洞轉入尾調通氣洞，風管的長度應為尾調通氣洞與相應進廠交通洞段及洞外安全距離的總和，計算通風管漏風量時應予以考慮，以便于計算通風管始末端風量之比。

Pq= 1/(1-L/100×P100)

=1/(1-1 059.73/100×2% )=1.27

式中Pq為通風區段內通風管始末端風量之比；P100為百米通風管漏風率，一般取2%；L為洞長或風機控制長度，取值1 059.73 m(尾調通氣洞長523.27 m，進廠交通洞段長476.46 m，風機離開洞口的安全距離為約10倍隧洞直徑，即60 m)。

c.排除炮煙的需風量計算。

=2 155.69(m3/min)

按允許最低風速計算風量：

Q3=60vA

式中Q3為最小風速通風量(m3/min)；v為洞室中要求的最小風速(m/s)。

按照中東隧洞開挖指導準則要求，隧洞中的最低風速按0.5 m/s、隧洞最大開挖斷面積按36.4 m2進行計算，所需風量如下：

Q3=60×v×A=60×0.5×36.4

=1 092(m3/min)

d.按稀釋和排出內燃機廢氣計算風量。

稀釋內燃設備廢氣所需的總風量為:

Q4=W×q2

式中Q4為稀釋內燃設備排放廢氣隧洞內所需要的總風量(m3/min)；W為洞內同時作業的內燃設備的總額定功率(kW)；q2為內然設備每千瓦需要的通風量，按國際隧協規定，柴油機械按額定功率計算的最小供風量為4 m3/(min·kW)。

根據不同工況計算洞內機械設備的用風量，根據施工方案，鉆孔采用兩臂鉆，清渣采用液壓反鏟挖掘機，出渣采用裝載機裝車、自卸汽車運輸，支護采用濕噴臺車、錨桿臺車施工(表4)。

表4 不同工況下洞內施工設備表

在出渣工況下，隧洞內同時工作的內燃設備總額定功率最大，因此計算內燃設備用風量時考慮的洞內設備組合為裝載機裝卸、自卸汽車運輸。由于棄渣運輸距離較短、裝載機裝車效率高、出渣時洞內實際同時作業的內燃設備應為裝載機1臺、自卸汽車1臺，考慮裝載機全部時間在洞內作業的設備額定總功率計算如下：

W=163+235=393(kW)

稀釋上述設備組合內燃機廢氣所需的總風量為：

Q4=W×q2=393×4=1 716.25 (m3/min)

e.風機工作點風量的計算。

Q0=Pq×Q

式中Q0為風機工作點風量，m3/min；Q為以各種條件計算的洞內所需最大通風量，m3/min；Pq為通風區段內通風管始末端風量之比。

根據以上計算，可以確定洞內通風所需的最大風量為爆破排煙所需的風量(2 155.69 m3/min)，通風區段內通風管始末端風量之比為1.27，則風機工作點風量的計算如下：

Q0=Pq×Q

=1.27×2 155.69=2 737.72 (m3/min)

洞室需風量計算結果見表5，鉆孔、爆破排煙、出渣、支護等階段的最大需風量見表6。

表5 洞室需風量計算結果一覽表

表6 鉆孔、爆破排煙、出渣、支護等階段最大需風量表

(4)通風風壓。

根據通風量計算風阻及通風機的工作全風壓，計算結果見表3～5。

①通風風壓計算公式。

計算通風管通風阻力：

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

式中h1為通風管通風阻力，Pa；Rf為通風管摩擦阻力，Rf=6.5×α×L/d5；Rj為通風管局部阻力，Rj=ζ×1/d4；d為通風管直徑，取值1.5 m；α為通風管摩擦阻力系數(N·s2/m4)，取值為0.003 04；ζ為通風管局部阻力系數；L為洞長或風機控制長度，取值1 059.73 m。

a.通風管局部阻力系數的計算。

彎道局部阻力系數按照ξ=0.008×a0.75/n0.8進行計算，式中ξ為彎道局部阻力系數；a為轉彎角度；n=R/d，R為隧洞轉彎半徑，d為通風管直徑。

通風管的彎道局部阻力計算結果見表7。

在隧洞施工通風中常用的局部阻力系數取以下值。管道入口，ξ=0.6；管道出口，ξ=1。

尾調通氣洞通風管局部阻力系數的計算：ξ=0.6+0+0.05+0.02+0.01+0.03+1=1.72。

b.計算通風管的摩擦阻力。

Rf=6.5×α×L/d5

=6.5×0.003 04×1 059.73/1.55

=2.76(kg/m7)

c.計算通風管的局部阻力。

表7 尾調通氣洞通風管彎道局部阻力系數表

Rj=ζ×1/d4=1.72×1/1.54=0.34(Pa)

d.計算通風管的通風阻力。

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

=(2.76+0.34)×2 737.73×2 155.69/3 600

=5 075.82(Pa)

②由于通風機的全風壓等于總的通風阻力，因此通風機工作的全風壓為：

h全=h1+h0

a.計算通風管出口風阻。

h0=ζ×Q2/d4

=1.72×2 155.692/1.54=437.16(Pa)

b.計算通風機工作的全風壓。

h全=h1+h0

=5 075.82+437.16=5 512.98(Pa)

風機工作風壓的計算成果見表8。

表8 風機工作風壓計算成果一覽表

(5)通風機械設備的選擇。

根據最大需風量及風機工作全風壓選擇適配的正壓軸流式局部通風機及配套的柔性連續風筒，推薦采用的通風機械設備及配套的風筒的型號、數量見表9。

表9 風機及風筒配置表

4 施工通風的管理

目前，在進廠交通洞洞口布置了一臺正壓軸流風機SFD-Ⅲ-NO11并配備了φ1.5 m的柔性風筒，用于尾調通氣洞的施工通風，并在施工過程中加強了對施工通風的管理，采用風速測速儀4 h監測一次，風筒出風口處的風力滿足設計要求。

根據項目實際情況，筆者認為：在施工過程中應加強以下幾項工作：

(1)加強環境保護意識，重視通風工作，成立專業的通風隊伍，負責通風機、通風管的安裝、維護以及通風方式的變換，承擔通風效果的責任。

(2)加強對有害氣體濃度、放射性物質的監測，根據濃度調整風量，合理供風。

(3)風機應由專業人員管理，及時了解風機的工作壓力，以免造成風阻過載而燒毀電機。

5 結 語

通過學習和參考隧洞施工通風方面的專業資料，結合中東抽水蓄能K項目現場實際情況，筆者僅以尾調通氣洞作為計算對象，通過對隧洞開挖及支護施工過程中對隧洞環境的污染源分析，從滿足作業人員呼吸需風量、爆破排煙需風量、按允許最低風速計算風量、按稀釋和排出內燃機廢氣計算供風量等四個角度計算了在隧洞獨頭施工中采用通風管路將新鮮空氣送到施工作業面、排出有害氣體和粉塵、創造必要的施工作業環境所需的最大供風量、風機工作風壓、通風管路直徑等參數，對尾調通氣洞的施工通風進行了分析和探討，以提高對隧洞施工通風計算的認識，所取得的經驗可供類似工程參考。