京張高鐵正盤臺(tái)隧道施工通風(fēng)方案研究

王 闖,劉石磊,邵建霖,王 磊,于晨昀

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 511458)

引言

良好的作業(yè)環(huán)境是隧道施工的根本保證，也是隧道施工中以人為本理念的重要體現(xiàn)；要?jiǎng)?chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，離不開隧道施工通風(fēng)技術(shù)，隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)是否合理、通風(fēng)效果是否理想是保障施工安全和施工人員身心健康的重要保證[1]。近年來，長大隧道數(shù)量急劇增加，施工通風(fēng)在特長隧道的施工組織設(shè)計(jì)中變得更為關(guān)鍵[2]。通過對(duì)正盤臺(tái)隧道的施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，為類似工程的施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

正盤臺(tái)隧道進(jìn)口全長12 974 m，最大埋深約635 m，進(jìn)口左線內(nèi)軌軌面高程1 047.522 m，出口左線內(nèi)軌軌面高程為1 436.742 m。本隧道為單洞雙線隧道，線間距為4.6 m。共設(shè)置4座輔助坑道，1號(hào)斜井長634 m，2號(hào)斜井長896 m，3號(hào)斜井長1 420 m，4號(hào)斜井長585 m。

正盤臺(tái)隧道位于東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)。該地區(qū)海拔高度為813～2 174 m，最大高差為1 361 m，其地貌特征是“山連山，連綿不斷，溝套溝，難以計(jì)數(shù)”。沿線晝夜溫差較大，年平均氣溫為0～20 ℃。

由于前期征地困難，地質(zhì)較勘察期間的判斷惡化顯著，地下水極為豐富，發(fā)生了數(shù)次大規(guī)模突涌等原因，工期嚴(yán)重滯后。為確保線路2019年年底開通，采用增加支洞、泄水洞、施工平導(dǎo)等措施來提高施工效率，降低突涌水淹沒隧道的風(fēng)險(xiǎn)。為此，新增平行導(dǎo)坑5 180 m、泄水橫洞1 100 m、各處支洞1 764 m，實(shí)現(xiàn)了“長隧短打”，形成了洞連洞、洞疊洞、洞穿洞的網(wǎng)絡(luò)坑道格局，使掘進(jìn)面由14個(gè)增加至38個(gè)，并實(shí)施全工序機(jī)械配套施工，形成了獨(dú)具特色的9條完整標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)線，加快了施工進(jìn)度。施工組織平面布置見圖1。

圖1 正盤臺(tái)隧道施工組織平面布置

2 通風(fēng)方式的確定

2.1 本工程坑道的設(shè)置情況

(1)1號(hào)斜井小里程方向設(shè)泄水橫洞1 100 m；

(2)在正線左側(cè)1號(hào)～3號(hào)斜井之間設(shè)貫通平導(dǎo)，長度5 180 m；

(3)3號(hào)斜井在XJ3DK0+690處設(shè)“Y”形支洞，小里程方向設(shè)3-1支洞(長度1 180 m)、3-3支洞(長度66 m)分別交正洞DK37+600、DK37+760。在XJ3DK0+663處大里程方向設(shè)3-2支洞，長度502 m，交正洞于DK38+500。

正盤臺(tái)隧道輔助坑道設(shè)置情況詳見表1。

(4)各斜井與隧道均采用斜交單聯(lián)式聯(lián)接，采用無軌運(yùn)輸雙車道襯砌斷面形式，斜井內(nèi)車輛空間具體尺寸為6 m×4 m(寬×高)。斜井凈寬7.5 m，斜井凈高6.2 m。

(5)平導(dǎo)和泄水洞采用無軌運(yùn)輸雙車道斷面形式，平導(dǎo)和泄水洞凈寬6.5 m，凈高6.5 m。

(6)在橫通道DK34+978及DK38+057附近分別設(shè)置1個(gè)通風(fēng)豎井，解決斜井2及斜井3的新風(fēng)來源問題。

2.2 通風(fēng)方式的確定

隧道施工通風(fēng)的基本方式主要有壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)及巷道式通風(fēng)[3-5]。

壓入式通風(fēng):能較快的排除工作面的污濁空氣，新鮮空氣直接被送到工作面，采用柔性風(fēng)管，且管路的延長比較容易，成本較低，拆裝簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是污濁空氣在排除過程中流經(jīng)全洞。

表1 正盤臺(tái)隧道輔助坑道設(shè)置情況

抽出式通風(fēng):能較快地將污濁空氣直接經(jīng)風(fēng)管抽出洞外，保證整條隧道的空氣清潔。但其缺點(diǎn)是采用剛性風(fēng)管，不易延長，成本較高。

混合式通風(fēng):根據(jù)具體的布置方式又分為長壓短抽和長抽短壓的方式，長壓短抽一般要配備除塵裝置，但除塵器要經(jīng)常隨風(fēng)管移動(dòng)，隧道施工中很少采用；采用長抽短壓時(shí)，污濁空氣經(jīng)隧道上部抽出洞外，新鮮空氣經(jīng)隧道下部進(jìn)入隧道。此通風(fēng)方式可使整條隧道不受煙塵污染。但其缺點(diǎn)是采用剛性風(fēng)管，不易延長，成本較高，風(fēng)機(jī)在隧道內(nèi)易形成洞內(nèi)噪聲污染。

巷道式通風(fēng):針對(duì)在長大隧道施工中開設(shè)有各種輔助坑道的情況，如平行導(dǎo)坑、斜井、豎井和鉆孔等，新風(fēng)由送風(fēng)管路直接送至掌子面，污濁空氣流向通風(fēng)豎井，經(jīng)豎井排出洞外。利用平行導(dǎo)坑等與正洞的聯(lián)通道組成風(fēng)流循環(huán)系統(tǒng)，充分利用輔助坑道進(jìn)行施工通風(fēng)，大大縮短獨(dú)頭通風(fēng)的距離，降低施工成本。

正盤臺(tái)隧道共分為6個(gè)工區(qū)，洞內(nèi)無軌運(yùn)輸。

由于部分工區(qū)需要開設(shè)的工作面較多，豎井、輔助坑道等也較多，根據(jù)開挖進(jìn)度和通風(fēng)線路的長度，需將施工通風(fēng)分為幾個(gè)階段，采取的通風(fēng)形式也有區(qū)別，按工區(qū)劃分，采用的通風(fēng)方式如下[6-10]：

(1)進(jìn)口工區(qū)，采用壓入式通風(fēng)；

(2)1號(hào)斜井工區(qū)，采用壓入式通風(fēng)；

(3)2號(hào)斜井工區(qū)，豎井貫通前，采用壓入式通風(fēng)；豎井貫通后，采用斜井立體巷道式通風(fēng)[11-15]；

(4)3號(hào)斜井工區(qū)，Y形支洞分3個(gè)支洞共計(jì)6個(gè)正洞面和1個(gè)平導(dǎo)面施工，豎井貫通前，采用壓入式通風(fēng)；豎井貫通后，采用斜井立體巷道式通風(fēng)；

(5)4號(hào)斜井工區(qū)，采用壓入式通風(fēng)；

(6)出口工區(qū)，采用壓入式通風(fēng)。

3 需風(fēng)量的確定

隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，本隧道采用鉆爆法施工，無軌運(yùn)輸，風(fēng)量應(yīng)分別按排除炮煙、洞內(nèi)最大工作人數(shù)、稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)械廢氣所需要的通風(fēng)量計(jì)算，取其中的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風(fēng)量，最后按最低風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。

本隧道進(jìn)口左線內(nèi)軌軌面高程1 047.522 m，出口左線內(nèi)軌軌面高程為1 436.742 m，還應(yīng)考慮海拔高度對(duì)通風(fēng)阻力、風(fēng)量、風(fēng)壓的影響。

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得出：正洞均按內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)需風(fēng)量為控制風(fēng)量，開挖面需風(fēng)量為1 939 m3/min；平導(dǎo)、泄水洞和斜井開挖面均按內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)需風(fēng)量為控制風(fēng)量，開挖面需風(fēng)量為1 131 m3/min。

4 復(fù)雜工區(qū)通風(fēng)方案研究

根據(jù)所需通風(fēng)量、風(fēng)管的漏風(fēng)和摩擦系數(shù)，以及最大送風(fēng)距離，計(jì)算出需要的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量和風(fēng)壓，選擇備選風(fēng)機(jī)，確定最終的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，滿足各工作面需風(fēng)量要求[16-18]。

4.1 1號(hào)斜井工區(qū)

1號(hào)斜井工區(qū)，施工通風(fēng)共分為6個(gè)階段，現(xiàn)重點(diǎn)對(duì)第三階段的方案進(jìn)行對(duì)比分析。第二階段通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖2所示，由于增加平導(dǎo)、泄水洞等，斜井內(nèi)每臺(tái)風(fēng)機(jī)均負(fù)責(zé)3個(gè)工作面的施工通風(fēng)，工作環(huán)境惡化，泄水洞貫通后，需要調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的布置，現(xiàn)提出以下3種第三階段方案。

圖2 1號(hào)斜井工區(qū)第二階段通風(fēng)系統(tǒng)布置

(1)方案1

泄水洞貫通后，采用射流巷道式通風(fēng)，新風(fēng)從泄水洞進(jìn)入，由風(fēng)機(jī)送至掌子面，污濁空氣從斜井排出，由于內(nèi)部通道較多，在斜井底部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)引流，加速污濁空氣回流。受泄水洞上方空間所限，只能布置2根φ1.6 m、1根1.2 m的風(fēng)管送風(fēng)；安裝2臺(tái)2×AVH180(2×200 kW，葉片角度+60°)型風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要負(fù)責(zé)2個(gè)工作面的施工通風(fēng)，另有一臺(tái)SDF(p)-No16型風(fēng)機(jī)送風(fēng)。在風(fēng)機(jī)出口處需要設(shè)置隔風(fēng)板，通風(fēng)系統(tǒng)布置示意如圖3所示。

圖3 1號(hào)斜井工區(qū)第三階段通風(fēng)系統(tǒng)布置(方案1)

優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)機(jī)設(shè)置較少，通風(fēng)管路較短，投資較少；泄水洞內(nèi)無運(yùn)渣車輛出入，空氣較好。

缺點(diǎn)：1臺(tái)風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)2個(gè)工作面，各工作面風(fēng)量不穩(wěn)定，工作區(qū)環(huán)境一般；泄水洞一直有水，風(fēng)機(jī)運(yùn)行不安全，且不利于風(fēng)機(jī)檢修和電纜維護(hù)，且風(fēng)機(jī)出口需設(shè)置隔風(fēng)板，不利于排水。

(2)方案2

泄水洞貫通后，斜井口設(shè)置1臺(tái)2×AVH180 (2×200 kW，葉片角度+60°)型風(fēng)機(jī)、φ1.6 m的風(fēng)管送風(fēng)，1臺(tái)SDF(p)-No16型風(fēng)機(jī)、φ1.2 m的風(fēng)管送風(fēng)。在泄水洞口設(shè)置1臺(tái)2×AVH180 (2×200 kW，葉片角度+60°)型風(fēng)機(jī)、直徑1.6 m的風(fēng)管送風(fēng)，2臺(tái)SDF(p)-No16型風(fēng)機(jī)、直徑1.2 m 的風(fēng)管送風(fēng)，在斜井底部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)引流，加速污濁空氣回流。通風(fēng)系統(tǒng)布置示意如圖4所示。

圖4 1號(hào)斜井工區(qū)第三階段通風(fēng)系統(tǒng)布置(方案2)

優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)工作面均有1臺(tái)單獨(dú)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)，各工作面風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)量稍多，工作區(qū)環(huán)境較好；風(fēng)機(jī)使用壽命長，檢修維護(hù)方便；泄水洞內(nèi)無運(yùn)渣車輛出入，空氣較好。

缺點(diǎn)：風(fēng)機(jī)設(shè)置較多，通風(fēng)管路較長，投資稍多。

(3)方案3

相對(duì)于方案2，修改射流風(fēng)機(jī)的設(shè)置位置，在泄水洞底部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)引流，加速污濁空氣回流。通風(fēng)系統(tǒng)布置示意如圖5所示。

優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)工作面均有1臺(tái)單獨(dú)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)，各工作面風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)量稍多，工作區(qū)環(huán)境較好；泄水洞無車輛進(jìn)出，射流風(fēng)機(jī)設(shè)置較容易；污濁空氣由泄水洞排出，斜井內(nèi)空氣較好，泄水洞截面積相對(duì)斜井較大，利于排風(fēng)。

缺點(diǎn)：泄水洞一直有水，風(fēng)機(jī)運(yùn)行不安全，且不利于風(fēng)機(jī)檢修和電纜維護(hù)；風(fēng)機(jī)設(shè)置較多，通風(fēng)管路較長，投資稍多。

圖5 1號(hào)斜井工區(qū)第三階段通風(fēng)系統(tǒng)布置(方案3)

對(duì)比以上3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案3中掌子面工作區(qū)及斜井內(nèi)空氣質(zhì)量最好，但泄水洞內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不安全，投資稍高；方案1投資最省，但工作區(qū)空氣質(zhì)量一般，且隨著工作面的推進(jìn)，風(fēng)管加長后工作區(qū)環(huán)境將進(jìn)一步惡化；方案2掌子面工作區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量較好，風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全，投資稍高。綜合考慮，工作環(huán)境空氣質(zhì)量嚴(yán)重影響工作人員的身心健康，施工安全重于泰山，推薦采用方案2。

4.2 2號(hào)斜井工區(qū)

2號(hào)斜井工區(qū)，施工通風(fēng)共分為6個(gè)階段，現(xiàn)重點(diǎn)對(duì)第4階段的方案進(jìn)行對(duì)比分析。

第3階段通風(fēng)系統(tǒng)布置見圖6，由于增加平導(dǎo)、橫通道等，斜井內(nèi)每臺(tái)風(fēng)機(jī)均負(fù)責(zé)2個(gè)工作面的施工通風(fēng)，且需要繼續(xù)增加橫通道及工作面，工作環(huán)境將不斷惡化，通風(fēng)豎井貫通后，需要調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的布置，現(xiàn)提出以下兩種第4階段方案。

圖6 2號(hào)斜井工區(qū)第三階段通風(fēng)系統(tǒng)布置

(1)方案1

通風(fēng)豎井貫通后，采用射流巷道式通風(fēng)，新風(fēng)從2號(hào)斜井進(jìn)入，由風(fēng)機(jī)送至掌子面，污濁空氣從豎井排出，由于內(nèi)部通道較多，在2號(hào)橫通道設(shè)置射流風(fēng)機(jī)引流，加速污濁空氣回流。受斜井上方空間所限，只能布置2根φ1.6 m的風(fēng)管送風(fēng)，在2號(hào)斜井外安裝2臺(tái)2×AVH180 (2×200 kW，葉片角度+60°)型風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要負(fù)責(zé)多個(gè)工作面的施工通風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)布置示意見圖7。

圖7 2號(hào)斜井工區(qū)第四階段通風(fēng)系統(tǒng)布置(方案一)

優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)機(jī)設(shè)置較少，投資稍低；斜井內(nèi)空氣較好。

缺點(diǎn)：1臺(tái)風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)多個(gè)工作面，各工作面風(fēng)量不穩(wěn)定，工作區(qū)環(huán)境較差；根據(jù)隧道施工組織平面布置可知，本工區(qū)負(fù)責(zé)的工作面較多、隧道長度較長，隨著通風(fēng)管路的加長，工作區(qū)環(huán)境會(huì)不斷惡化。

(2)方案2

通風(fēng)豎井貫通后，采用斜井立體巷道式通風(fēng)。ZD2-1和ZD2-2正洞工作面維持上階段原有的通風(fēng)系統(tǒng)，改用2×AVH-160(2×200kW，葉片角度+60°)型風(fēng)機(jī)；豎井內(nèi)設(shè)置2臺(tái)SDF(p)-No11.5型風(fēng)機(jī)，匹配φ1.2、1.6 m風(fēng)管為3個(gè)平導(dǎo)工作面送風(fēng)，排風(fēng)通過斜井排出，射流風(fēng)機(jī)位置不變，通風(fēng)系統(tǒng)布置示意見圖8。

圖8 2號(hào)斜井工區(qū)第四階段通風(fēng)系統(tǒng)布置(方案2)

優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)工作面盡量有1臺(tái)單獨(dú)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)，后期隨著PD2-2、PD2-3平導(dǎo)工作面的延長，分別用1臺(tái)單獨(dú)的風(fēng)機(jī)送風(fēng)，各工作面風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)量稍多，工作區(qū)環(huán)境較好。

缺點(diǎn)：風(fēng)機(jī)設(shè)置較多，投資稍多。

對(duì)比以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案1投資較省，但工作區(qū)空氣質(zhì)量較差，且隨著工作面的推進(jìn)，風(fēng)管加長后工作區(qū)環(huán)境將進(jìn)一步惡化；方案2掌子面工作區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量較好，后期空氣質(zhì)量穩(wěn)定，投資稍高。綜合考慮，工作環(huán)境空氣質(zhì)量嚴(yán)重影響工作人員的身心健康，推薦采用方案2。

4.3 3號(hào)斜井工區(qū)

3號(hào)斜井工區(qū)，施工通風(fēng)共分為5個(gè)階段，新增平導(dǎo)、支洞、豎井后，施工通風(fēng)方案也需調(diào)整，經(jīng)研究對(duì)比后，最終采用系統(tǒng)布置示意見圖9。

圖9 3號(hào)斜井工區(qū)第五階段通風(fēng)系統(tǒng)布置

5 結(jié)論及建議

近年來，隨著新建鐵路長大隧道數(shù)量急劇增加，所在地水文地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，在有限的施工工期內(nèi)，需要設(shè)置輔助坑道，增加施工工作面，不斷調(diào)整施工組織方案。結(jié)合正盤臺(tái)隧道施工通風(fēng)方案研究及現(xiàn)場(chǎng)施工組織配合，結(jié)論及建議如下。

(1)各單位需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，協(xié)調(diào)施工通風(fēng)系統(tǒng)，制定出合理的施工組織設(shè)計(jì)和通風(fēng)方案。

(2)在施工組織調(diào)整時(shí)，需及時(shí)調(diào)整施工通風(fēng)方案。

(3)斜井布置通風(fēng)管路系統(tǒng)有限，在工作面較多時(shí)，需要合理利用現(xiàn)有輔助坑道或設(shè)置通風(fēng)豎井等。

(4)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)在于為工作面提供良好的工作環(huán)境。

(5)在隧道及輔助坑道內(nèi)有大量水存在時(shí)，還應(yīng)重點(diǎn)考慮現(xiàn)場(chǎng)安全。