隧道群施工通風(fēng)計(jì)算與設(shè)備選型

景 通，齊雙全，何慧慧

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著水電市場(chǎng)開(kāi)發(fā)向西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的轉(zhuǎn)移，水電站的選址大多都處在高山峽谷地帶，因此受地形條件的影響，水電站場(chǎng)內(nèi)道路的設(shè)計(jì)多采用“隧道+明線(xiàn)”形式，且以隧道為主，這樣多條隧道交叉便形成了地下交通隧道群。而隧道群的出現(xiàn)給隧道施工的總體方案、通風(fēng)排煙、除塵降塵等帶來(lái)了較大的難度。本文結(jié)合拉哇水電站籌建期右岸交通工程隧道群施工，對(duì)隧道群施工過(guò)程中的通風(fēng)方式及通風(fēng)計(jì)算、設(shè)備選型及改善施工通風(fēng)措施進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程概述

拉哇水電站左岸位于四川甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)境內(nèi)，右岸位于西藏昌都自治州芒康縣竹巴籠鄉(xiāng)境內(nèi)，是金沙江上游13級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第8級(jí)。電站屬一等大(1)型工程，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，引水發(fā)電系統(tǒng)、溢洪洞、泄洪放空洞、導(dǎo)流洞均布置在右岸，整體布置比較集中。籌建期右岸交通道路工程主要由②、④、⑧、道路組成，道路處于海拔2 600～2 700 m之間，長(zhǎng)度為3 170 m、3 830 m、1 246 m、1 088 m。布置方式上選擇以②道路作為主線(xiàn)道路，根據(jù)需要在主線(xiàn)設(shè)置支線(xiàn)道路形成電站施工或后期運(yùn)營(yíng)的右岸交通道路。具體的布置為：②道路隧道起點(diǎn)接場(chǎng)內(nèi)金沙江大橋右岸橋頭，為右岸上壩道路(至右岸壩頂)；從②道路隧道K0+200樁號(hào)開(kāi)始分別向上、下游方向引出④道路隧道和道路隧道，分別為右岸底線(xiàn)道路和去棄渣場(chǎng)道路；從②道路隧道K2+430樁號(hào)開(kāi)始向上游方向引出⑧道路隧道，為去泄洪、放空洞進(jìn)口道路。

2 施工通風(fēng)方式的選擇

在隧道施工中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，并排放到隧道空氣中，造成隧道空氣的污染，嚴(yán)重地?fù)p害隧道內(nèi)作業(yè)人員的身心健康。因此隧道施工過(guò)程中必須進(jìn)行施工通風(fēng)，將受污染的空氣快速排出隧道，使隧道內(nèi)空氣質(zhì)量控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。隧道施工通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)，而隧道施工獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)150 m時(shí)，必須采用機(jī)械通風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)方式主要有壓入式、抽出式及混合式三種。在本工程施工中，隧道施工主要采用壓入式通風(fēng)方式，設(shè)備主要采用軸流風(fēng)機(jī)，輔以射流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)洞內(nèi)空氣流通。

3 隧道施工通風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選型

隧道施工通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的人數(shù)、同一時(shí)間爆破的炸藥量、洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)械、按隧道內(nèi)允許最小風(fēng)速分別進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算，取其中的最大值作為施工所用通風(fēng)量，同時(shí)應(yīng)以允許最大風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 風(fēng)量計(jì)算主要參數(shù)

隧道施工通風(fēng)應(yīng)能提供洞內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)所需要的最小風(fēng)量，按以下參數(shù)控制。

(1)每人應(yīng)供給新鮮空氣3.0 m3/min，高原區(qū)按4.0 m3/min計(jì)；

(2)采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，供風(fēng)量不宜小于4.5 m3/(min·KW)；

(3)全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不應(yīng)小于0.15 m/s，但不應(yīng)大于6 m/s；

(4)通風(fēng)管每100 m平均漏風(fēng)率不得大于2%。

3.2 高原修正系數(shù)Kγ的確定

根據(jù)氣體狀態(tài)方程求得空氣重率與海拔的關(guān)系如下。

(1)

(2)

式中：Kγ—高原修正系數(shù)；Z—計(jì)算位置的海拔高度(m)；γz—海拔高度Z處的空氣重率；γ0—海平面處的空氣重率。

本工程海拔在2 600～2 700 m之間，按最高海拔2 700 m計(jì)算，則Kγ=0.77。

3.3 需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)總體施工方案，施工時(shí)隧道全斷面開(kāi)挖面積為64.6 m2，同一時(shí)間爆破的炸藥量為200 kg，洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)60人。

(1)按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量

Q1=4×k×m=4×1.5×60=360 m3/min

(3)

式中：Q1—施工人員需風(fēng)量(m3/min)；m—洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)，按60人計(jì)算；k—風(fēng)量備用系數(shù)，取1.5。

(2)按同一時(shí)間爆破的炸藥量計(jì)算需風(fēng)量

目前在施工通風(fēng)計(jì)算中使用最多的公式為

(4)

(5)

式中：Q2—同一時(shí)間爆破炸藥的需風(fēng)量(m3/min)；t—通風(fēng)時(shí)間(min)，按30 min計(jì)算；G—同一時(shí)間爆破的炸藥量(kg)，取200 kg；A—隧道開(kāi)挖的斷面積(m2)，取64.6 m2；L0—通風(fēng)長(zhǎng)度(m)。

將數(shù)據(jù)代入公式(4)和公式(5)得

Q2=399.8 m3/min

(3)按洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)械計(jì)算需風(fēng)量

根據(jù)公路隧道施工規(guī)范，稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量為

Q3=4.5 N

(6)

式中：Q3—稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量(m3/min)；N—洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)內(nèi)燃設(shè)備的實(shí)際使用總功率(KW)。

內(nèi)燃設(shè)備實(shí)際使用功率采用以下公式計(jì)算

N=∑i=1K1ik2iNi

(7)

式中：K1i—各種設(shè)備的負(fù)荷率；K2i—各種設(shè)備的利用率；Ni—每種設(shè)備的額定功率(KW)。

為了方便起見(jiàn)，建議各種設(shè)備的利用率和負(fù)荷率取值如下：對(duì)于裝渣設(shè)備，K1i=0.7～0.85，K2i=0.8～0.9，這里取K1i=0.8，K2i=0.85；對(duì)于運(yùn)輸設(shè)備，K1i=0.5～0.75，K2i=0.75～0.85，這里取K1i=0.65，K2i=0.8。

隧道施工過(guò)程中，同時(shí)作業(yè)的內(nèi)燃設(shè)備有2臺(tái)15 t自卸汽車(chē)和1臺(tái)臨工L955F側(cè)卸式裝載機(jī)，自卸汽車(chē)和側(cè)卸式裝載機(jī)額定功率分別為235 KW和162 KW。

將數(shù)據(jù)代入公式(6)和公式(7)得

Q3=4.5×(235×2×0.65×0.8+162×0.8×0.85)=1595.5 m3/min

(4)按隧道內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算需風(fēng)量

Q4=0.15×64.6×60=581.4 m3/min

(8)

式中：Q4—隧道內(nèi)允許最小風(fēng)速所需風(fēng)量(m3/min)；Vmin—隧道內(nèi)允許最小風(fēng)速(m/s)，取Vmin=0.15 m/s；A—隧道開(kāi)挖的斷面積(m2)，取64.6 m2。

因此，設(shè)計(jì)所需風(fēng)量為

Qmax=max(Q1、Q2、Q3、Q4)=1 595.5 m3/min

(5)設(shè)計(jì)需風(fēng)量修正

設(shè)計(jì)需風(fēng)量修正采用以下公式

(9)

式中：Qmax—設(shè)計(jì)所需風(fēng)量(m3/min)；Kr—高原修正系數(shù)，取0.77；Q—修正后的設(shè)計(jì)所需風(fēng)量(m3/min)。

將數(shù)據(jù)代入公式(8)得Q=1 818.3 m3/min

(6)最大風(fēng)速校核

隧道內(nèi)最大風(fēng)速Vmax=0.47 m/s

(10)

式中：Vmax—隧道內(nèi)允許最大風(fēng)速(m/s)；Q—隧道內(nèi)施工所需風(fēng)量(m3/min)；A—隧道開(kāi)挖的斷面積(m2)，取64.6 m2。

Vmax<6 m/s，滿(mǎn)足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范JTG F60-2009》的要求。

3.4 風(fēng)機(jī)供風(fēng)量與風(fēng)壓計(jì)算

(1)供風(fēng)量計(jì)算

本工程風(fēng)機(jī)供風(fēng)采用PVC軟通風(fēng)筒，根據(jù)風(fēng)筒參數(shù)百米漏風(fēng)率為1.5%，因此漏風(fēng)系數(shù)和風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量采用以下公式計(jì)算

(11)

Q出=PQ

(12)

式中：P100—百米漏風(fēng)率，取1.5%；L—通風(fēng)距離(m)；P—漏風(fēng)系數(shù)；Q出口—風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量(m3/min)；Q—設(shè)計(jì)所需風(fēng)量(m3/min)。

根據(jù)施工總體方案，隧道群各個(gè)施工面的風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量見(jiàn)表1。

表1 隧道群各個(gè)施工面的風(fēng)機(jī)出口最小供風(fēng)量

(2)風(fēng)壓計(jì)算

系統(tǒng)風(fēng)壓由動(dòng)壓、通風(fēng)管路摩阻力和局部阻力三部分組成，具體采用以下公式計(jì)算

(13)

(14)

(15)

式中：H動(dòng)—?jiǎng)訅?Pa)；γ密—空氣密度(kg/m3)；v—管道出口處的風(fēng)速(m/s)；h摩—通風(fēng)管路摩阻力(Pa)；α—管道摩阻系數(shù)；L—通風(fēng)距離(m)；C—風(fēng)道周邊長(zhǎng)度(m)；Q—風(fēng)流量(m3/min)；S—風(fēng)管截面積(m2)；h局—局部阻力(Pa)；δ—管道摩阻系數(shù)；g—重力加速度(m/s2)，取9.81；γ空—空氣重度(N/m3)。

將數(shù)據(jù)帶入公式(13)、公式(14)和公式(15)得施工通風(fēng)風(fēng)壓見(jiàn)表2。

表2 施工通風(fēng)風(fēng)壓表

3.5 施工通風(fēng)設(shè)備的選型與布置

在實(shí)際施工時(shí)，只有較為精確的通風(fēng)計(jì)算結(jié)果，才能比較合理的選擇施工通風(fēng)設(shè)備。目前，對(duì)于隧道壓入式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)使用較多的是多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)，這樣可以根據(jù)隧道內(nèi)實(shí)際情況去控制通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓，以達(dá)到施工過(guò)程節(jié)能目標(biāo)。在進(jìn)行通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置時(shí)，送風(fēng)式的進(jìn)風(fēng)管口應(yīng)設(shè)在洞外，宜在洞口里程30 m以外，同時(shí)為了確保各作業(yè)面通風(fēng)不受干擾，風(fēng)機(jī)布置時(shí)宜采取獨(dú)立通風(fēng)的布置方式。

本工程施工選擇的多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)的參數(shù)和布置見(jiàn)表3和表4。

表3 多級(jí)變速軸流通風(fēng)機(jī)的參數(shù)表

表4 隧道群施工通風(fēng)設(shè)備布置表

4 改善隧道施工通風(fēng)的幾點(diǎn)建議

(1)選配性能良好的通風(fēng)設(shè)備，確保隧道施工過(guò)程通風(fēng)效果，為隧道快速施工創(chuàng)造良好的條件。

(2)加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)過(guò)程中的巡視檢查，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，保證作業(yè)過(guò)程中施工通風(fēng)正常進(jìn)行。

(3)根據(jù)現(xiàn)有施工條件多開(kāi)設(shè)施工作業(yè)面，減小通風(fēng)距離。

(4)盡量選擇節(jié)長(zhǎng)長(zhǎng)度大的風(fēng)筒，減少風(fēng)筒接頭數(shù)量，以降低接頭處的漏風(fēng)量，減輕風(fēng)機(jī)的供風(fēng)壓力。

(5)盡可能選擇摩阻系數(shù)小的風(fēng)筒，降低通風(fēng)的沿程損失。

(6)及時(shí)總結(jié)施工通風(fēng)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法，為施工通風(fēng)過(guò)程故障解決提供依據(jù)。

(7)施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)風(fēng)筒的保護(hù)，盡量減少爆破和出渣作業(yè)對(duì)風(fēng)筒的破壞。

(8)對(duì)于正向坡開(kāi)挖隧道，根據(jù)需要在隧道內(nèi)增設(shè)射流風(fēng)機(jī)，加速隧道內(nèi)污濁空氣的流動(dòng)，降低壓入式通風(fēng)強(qiáng)度。

(9)采用水幕、噴霧、灑水、給內(nèi)燃機(jī)械安裝尾氣凈化設(shè)備等除塵措施，減小施工通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)壓力。

(10)引進(jìn)先進(jìn)的移動(dòng)式除塵車(chē)，對(duì)爆破產(chǎn)生的粉塵就近在掌子面處理，降低隧道長(zhǎng)距離排塵難度。