隧道群施工通風計算與設備選型

景 通，齊雙全，何慧慧

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著水電市場開發向西部偏遠地區的轉移，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，水電站場內道路的設計多采用“隧道+明線”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。而隧道群的出現給隧道施工的總體方案、通風排煙、除塵降塵等帶來了較大的難度。本文結合拉哇水電站籌建期右岸交通工程隧道群施工，對隧道群施工過程中的通風方式及通風計算、設備選型及改善施工通風措施進行了總結。

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境內，右岸位于西藏昌都自治州芒康縣竹巴籠鄉境內，是金沙江上游13級開發方案中的第8級。電站屬一等大(1)型工程，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，引水發電系統、溢洪洞、泄洪放空洞、導流洞均布置在右岸，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道路作為主線道路，根據需要在主線設置支線道路形成電站施工或后期運營的右岸交通道路。具體的布置為：②道路隧道起點接場內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樁號開始分別向上、下游方向引出④道路隧道和道路隧道，分別為右岸底線道路和去棄渣場道路；從②道路隧道K2+430樁號開始向上游方向引出⑧道路隧道，為去泄洪、放空洞進口道路。

2 施工通風方式的選擇

在隧道施工中，不可避免地會產生一些有害物質，并排放到隧道空氣中，造成隧道空氣的污染，嚴重地損害隧道內作業人員的身心健康。因此隧道施工過程中必須進行施工通風，將受污染的空氣快速排出隧道，使隧道內空氣質量控制在規范要求的范圍內。隧道施工通風方式分為自然通風和機械通風，而隧道施工獨頭掘進長度超過150 m時，必須采用機械通風。機械通風方式主要有壓入式、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方式，設備主要采用軸流風機，輔以射流風機加強洞內空氣流通。

3 隧道施工通風量計算與設備選型

隧道施工通風量應根據洞內同時作業的人數、同一時間爆破的炸藥量、洞內使用內燃機械、按隧道內允許最小風速分別進行需風量計算，取其中的最大值作為施工所用通風量，同時應以允許最大風速進行驗證。

3.1 風量計算主要參數

隧道施工通風應能提供洞內各項作業所需要的最小風量，按以下參數控制。

(1)每人應供給新鮮空氣3.0 m3/min，高原區按4.0 m3/min計；

(2)采用內燃機械作業時，供風量不宜小于4.5 m3/(min·KW)；

(3)全斷面開挖時風速不應小于0.15 m/s，但不應大于6 m/s；

(4)通風管每100 m平均漏風率不得大于2%。

3.2 高原修正系數Kγ的確定

根據氣體狀態方程求得空氣重率與海拔的關系如下。

(1)

(2)

式中：Kγ—高原修正系數；Z—計算位置的海拔高度(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計算，則Kγ=0.77。

3.3 需風量計算

根據總體施工方案，施工時隧道全斷面開挖面積為64.6 m2，同一時間爆破的炸藥量為200 kg，洞內同時作業最多人數60人。

(1)按洞內同時作業最多人數計算需風量

Q1=4×k×m=4×1.5×60=360 m3/min

(3)

式中：Q1—施工人員需風量(m3/min)；m—洞內同時作業最多人數，按60人計算；k—風量備用系數，取1.5。

(2)按同一時間爆破的炸藥量計算需風量

目前在施工通風計算中使用最多的公式為

(4)

(5)

式中：Q2—同一時間爆破炸藥的需風量(m3/min)；t—通風時間(min)，按30 min計算；G—同一時間爆破的炸藥量(kg)，取200 kg；A—隧道開挖的斷面積(m2)，取64.6 m2；L0—通風長度(m)。

將數據代入公式(4)和公式(5)得

Q2=399.8 m3/min

(3)按洞內使用內燃機械計算需風量

根據公路隧道施工規范，稀釋內燃設備廢氣所需的總風量為

Q3=4.5 N

(6)

式中：Q3—稀釋內燃設備廢氣所需的總風量(m3/min)；N—洞內同時作業內燃設備的實際使用總功率(KW)。

內燃設備實際使用功率采用以下公式計算

N=∑i=1K1ik2iNi

(7)

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

為了方便起見，建議各種設備的利用率和負荷率取值如下：對于裝渣設備，K1i=0.7～0.85，K2i=0.8～0.9，這里取K1i=0.8，K2i=0.85；對于運輸設備，K1i=0.5～0.75，K2i=0.75～0.85，這里取K1i=0.65，K2i=0.8。

隧道施工過程中，同時作業的內燃設備有2臺15 t自卸汽車和1臺臨工L955F側卸式裝載機，自卸汽車和側卸式裝載機額定功率分別為235 KW和162 KW。

將數據代入公式(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)按隧道內允許最小風速計算需風量

Q4=0.15×64.6×60=581.4 m3/min

(8)

式中：Q4—隧道內允許最小風速所需風量(m3/min)；Vmin—隧道內允許最小風速(m/s)，取Vmin=0.15 m/s；A—隧道開挖的斷面積(m2)，取64.6 m2。

因此，設計所需風量為

Qmax=max(Q1、Q2、Q3、Q4)=1 595.5 m3/min

(5)設計需風量修正

設計需風量修正采用以下公式

(9)

式中：Qmax—設計所需風量(m3/min)；Kr—高原修正系數，取0.77；Q—修正后的設計所需風量(m3/min)。

將數據代入公式(8)得Q=1 818.3 m3/min

(6)最大風速校核

隧道內最大風速Vmax=0.47 m/s

(10)

式中：Vmax—隧道內允許最大風速(m/s)；Q—隧道內施工所需風量(m3/min)；A—隧道開挖的斷面積(m2)，取64.6 m2。

Vmax<6 m/s，滿足《公路隧道施工技術規范JTG F60-2009》的要求。

3.4 風機供風量與風壓計算

(1)供風量計算

本工程風機供風采用PVC軟通風筒，根據風筒參數百米漏風率為1.5%，因此漏風系數和風機出口最小供風量采用以下公式計算

(11)

Q出=PQ

(12)

式中：P100—百米漏風率，取1.5%；L—通風距離(m)；P—漏風系數；Q出口—風機出口最小供風量(m3/min)；Q—設計所需風量(m3/min)。

根據施工總體方案，隧道群各個施工面的風機出口最小供風量見表1。

表1 隧道群各個施工面的風機出口最小供風量

(2)風壓計算

系統風壓由動壓、通風管路摩阻力和局部阻力三部分組成，具體采用以下公式計算

(13)

(14)

(15)

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

將數據帶入公式(13)、公式(14)和公式(15)得施工通風風壓見表2。

表2 施工通風風壓表

3.5 施工通風設備的選型與布置

在實際施工時，只有較為精確的通風計算結果，才能比較合理的選擇施工通風設備。目前，對于隧道壓入式通風，風機使用較多的是多級變速軸流通風機，這樣可以根據隧道內實際情況去控制通風風量和風壓，以達到施工過程節能目標。在進行通風風機布置時，送風式的進風管口應設在洞外，宜在洞口里程30 m以外，同時為了確保各作業面通風不受干擾，風機布置時宜采取獨立通風的布置方式。

本工程施工選擇的多級變速軸流通風機的參數和布置見表3和表4。

表3 多級變速軸流通風機的參數表

表4 隧道群施工通風設備布置表

4 改善隧道施工通風的幾點建議

(1)選配性能良好的通風設備，確保隧道施工過程通風效果，為隧道快速施工創造良好的條件。

(2)加強對通風過程中的巡視檢查，及時進行系統維護，保證作業過程中施工通風正常進行。

(3)根據現有施工條件多開設施工作業面，減小通風距離。

(4)盡量選擇節長長度大的風筒，減少風筒接頭數量，以降低接頭處的漏風量，減輕風機的供風壓力。

(5)盡可能選擇摩阻系數小的風筒，降低通風的沿程損失。

(6)及時總結施工通風過程中出現的問題和解決辦法，為施工通風過程故障解決提供依據。

(7)施工過程中加強對風筒的保護，盡量減少爆破和出渣作業對風筒的破壞。

(8)對于正向坡開挖隧道，根據需要在隧道內增設射流風機，加速隧道內污濁空氣的流動，降低壓入式通風強度。

(9)采用水幕、噴霧、灑水、給內燃機械安裝尾氣凈化設備等除塵措施，減小施工通風系統的通風壓力。

(10)引進先進的移動式除塵車，對爆破產生的粉塵就近在掌子面處理，降低隧道長距離排塵難度。