大直徑長距離盾構隧道施工通風方案探討

謝 智，劉 露

(1.中交第三航務工程局有限公司廈門分公司,福建廈門 361000；2.中交二航局成都城市建設工程有限公司，四川成都 610200)

隨著城市軌道交通的快速發展，深埋長距離大直徑盾構掘進往往成為最經濟、安全的施工工藝。由于獨頭盾構掘進受到地溫影響，且盾構法施工設備多、散熱大，因此，施工需要的風量大。辛德林等[1]以新街一井緩坡斜井盾構法施工為工程背景，研究得出了長距離緩坡斜井盾構法施工不同風筒長度的風量及負壓變化規律，滿足煤炭行業對掘進工作面瓦斯、有毒有害氣體、設備散熱及排氣、人員需風量、適宜風速等多方面的要求。王海濱[2]用盾構隧道段壓入式雙風機雙風筒送風，取得了良好通風效果，大幅度提高了隧道內的通風系統工作能力，將隧道內有害氣體濃度降低至規范要求以下。劉春等[3]為優化超大斷面瓦斯隧道掌子面的風筒布置，改善掌子面通風狀況。利用FLUENT軟件建立流體力學分析模型，研究了壓入式通風下超大斷面隧道瓦斯濃度和風速的變化規律以及風筒位置對隧道沿程風流流場及瓦斯濃度的影響情況，最終確定了風筒最佳的安裝位置。任銳等[4]通過室內試驗與數值模擬手段相結合的方法，對拱形截面風道90°彎折處，在設置不同彎曲半徑與導流板數目條件下的風速場分布規律以及局部阻力系數進行分析，以提出合適的彎折處減阻方案。張雄[5]為研究該長大區間中間風井最佳通風方案，采用SES軟件建立全線數值計算模型，分析對比不同中間風井活塞通風模式下，該區間隧道的新風量、溫度、初投資和牽引能耗費用等，得到中間風井最佳通風方案。

目前，我國在富水砂層單線長距離大直徑隧道施工通風方面經驗不足。本文將從通風方式、通風量計算、風壓計算等方面對隧道掘進和內部結構同步施工的長距離大直徑盾構通風進行探討。

1 工程概況

福州濱海快線濱海新城站—中間風井區間采用泥水盾構進行施工，單線盾構總長4 000 m，內直徑8.6 m，開挖面積58 m2。線路縱斷面為W型坡，最大縱坡25 ‰。通過研究，通風方式采用基于沖淡通風理論的長單風筒獨頭機械壓入式通風。根據測試結果及GB 50307-2012《城市軌道交通巖土工程勘察規范》條文說明，CH4的含量為0.10 %～0.95 %小于1.5 %；O2含量20.13 %～20.90 %>18.0 %，施工過程切割微量有機質的淤泥質土、粉質黏土、淤泥質土、粉質黏土產生的有害氣體量在規范允許的范圍內，不排除測量鉆孔處存在產生有害氣體量超過規范允許值現象。

2 風量計算

2.1 作業人員呼吸需風量

隧道施工中作業人員需風量的計算公式為(表1)[6]：

表1 盾構施工不同風筒長度風機供風量

Q=qmk

(1)

式中：q為單人呼吸所需風量，在GB 50446-2017《盾構法隧道施工與驗收規范》要求q≥3 m3/(min·人)，本工程取q=4 m3/(min·人)；k為風量備用系數，取k=1.15；m為隧道內最大作業人數，本工程取25人。

2.2 按稀釋有害氣體濃度計算風量

有害氣體需風量是通過單位面積圍巖中泄露的瓦斯量進行計算，計算公式如下：

(2)

式中：qCH4表示工作面瓦斯涌出量(m3/min)；Ca表示工作面允許的瓦斯濃度，0.75 %；C0表示送人風流中瓦斯的濃度，0；K表示瓦斯涌出的不均衡系數，K=1.5。本工程中，采用泥水平衡盾構機掘進，管片與盾構形成密封系統，只有泥漿管道的瓦斯可能存在持續泄露。假定每1 h泄露的瓦斯體積為管路過流氣體體積的1 %，另外壓力由0.9 MPa減小至0.1 MPa，且溫度不變，由理想氣體狀態方程可知，其體積擴大9倍。

2.3 最低允許風速需風量

隧道內最低允許風速需風量的計算公式[6]：

Q=60νA

(3)

式中：A為過風斷面的斷面積(m2)；ν為過風斷面內最低風速，GB 50446-2017《盾構法隧道施工與驗收規范》規定：隧道內防止瓦斯積聚的最小風速不得小于0.25 m/s。本工程取0.25 m/s。

由式(1)～式(3)最大值Qmax=870.88m3/min

2.4 漏風計算

隧道漏風計算一般采用青函隧道公式，公式如下：

(4)

(5)

式中：PL為風管漏風系數；P100表示風管平均百米漏風率，0.5 %；L為管路長度m.Qf表示風機供風量(m3/min);Q表示管路末端風量(m3/min)，取870.88 m3/min。

3 風壓計算

通風阻力是選擇風機的主要依據，包括摩擦阻力和局部阻力。

3.1 摩擦阻力

管路的摩擦阻力是風流與通風管周壁摩擦以及分子間的擾動和摩擦而產生的能量消耗。當通風管漏風時，摩擦阻力計算公式如下(表2)[7]：

表2 盾構施工不同風筒長度摩擦阻力

(1-P100Li/100)-1Qf2=RfQf2

(6)

式中：λ是管路摩擦系數,以直徑1.5 m的PVC拉鏈式軟風管為例取0.015；L表示風管長度(m);d表示風管當量直徑(m)；ρ表示空氣密度(1.2 kg/m3)；P100表示風管平均百米漏風率；Qf表示風機供風量(m3/s)。Rf表示摩擦風阻(kg/m7)。

3.2 局部壓力

風流流經突然擴大或縮小、轉彎交叉等的管路時，會產生能量消耗，其計算公式如下(圖1)[7]：

圖1 d=1.5 m風管在不同長度下的風阻特性曲線

(6)

式中:hx表示管路的局部阻力Pa；ξ是局部阻力系數；ρ表示空氣密度(kg/m3)；Q表示流經管路處的風量(m3/s)；A表示管路斷面面積(m2)。在隧道入口處，豎直的風管經90°彎管連接水平風管，風流在流經此處時會發生能量消耗，因此要計算彎管處和風管出入口處的局部阻力，綜合取ξ=1.5。

4 結論

綜上計算分析所得；當通風距離一定時，風管阻力隨風速增大而增大；當風速一定時，風管阻力隨通風距離增大而增大。通過計算得知，當通風距離為4 000 m時，風壓為6 584 Pa，可滿足隧道施工安全。通過本文的研究，為盾構掘進和內部同步施工的情況下隧道通風提供了計算參考。