長距離輸水隧洞施工期通風設計與管理

李 佳，謝必承，呂虎波，劉 振，林一庚

（1.浙江省隧道工程集團有限公司，浙江杭州310030；2.福州水務平潭引水開發有限公司，福建福州350001；3.福州城建設計研究院有限公司，福建福州350001）

0 引言

為了緩解城市用水困難，我國開始大量修建輸水隧洞，將大型湖泊水源供給城市使用。輸水隧洞工程一般深埋大、距離長和斷面小，建設周期長。

輸水隧洞施工期通風是保障施工人員安全和確保工程順利進行的重要環節。對于長距離輸水隧洞，為保證洞內良好的通風效果，確保各項有害氣體的濃度均能達到國家衛生標準，必須對施工期通風設計、監測與管理進行優化。

1 工程概況

福建省平潭及閩江口水資源配置工程是一項跨區域的重大水利工程，屬于國務院推進建設的172項節水供水工程之一。工程第4標段（大樟溪—石溪輸水線路）由主洞和多條支洞組成，隧洞累計長度達42 078 m。隧洞區主要屬于構造侵蝕丘陵地貌，沿線分布的地層巖性主要有流紋巖、凝灰巖、凝灰質砂礫巖、凝灰質砂巖等，埋深一般在70～180 m，最大埋深520 m。

工程區域屬于亞熱帶海洋性氣候，年平均降水為103～185 cm，年平均氣溫為19.7 ℃，平均風速分別為3.0 m/s，年最大風速均值為13.9 m/s。年平均水面蒸發量為110～140 cm。

隧洞施工為獨頭掘進，最長獨頭開挖距離長達3.3 km；輸水隧洞斷面積為16.4～21.2 m2，斷面較小。因此，隧洞的通風排煙難度大，同時本項目設置了與主洞相交的施工支洞以滿足隧洞開挖進度需要，通風排煙經過此結合部位時，受其影響更大。

2 施工期通風量計算

通風量的計算應根據實際工程情況展開，通常計算稀釋爆生炮煙、圍巖內有害氣體等所需的通風量和隧洞內作業人員所需的通風量［1］。

2.1 洞內作業人員呼吸所需風量Q1

所需工作量如：

式中，k 為風量備用系數，常取1～1.25；q 為每一作業人員的通風量，取3 m3/min·人；n 為隧洞內同一時間作業人員最多人數。本項目中，k，q，n 分別取1.1、3 m3/min·人和20人，計算得到Q1=66 m3/min。

2.2 爆破排煙需風量Q2

爆破后排出炮煙需風量的計算以CO 為基礎，根據通風方式的不同，計算方法有所差異。

2.2.1 送風式

目前在國內隧道施工中常用的公式［2］：

式中，G 為炸藥量，kg；t 為通風時間，min；A 為斷面積，m2；L0為通風長度，m。

2.2.2 排風式

對于風機設在洞外采用硬風管的排風式通風，當風管末端到工作面的距離不大于1.5 A時，計算公式為：

式中，b為單位炸藥產生的CO 量，L/kg；Lt為炮煙拋擲長度，m。

本項目隧洞通風擬采用送風式，隧洞斷面積取最大21.2 m2，同時起爆最大藥量為114.2 kg，通風時間為30 min，通風長度取30 m。計算得到Q2=93.29 m3/min。

2.3 維持洞內最小風速所需風量Q3

隧洞內的風速由污染氣體濃度降至安全值的需風量及斷面大小決定。相關研究表明［3］，風速應在0.3 m/s 以上。確定最小風速后，通過下式可以計算風量：

式中，v為排塵風速，m/s；S為隧洞斷面積，m2。本項目中，風速取為0.25 m/s、S為21.2 m2，計算得到Q1=318 m3/min。

3 施工期通風設施布置

3.1 主洞與支洞

本工程隧洞開挖獨頭掘進，最長開挖距離為3 300 m，包括輸水主洞2 860 m和玉林支洞長440 m。為確保爆破后排煙時間控制在30 min 之內，有害氣體濃度達到規定標準，并供給施工人員足夠的新鮮空氣。由于隧洞開挖面單一，通風時間短，考慮最優成本，施工期采用壓入式通風。通風系統布置如圖1所示。

圖1 壓入式通風示意

根據施工期通風量計算結果和實際工程特點，輸水隧洞通風設備選用流式通風機，采取壓入式通風，從支洞洞口引入新風。通風機參數：電機功率2×30 kW，風量10.2 m3/s，風壓6 600 Pa。風筒選用Φ800～Φ1 000 mm 柔性風筒。支洞施工期，采用一臺2×30 kW 風機和一道Φ800 柔性風筒，從支洞洞口壓入新風。進入主洞施工，開設兩個開挖斷面，分別采用一臺2×30 kW 風機和一道Φ1 000 柔性風筒，引入新鮮空氣。當通風長度超過通風機送風能力時，增加一臺壓入通風機，采取接力式送風方式，以滿足通風要求。支洞洞口處通風設備如圖2所示。

3.2 風筒口位置

為了把新鮮空氣送到工作面，應該將風筒口設置在隧洞開挖面較近的位置，以求盡快排除有害氣體至洞外。考慮到隧洞爆破開挖可能對風筒口造成破壞，風筒口距開挖面又不能過近。根據工程經驗，風筒口距開挖面距離設置在30 m左右。

圖2 支洞洞口處通風設備

4 施工期通風監測與管理

為了更好地監測隧洞施工過程中，通風設備的通風效果和洞內污染物分布情況，研究人員開發了一套施工期隧洞通風監測系統，配合隧洞中布設的監測設備，實時監控洞內環境，確保洞內環境符合規范要求，有效保護隧洞施工人員身體健康。

該套系統主要是用來對隧洞施工期通風設備和通風效果進行監測和分析的軟件，該軟件具體包含全隧洞通風機運行管理、通風效果檢測等功能，還具有數據自動備份及上傳及功能，無須擔心數據丟失，主要功能界面如下。

4.1 隧道三維視圖

隧道三維視圖是本監測管理系統的主界面，如圖3所示。利用該界面選擇隧道模型和布局，輸入隧道斷面、支護、初始風量和初始風阻等特征參數；選擇確定氣體監測設備的安放位置；確定風速檢測標準及報警值。

圖3 三維試圖界面

4.2 數據查看與統計

本功能界面如圖4 所示，通過此功能，可以對隧洞內通風設施的通風特性、效率與功率曲線、風量、風壓等數據進行查詢和統計。

圖4 參數查詢與統計界面

4.3 隧洞實時通風效果

使用本功能可以查看隧洞通風效果通風實時數據和分析信息，并且根據實際的需求，點擊對應的按鍵，進行相關的功能設置，詳情如圖5所示。

工程中利用自主開發的施工期隧洞通風監測系統，可以對隧洞施工過程的通風效果進行實時監測。能夠及時發現通風設備的異常情況，提醒通風維修人員及時修繕；當污染物含量超出限值時，會發出報警。

5 結語

長距離輸水隧洞施工期通風與施工人員的身體安全和施工工期的控制密切相關。結合現場施工實際情況，設計合理的通風設施，能夠降低通風投入，保障洞內施工人員的身體健康，縮短爆破通風排煙時間和作業循環時間。

圖5 通風實時數據界面

本項目根據實際工程情況，計算了施工期隧洞內所需風量，進而優化設置了通風設施。為了更好地監測通風效果和污染物分布情況，本研究開發了一套施工期隧洞通風監測系統。確保了施工期通風設施的正常運行，排煙效果優良，對類似的長距離輸水隧洞工程具有一定借鑒意義。