滇中引水工程香爐山深埋隧洞施工長距離通風研究

朱 學 賢，倪 錦 初，張 治 軍，帖 熠，凌 旋

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

長距離通風是深埋長隧洞施工中的關鍵技術之一，作為施工期通風，保證通風效果與經濟性是深埋長隧洞施工中一對較難解決的矛盾。

滇中引水工程是解決滇中地區嚴重缺水的特大型跨流域調水工程，已納入國務院批復的《長江流域綜合利用規劃簡要報告(1990年修訂)》《全國水資源綜合規劃(2010～2030年)》《長江流域綜合規劃(2012～2030年)》。該工程以解決滇中地區的城鎮生活及工業用水為主，兼顧農業和生態。受水區包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州(市)的35個縣(市、區)，國土面積3.69萬km2；補水湖泊為滇池、杞麓湖和異龍湖[1]。

滇中引水工程主要建設內容包括水源工程和輸水工程兩個部分。香爐山隧洞是滇中引水線路中最長的深埋隧洞，長約62.60 km，共布置10條施工支洞作為施工通道，采用“TBM法+鉆爆法”的組合施工方案。隧洞海拔高程約1 994～2 035 m，各施工支洞洞口高程約1 994～2 508 m。施工斜井開挖斷面尺寸約7.9 m×7.2 m(寬×高，下同)、施工平洞開挖斷面尺寸約9.5 m×7.8 m。輸水隧洞為圓形斷面，開挖直徑9.1～10.0 m。TBM段最長通風距離為23.05 km，鉆爆段最長通風距離為3.94 km，具有通風斷面大、最大獨頭通風距離長，施工通風時間長等特點。隧洞施工期需風量大、風壓高，對通風機、風管和接頭都有很高的技術要求。

2 香爐山長隧洞通風防塵衛生標準

為了保障地下施工人員的身心健康，保證安全生產，我國相關行業都對地下施工作業環境的衛生標準做了明確的規定[2]。依據GBZ 2.1-2019《工作場所有害因素職業接觸限值第1部分：化學有害因素》和SL 303-2017《水利水電工程施工組織設計規范》等，并結合香爐山隧洞的施工方案，確定了香爐山隧洞通風防塵衛生標準。

地下洞室開挖施工過程中，洞內空氣中氧氣體積不應小于20%，有害氣體和粉塵容許含量詳見表1。

表1 空氣中有害氣體和粉塵容許量Tab.1 Allowable values of harmful gases and dust in the air

開挖施工時，地下洞室內平均溫度不應超過28 ℃，洞內風速可根據不同的洞內溫度按表2進行調節。

表2 洞內溫度與風速的關系Tab.2 Relation between temperature and wind speed in tunnel

對采用鉆爆法施工的隧洞工作面附近的最小風速不應小于0.25 m/s，最大風速應不超過表3規定。

表3 鉆爆法洞井內最大容許風速Tab.3 Maximum allowable wind velocity in tunnel for drilling and and blasting method

當采用TBM施工通風時，工作面要求的風量除了應滿足排塵風速要求外，還應滿足TBM機組設備散熱、冷卻、人員舒適性的要求，按最低風速0.5 m/s考慮。

該工程所處位置大部分位于海拔2 000 m以上，計算出的通風量應乘以高程修正系數。

3 香爐山長隧洞施工期通風方案及方式

3.1 通風原則

隧洞施工期通風是使洞外的新鮮空氣不斷補充到洞內，消除洞內有害氣體在洞內滯留和相互串通現象，創造良好的施工環境，確保施工人員的身心健康和地下洞室施工安全、高效地進行[3-4]。隧洞施工期通風設計應遵守以下原則：

(1) 施工通風設計應盡可能降低通風技術難度，便于施工管理。

(2) 各工作面都必須采用獨立通風，嚴禁任何兩個工作面之間串連通風。

(3) 通風系統布置必須滿足施工人員正常呼吸及沖淡機械廢氣、有害氣體及降溫等的最小通風量，并保持洞內空氣最小流動速度。

(4) 各工作面應盡量利用最近的支洞和隧洞進出口作為通風口，以縮短通風距離[5]。

(5) 風管選擇應從通風效果和經濟性考慮，通風距離較短的工作面采用漏風率較高、經濟性較好的風管，通風距離較長的工作面采用漏風率低、價格較高的風管。

(6) 為降低設備采購量和便于管理，風機型號不宜過多、過雜[6]。

3.2 通風方式

根據工程經驗，香爐山隧洞采用風管式通風方案。通風方式有壓入式、吸出式和混合式3種[7-8]。

(1) 壓入式通風方式的優點：有效射程大，沖淡和排除炮煙的作用比較強；可以用柔性風管。缺點：長距離排出炮煙需要的風量大，通風排煙時間較長，回風流污染整條隧道。

(2) 吸出式通風方式的優點：在有效吸程內排煙效果好，排除炮煙所需的風量小，回風流不污染隧道。缺點：吸出式通風的有效吸程很短，風管口離工作面很近，易受爆破飛石損壞；如風機布置洞外，只能采用硬風管；如布置洞內，需隨掌子面的開挖頻繁移動，噪聲大。

(3) 混合式通風方式的優點：結合了壓入式和吸出式的優點，通風能力強；吸出風機的送風長度相對較短，需要的風量也較小[9-10]。缺點：作為吸出式的風機布置在洞內，需隨掌子面的開挖頻繁移動；需要兩套以上的設備，運轉費用高。

香爐山隧洞要求采用邊開挖邊襯砌的施工方法，隧洞內除了自卸車、進料礦車、鋼模臺車通行外，還要布置風、水、電管道和人行道，如采用吸出式或混合式的通風方式，在洞內布置風機較困難，需要頻繁移動風機、拆接風管，會延長施工時間，降低施工效率，不利于施工總工期控制。

綜合比較，采用洞外布置風機與壓入式通風方式的方案。

3.3 通風方案

根據香爐山隧洞施工支洞布置特點，按照獨頭工作面通風距離最短的原則進行施工期通風方案設計[11-12]。

對于鉆爆段，每個工作面只有一個對應的施工通道(主洞進出口或對應的施工支洞)，其施工通道作為通風通道。

對于TBMa段(上游向下游掘進的TBM)，在施工TBMa-1時，選擇最近的3-1號施工支洞作為通風通道；在施工TBMa-2時，選擇最近的5號施工支洞作為通風通道。對于TBMb段(下游向上游掘進的TBM)選擇7號施工支洞作為通風通道。香爐山長隧洞施工通風方案示意見圖1。1號和2號施工支洞作為勘察試驗性工程先行實施。

圖1 香爐山長隧洞施工通風方案示意(尺寸單位：km)Fig.1 Schematic diagram of construction ventilation scheme for Xianglushan tunnel

3.4 通風計算

根據香爐山隧洞施工程序、方法、施工設備配置及確定通風方式，計算出滿足施工人員正常呼吸及沖淡、排出地下有害氣體等的通風量。考慮通風散煙的時間、一次起爆藥量、隧洞斷面的最小風速要求、施工人員與機械廢氣稀釋的要求等因素，計算施工人員所需風量、壓入式通風散煙、爆破散煙所需風量，按最大通風量選擇通風設施[13-14]。

該工程所處位置大部分位于海拔2 000 m以上，通風量需考慮高程修正系數，取1.4。

3.4.1施工人員所需風量

施工人員所需風量按洞內同時工作的最多人數計算，每人每分鐘供給3 m3的新鮮空氣。洞內使用柴油機械時，按每千瓦每分鐘消耗4.1 m3風量計算，并與工作人員所需風量疊加。計算公式如下：

Qp=vpmK

式中：Qp為施工人員所需風量，m3/min；vp為洞井內每人所需新鮮空氣量，水利工程按3 m3/min計；m為洞井內同時工作的最多人數；K為風量備用系數，取用1.10～1.15。

通過計算，各個工作面施工人員需風量約110 m3/min。

3.4.2使用柴油機械時通風量

施工柴油機械時通風量計算公式如下[15]：

Vg=υ0P

式中：Vg為使用柴油機械時的通風量，m3/min；υ0為單位功率需風量指標，取4.1 m3/(KW·min)；P為洞內同時工作的柴油機械的總額定功率，kW。

根據工程經驗，自卸車、裝載機等柴油機械采用凈化器、微粒過濾器尾氣處理后，可降低其有害氣體的排放量。

通過計算，各個工作面使用柴油機械的需風量約1 850～2 120 m3/min。

3.4.3鉆爆施工洞段爆破散煙所需要風量

根據之前分析，該工程采用壓入式通風方式，通風計算公式：

式中:Vy為壓入式通風計風量，m3/min；t為爆破后的通風時間，min；Q為同時爆破的最大藥量，kg；S為隧洞的斷面面積，m2；L為隧洞長度，m。

從開挖面至稀釋炮煙到安全濃度的距離L′可按式L′=400 m計算，當L

通過計算，各個工作面爆破散煙需風量約2 090～2 232 m3/min。

3.4.4TBM施工洞段需風量計算

TBM施工段需風量主要受風速控制，其計算公式為

Qd=60vminSmax

式中：Qd為保證洞內最小風速所需風量，m3/min；vmin為洞內容許最小風速，TBM法取0.50 m/s；Smax為隧洞最大斷面面積，m2。

通過計算，TBM施工段需風量約1 809 m3/min。

3.4.5需風量確定

根據以上各工況的通風量計算，香爐山長隧洞鉆爆施工段各工況各通風口需風量見表4。

表4 香爐山長隧洞鉆爆施工段各工況各通風口需風量Tab.4 Air demand of each vent under various working conditions in drilling and blasting section of Xianglushan tunnel

根據計算結果，按滿足不同需風工況要求計算出來的需風量相差較大，通風系統的供風能力應能滿足工作面對風量的最大要求，即鉆爆施工洞段受爆破通風散煙工況控制，TBM施工洞段按風速控制。

3.5 不同掌子面供風量計算及通風設備選擇

根據各施工方法、最大需風量以及通風長度，選用相應的通風管進行計算，其中通風距離超過3.00 km以上時采用漏風率較小的通風管，小于3.00 km的采用經濟性較好的普通通風管。香爐山長隧洞施工通風計算及設備選擇見表5。

表5 香爐山長隧洞施工通風計算及設備選擇Tab.5 Ventilation calculation and equipment selection for Xianglushan tunnel

4 施工期通風三維仿真計算與分析

采用Ventsim三維通風仿真系統對香爐山長隧洞施工期通風進行三維仿真計算。該軟件可以在三維環境中進行輸水隧洞通風系統設計、通風過程模擬和可視化通風管理，通過設置顏色圖例，對風流、壓力、通風成本和其他主要通風參數進行建模，顯示結果非常直觀，可以對溫度、有害氣體擴散進行動態模擬，可對通風系統進行經濟性評價，在保證安全通風要求的前提下，優化通風網絡和節約通風成本。

Ventsim采用最常用的Hardy-ross法進行風網解算(回路法)，根據模型屬性數據、風量平衡定律、風壓平衡定律、風阻定律來建立數學模型，經過多次反復擬合修正，使各分支風量達到預定的精度時結束計算。

4.1 典型隧洞段通風仿真模型及參數

選擇香爐山隧洞2號施工支洞上、下游鉆爆段和香爐山隧洞7號施工支洞上游TBM段作仿真模型分析。兩典型隧洞段通風仿真三維模型分別見圖2～3。

圖2 香爐山隧洞2號施工支洞通風仿真模型Fig.2 Ventilation simulation model of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

圖3 香爐山隧洞7號施工支洞通風仿真模型Fig.3 Ventilation simulation model of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

4.2 隧洞通風仿真參數

根據前述供風計算，典型隧洞段施工通風風管、風量與風速等有關參數如表6所示。

表6 典型隧洞段通風風管、風量與風速有關參數Tab.6 Parameters of ventilation duct，air volume and wind speed in typical tunnel section

鉆爆法和TBM法施工隧洞在進行施工通風時隧洞進行了錨噴、鋼拱架等初期支護，采用初期支護隧洞作為通風回路形成壁面風阻，摩擦系數取0.012 kg/m3。

4.3 隧洞通風仿真分析

通過Ventsim仿真計算，香爐山隧洞2號施工支洞上、下游控制段風管內風速為9.6 m/s，隧洞內風速為0.6 m/s；7號施工支洞上游控制段風管內風速為10.3 m/s，隧洞內風速為1.2 m/s，均達到了設計通風標準。

鉆爆法施工通風污染物組成主要包括有害氣體和粉塵等，其中有害氣體主要包括一氧化碳、甲烷、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫[4，8]等。根據隧洞施工爆破相關規范，上述有害氣體統一折合為一氧化碳進行計算[16-17]，即隧洞鉆爆法施工每千克炸藥爆破產生有害氣體折合一氧化碳量約40 L。粉塵主要為巖石開挖爆破產生二氧化硅粉塵，每千克炸藥爆破產生粉塵量約54.2 mg，其中80%以上為粒徑小于10 μm的呼吸性粉塵。按以上原則，可估算香爐山隧洞2號施工支洞控制段每循環產生一氧化碳約5 520 L，粉塵量7.7 mg/m3；7號施工支洞上游控制段污染物主要以粉塵為主，粉塵量0.5 mg/m3。

經計算，香爐山隧洞2號施工支洞控制段上、下游污染物稀釋最長時間分別為25 min和23 min；7號施工支洞控制段上游污染物稀釋最長時間為20 min。典型隧洞段施工通風仿真結果見表7，通風仿真計算視圖分別見圖4～5。

表7 典型隧洞段施工通風仿真結果Tab.7 Ventilation simulation results for typical tunnel section

圖4 香爐山隧洞2號施工支洞通風仿真計算視圖Fig.4 Ventilation simulation result of No.2 construction adit for Xianglushan tunnel

圖5 香爐山隧洞7號施工支洞通風仿真計算視圖Fig.5 Ventilation simulation result of No.7 construction adit for Xianglushan tunnel

仿真分析是對典型控制段最大獨頭掘進距離最不利情況進行分析，通過最不利情況分析可知典型控制段通風方案能滿足經常性通風和強制性通風的需要，通風量及風速滿足工作面施工要求，通風效果良好。

5 結 語

通風散煙是香爐山長隧洞施工安全生產的重要環節，也是施工難點。根據香爐山長隧洞施工方案，計算分析確定了各施工期環境控制標準和各工作面的需風量。基于對國內已建和在建地下工程施工通風方案的調研和綜合分析，規劃了施工通風總體方案，確定了風機型號和功率、風管直徑等。在此基礎上，采用通風仿真軟件對不同方案的通風網絡進行仿真計算，結果表明該工程設計的隧洞長距離通風方案是可行和可靠的，能滿足經常性通風和強制性通風的需要。