長距離小斷面隧道進口獨頭串聯(lián)接力通風技術(shù)

閆 肅

（1.中鐵十六局集團有限公司 北京 100018；2.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院 山東青島 266580）

1 引言

截至2020年底，中國已投入運營的特長鐵路隧道共209座，總長2 811 km。其中長度20 km以上特長鐵路隧道11座，累計長度262 km。規(guī)劃特長鐵路隧道338座，總長5 054 km。其中長度20 km以上的特長鐵路隧道37座，累計長度999 km［1］。隨著我國鐵路隧道工程建設(shè)規(guī)模和復雜程度的不斷擴大，機械化配套水平的逐步提升，隧道建設(shè)面臨新的挑戰(zhàn)［2］。

長大隧道工程量大、水文地質(zhì)復雜、建設(shè)工期長，施工組織難度大。隧道通風作為長大隧道安全生產(chǎn)的基本前提以及工程進度和質(zhì)量的重要保證，尤為重要［3］。通風設(shè)計管理不到位，往往會成為影響施工組織設(shè)計實施的決定性因素。如何保證長距離獨頭掘進隧道施工的通風效果，改善隧道作業(yè)環(huán)境，是我國隧道建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題之一［4－5］。

2 隧道通風方式

制定隧道施工通風方案時，需要根據(jù)隧道掘進長度、施工方法、輔助坑道的設(shè)置方法、機械設(shè)備等因素確定。通常情況下，長大隧道通過設(shè)置平導、斜井、豎井等輔助坑道，增加工作面，實現(xiàn)隧道長隧短打，來提高隧道施工效率，滿足工期要求［6］。而獨頭掘進的通風能力的大小決定是否采用多頭掘進、多頭掘進規(guī)模大小以及能否實現(xiàn)機械化快速施工重要因素之一。根據(jù)現(xiàn)有機械設(shè)備能力，使隧道獨頭掘進長度最大化，減少工作面，從而減少資金和人力的投入。隧道通風方式分類及對比見表1。

表1 通風方式分類及對比

3 工程概況及重難點分析

3.1 工程概況

浩吉鐵路崤山隧道設(shè)計采用左右兩條單線隧道，隧道全長為22.7 km，是全線第一長隧道。崤山隧道開挖斷面為47.5～73.4 m2，屬于小斷面隧道。

3.2 工程重難點分析

（1）采用新奧法施工，隧道開挖所有工區(qū)均采用無軌運輸，施工總工期為46個月，其中全隧開挖貫通時間43個月，工程量巨大，工期緊張，施工任務(wù)艱巨。

（2）崤山隧道原設(shè)計采用5座斜井作為隧道開挖的輔助坑道，但通過經(jīng)濟效益對比分析后，取消了1＃斜井。由于1＃桑園斜井的取消，導致崤山隧道進口施工任務(wù)由原來的2 300 m，增加至近4 000 m。隨著進口開挖進尺的增加，對隧道通風提出了更高的要求［7－8］。

4 獨頭掘進串聯(lián)接力通風技術(shù)

崤山隧道左右線單洞隧道，通風方式根據(jù)工區(qū)不同采用不同方式。通過對比分析，隧道進口工區(qū)采用第一階段壓入式通風，第二階段巷道式通風，第三階段接力式巷道通風的串聯(lián)接力通風方式［9］，見表2。

表2 三階段通風范圍及方式

4.1 設(shè)備選型

根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9653—2017）中的通風規(guī)定，需進行作業(yè)人員需風量、炸藥爆破需風量、內(nèi)燃機械廢氣稀釋需風量、排塵需風量、射流風機風量等計算［10］，并取其中的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風量，最后按排塵最低風速進行檢驗。根據(jù)計算結(jié)果，軸流風機選型需滿足的技術(shù)參數(shù)為：Q＞2 542.9 m3/min，h＞4 507.1 Pa，對比選擇馭創(chuàng)風機型號SDF（C），功率2×75 kW、2×110 kW軸流風機。射流風機需滿足的技術(shù)參數(shù)為：Qs＞16.2 m3/s，對比選擇馭創(chuàng)風機型號 SDS-Ⅱ35 kW型、SDS-Ⅱ15 kW型射流風機。具體參數(shù)如表3所示。

表3 崤山隧道通風設(shè)備

4.2 通風管布置

在施作好二次襯砌地段，通風管布置于隧道拱頂。通過襯砌臺車后，避免形成瓶頸，通風管道采取布置于隧道左側(cè)拱腰處，同時方便安裝作業(yè)，如圖1所示。

圖1 風管布置

通風管采用接頭為拉鏈式的 φ1 500 mm的WSFG型塑布軟管和鋼絲軟管。

4.3 通風技術(shù)

崤山隧道進口工區(qū)總長3 762 m，考慮到風機送風效率，采用三階段通風方式，根據(jù)隧道開挖的長度動態(tài)調(diào)整隧道的通風方案。

4.3.1 第一階段壓入式通風

隧道開挖施工未到1 200 m時，均采取普通隧道壓入式通風方式，即左右線隧道洞口外各設(shè)置1組2×75 kW風機［11］。通風時，采用風門封閉1＃橫通道，利用2、3＃橫通道交通導流。通風組織如圖2所示。

圖2 第一階段壓入式通風

4.3.2 第二階段巷道式通風

隧道開挖1 200～2 500 m范圍內(nèi)，采取巷道式通風，左線隧道外軸流風機保持不動［12］。在3＃橫通道前，設(shè)置1個移動式風機臺架（見圖3）。同時將右線隧道外2×75 kW軸流風機移至洞內(nèi)供左線隧道通風，另外加設(shè)1組2×110 kW軸流風機（第一風機）供右線隧道通風。

圖3 洞內(nèi)移動式風機臺架

考慮右線隧道排煙差，右線2＃橫通道對應(yīng)樁號的正洞處增加1臺35 kW射流風機，采用2根 18工字鋼懸挑于隧道拱部。靠近右線隧道掌子面處，初期支護左側(cè)采用錨桿懸掛1臺15 kW射流風機。隨著隧道向前開挖掘進，右線隧道每開挖1個橫通道增加1臺15 kW射流風機。通風組織如圖4所示。

圖4 第二階段巷道式通風示意

4.3.3 第三階段接力式巷道式通風

隧道開挖掘進2 500 m時，將左線隧道洞外1臺75 kW風機解體放于第三個風機段前。利用風機段集風效果，給左線隧道進氣加壓，增加洞內(nèi)進風量。同時將之前右線隧道洞外移至左線隧道內(nèi)2臺軸流風機中2×75 kW作為接力。拆下2×110 kW軸流風機，并放置于6＃橫通道對應(yīng)樁號的正洞處。同時加工安裝三向通風裝置，利用橫通道給左右線隧道掌子面供風，在右線施作好二襯地段調(diào)整射流風機安放距離，改為800 m一組。具體布置見圖5。

圖5 第三階段接力式巷道式通風示意

隨著隧道掌子面的開挖推進，左線隧道洞外的風機繼續(xù)隨著橫通道開挖貫通同步向前移置。當隧道掘進至3 000 m時，移動起到接力作用的右線隧道洞外風機，直至隧道貫通。

4.4 通風實施效果

根據(jù)分析，第三階段接力式巷道式通風為最不利通風階段。采用獨頭串聯(lián)接力通風，分別對第三階段的YDK677＋799、DK678＋465、DK678＋519等多個斷面進行跟蹤監(jiān)測，檢測結(jié)果見表4。并對隧道YDK677＋799斷面進行爆破后40、60 min離掌子面不同距離處選點以及噴漿作業(yè)時和裝運碴時測粉塵濃度、CO濃度、氮氧化物濃度進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。

表4 隧道內(nèi)不同斷面處塵毒監(jiān)測記錄

圖6 YDK677+799斷面監(jiān)測效果

由表4和圖6可知，隧道內(nèi)CO、NxOy以及粉塵濃度均符合國家勞動衛(wèi)生標準的要求，隧道施工段通風效果理想。

5 結(jié)論

隨著掌子面不斷向前開挖掘進，通過左線隧道外風機、右線隧道外風機、第一風機、第二風機、風機段的串聯(lián)接力，充分保證了隧道施工的通風效果，改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，保證了工作面的施工進度。

（1）采用三階段串聯(lián)接力通風方式，實現(xiàn)了隧道長距離獨頭掘進的通風要求，縮短了爆破通風時間。

（2）通過串聯(lián)接力通風，延長了隧道獨頭掘進長度，減少輔助坑道的設(shè)置，降低了成本。

（3）與常規(guī)壓入式通風方案比，接力式巷道式通風每小時節(jié)約用電量200 kW，同時可節(jié)約通風管近50%，經(jīng)濟合理。