引漢濟渭秦嶺隧洞施工通風測試及特征分析

趙 力，王 琪，王 博，魏軍政，邵北濤

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

在水利水電、鐵路、公路等隧洞工程建設中，施工通風至關重要，不僅為洞內施工地點供給新鮮空氣、排除粉塵及有毒有害氣體，從而保障施工人員的健康與安全；也是維持機電設備正常運行的必要條件[1-2]。常見的施工通風方法有壓入式、抽出式、混合式以及巷道式通風等。通風距離和環境質量往往會對工程設計、施工組織、建設工期等產生重要影響。隨著長大隧洞獨頭掘進施工技術的發展，通風面臨著需風量動態變化、通風強度大、設備安裝維護復雜等諸多挑戰[3-5]。因此，為有效判別通風距離并及時調整通風方案，開展施工環境通風測試及特征分析具有重要的現實意義。

在隧洞施工通風方面，許多學者做了大量的研究工作。金珍宏[6]通過分析地下洞室群施工特性，探討了通風計算的方法和參數選擇；孫會想等[7]通過研究白鶴灘水電站尾水隧洞施工通風，得出爆破散煙為大埋深獨頭隧洞施工通風各影響因素中的關鍵因素，也是風機選型的控制性因素；薛永慶[8]以引漢濟渭秦嶺輸水隧洞TBM工程為依托，利用數值計算軟件對不同送風風速、不同送風管位置下的洞內除塵效果進行了研究；馮璐等[9]創新性地引入了無損接力風機連接片以減少連接風機風量損失；楊照明等[10]介紹了新疆阿拉山口供水與生態建設工程采用的長距離混合式分散供風方式；此外，朱學賢、鐘為、常曉珂等[11-13]分別采用數值模擬研究隧洞內有害氣體排放特性及驗證通風方案的可行性及可靠性；提出對于深埋長隧洞工程，可統一考慮隧洞運營通風和施工通風，條件允許時可增設通風豎井，以減輕長隧洞施工通風難度。

本文分別以引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段和鉆爆法施工段為研究對象，綜合采用溫濕度儀、氣體檢測儀等對洞內環境進行測試，對比分析了正常通風條件下洞內不同工序、不同位置的溫度、濕度、氣體含量、粉塵分布等特征規律，可為通風效果評估和通風方案優化提供參考依據和支撐。

1 工程概況

引漢濟渭工程是“十三五”期間國家加快推進的172項重大水利工程之一，對于破解陜西省全局性水資源瓶頸制約、實現水資源配置空間均衡具有重要意義。秦嶺隧洞是引漢濟渭工程的重要組成部分，聯通漢江和渭河流域，全長98.3km，最大埋深2012m，設計流量70m3/s，縱比降1/2500。隧洞起點接黃金峽水利樞紐泵站出水池，出口位于渭河一級支流黑河金盆水庫下游右側支流黃池溝，沿線共布設14條施工支洞。隧洞采用鉆爆法和TBM法施工，其中鉆爆段采用6.76m×6.76m(寬×高)的馬蹄型斷面，TBM段采用直徑8.02m的圓形斷面。

隧洞位于亞熱帶季風氣候與溫帶季風氣候的分界線(南北方分界線)，氣象條件復雜。山體寬厚，埋深在1500m以上洞段長達25km，輔助坑道選取異常困難。斜井數量多，最長斜井5820m，斜井間的距離多數在5000m以上，多斜井貫通后易誘發部分煙氣“倒灌”。隧洞施工通風距離長，TBM段獨頭通風距離超過12km，鉆爆法段獨頭通風距離超過6km，同時隧洞地溫高，預測最高地溫41℃。以上都會對隧洞施工產生一定影響，也對施工通風提出更高的要求。

2 TBM施工段通風測試及特征分析

測試段選取TBM施工段5#斜井及主洞區間，各斜井位置關系如圖1所示。TBM由6#斜井始發向4#斜井方向掘進，已完成5#-6#斜井之間區段的開挖，目前掘進4#與5#斜井之間的主洞區段。為了獲得隧洞正常通風條件下洞內不同位置處的溫度、濕度、巖溫、污染物濃度等環境參數，采用溫濕度儀、氣體檢測儀等對洞內環境進行測試。

圖1 TBM施工段各斜井位置示意圖

掘進時洞內溫度與洞壁溫度分布如圖2所示。掘進時，在距掌子面約1000m的范圍內，洞內溫度為33.5～35.5℃，洞壁溫度在31.5～35.5℃；在距掌子面2000m以外，洞內溫度降至30℃以下，洞壁溫度降至約31℃以下。非掘進時洞內溫度和隧洞側壁溫度分布如圖3所示。非掘進時，在距掌子面約1000m的范圍內，洞內溫度在31～35℃，洞壁溫度在30～35.5℃；在距掌子面約2000m外，洞內溫度降至30℃以下，洞壁溫度降至28℃以下。

對比圖2和圖3可以看出：掘進時，在掌子面附近，洞內溫度高于洞壁溫度，TBM掘進產生的熱量是洞內溫度較高的主要原因。非掘進時，在掌子面附近，洞壁溫度高于洞內溫度，高巖溫是導致洞內溫度較高的重要原因，隧洞壁溫在34～35.5℃，屬于高地溫隧洞段。高溫段主要集中在開挖掌子面至一號鋼筋臺車約1000m的范圍內。在TBM機頭末端，即距開挖掌子面約200m處，為了給TBM噴射混凝土時提供壓縮空氣，設置有一臺水冷式空壓機，功率較大，產熱較多，因此在此處洞內溫度和隧洞側壁溫度均較高。

圖2 掘進時洞內溫度與洞壁溫度分布圖

圖3 非掘進時洞內溫度與洞壁溫度分布圖

掘進和非掘進時，隧洞內的濕度分布如圖4所示。隧洞內濕度較大，掌子面附近相對濕度超過82%；隧洞中部相對濕度超過90%。這是由于掘進時為降低TBM刀盤的溫度及降低隧洞內的粉塵濃度，采用冷卻水冷卻刀盤，濕潤石碴；同時由于隧洞內部分區段裂隙水的存在，隧洞內有較多的積水。隧洞處于相對封閉的環境，因此溫度升高時，隧洞內的相對濕度會下降，溫度降低時，隧洞內的相對濕度會增大。掘進時段隧洞內的溫度高于非掘進時段，因此掘進時段隧洞內的相對濕度低于非掘進時段；隧洞掌子面附近溫度較高，相對濕度較低，距掌子面較遠的位置洞內溫度下降，隧洞內的相對濕度上升，隧洞內的濕度縱向分布規律與隧洞內的縱向溫度分布規律相匹配。

圖4 濕度分布圖

隧洞內的CO含量分布如圖5所示。掘進時隧洞內CO含量高于非掘進時。距掌子面約100m處為救生艙所在位置，作業機械設備較少，同時此處設置有負壓的除塵風機，能夠去除較多的污風，使得隧洞內CO含量下降。在接近支洞口與主洞交叉處2000m的范圍內，風管內的壓力大，漏風量大，隧洞內的風速增大，通風效果明顯，CO含量有所下降。掘進時CO的含量較高，初步分析是源于TBM后部的鋼筋及混凝土臺車作業時產生；同時，掘進時有軌機車運輸仰拱和鋼筋網片等材料，進出洞次數增多，導致隧洞內CO含量較高。

圖5 隧洞內CO含量縱向分布圖

隧洞內的氧氣含量分布情況如圖6所示。掘進時隧洞內的氧氣含量低于非掘進時。在非掘進時，掌子面附近的氧氣含量較低；在距離掌子面約200m的范圍內有所上升；在距離掌子面約2000m至支洞口的位置，隧洞的氧氣含量有所下降；支洞口附近隧洞內的氧氣含量最低，為19.8%。TBM掘進時，掌子面附近施工人員較多，耗氧量增大，空氣中氧氣含量降低。距掌子面3000m左右的位置，隧洞內進行清淤作業的人員較多，氧氣含量下降。在隧洞與支洞交叉位置，設置有臨時施工設施用于調度，同時作為材料、人員無軌與洞內有軌運輸轉換的部位，氧氣含量不高。

圖6 氧氣含量分布圖

隧洞內的粉塵分布情況如圖7所示。掌子面附近，掘進時風速大于非掘進時，因此掘進時隧洞內的粉塵濃度低于非掘進時。隧洞內的粉塵未超過規范規定的2mg/m3。

圖7 隧洞內粉塵分布圖

3 鉆爆法施工段通風測試及特征分析

對引漢濟渭出口段鉆爆法進行測試，掘進方向為從出口向7#洞方向，隧洞內采用壓入式通風，采用2×132kW的軸流風機，在距離洞口3000km的位置設置一處風倉，測試工區的位置如圖8所示。引漢濟渭出口段鉆爆法隧洞主要施工工序有鉆孔、爆破、出渣、架拱、噴混，現場進度為2天3個循環。

圖8 鉆爆法施工測試段位置圖

在鉆孔、爆破、出渣、架拱、噴混各個工序下，對掌子面、仰拱和二襯臺車(二襯臺車緊臨鋼筋臺車)3個有人員施工作業的隧洞斷面以及風管末端污染物的分布情況進行了測試，獲得了溫度、濕度、CO、氧氣含量以及粉塵等在不同工序不同斷面下的變化情況。

洞內溫度的分布如圖9所示。洞內溫度低于27℃，符合多數施工規范規定的28℃的標準。出渣階段，由于掌子面附近較多大型機械聚集，洞內溫度較其他工序高。噴混和架拱階段的溫度較為接近。鉆孔階段，采用濕鉆工藝噴水鉆孔，掌子面附近溫度較其他位置和工序低。

圖9 溫度沿隧洞分布圖

洞內濕度的分布如圖10所示。鉆孔和噴混階段，由于采用濕鉆和濕噴工藝進行施作，因此，掌子面附近濕度較大。在掌子面后部的斷面，由于溫度降低，空氣中的飽和水蒸氣壓力減小，即單位體積空氣溶解水的質量下降，在單位體積空氣中的水分質量不變的情況下，相對濕度有所上升。

圖10 濕度沿隧洞分布圖

隧洞內CO的分布如圖11所示。可以看出，在鉆孔階段，隧洞內的一氧化碳濃度較低；在出渣階段，洞內的一氧化碳濃度顯著增大，但仍低于100ppm；在架設鋼拱架和噴混階段，洞內的一氧化碳濃度較鉆孔階段偏高，這是受到前道工序出渣時洞內CO含量較高的影響。在仰拱施作斷面處，由于鋼棧橋處車輛需在倒車行駛的狀態下爬高，導致此處一氧化碳濃度增大。

圖11 CO含量沿隧洞分布圖

隧洞內SO2的分布如圖12所示。在各個工序中，SO2主要為爆破和電焊產生。在架拱和噴混階段，隧洞內的SO2濃度較高；在出渣階段，隨著爆破產生的SO2逐漸擴散到仰拱以后，且受隧洞內仰拱和二襯臺車處鋼筋焊接的影響，SO2濃度在仰拱后的斷面顯著升高。

隧洞內氧氣含量的分布如圖13所示。在鉆孔和出渣階段，掌子面附近的人員機械較多，導致掌子面附近的氧氣含量較低。在架拱和噴混階段，掌子面施工人員較少，同時空壓機向掌子面壓入空氣，因此掌子面處氧氣含量較高；仰拱處施工人員較多，隧洞內的氧氣含量在仰拱處有一定程度的下降。洞內氧氣含量滿足JTG F60—2009《公路隧道施工技術規范》要求氧氣含量不低于19.5%的標準。

圖13 氧氣含量沿隧洞分布圖

隧洞內粉塵濃度的分布情況如圖14所示。在鉆孔階段，隧洞內的粉塵濃度較低，掌子面附近洞內粉塵濃度低于2mg/m3。隧洞內的粉塵濃度在噴混階段最高，其次為出渣階段。各工序階段粉塵均主要集中在掌子面至風管末端的區段。洞內其他部分的粉塵濃度主要是受到電焊和運輸車輛尾氣煙塵的影響。

圖14 粉塵含量沿隧洞分布圖

4 結論

(1)TBM機械做功發熱是掘進時洞內溫度較高的重要原因；非掘進時洞內溫度較高主要是受到高巖溫影響。高溫段主要集中在距離開挖掌子面約1000m范圍內；在距開挖掌子面約200m附近，由于設置有空壓機，洞內溫度和洞壁溫度均有提高。隧洞內濕度較大，掘進時隧洞內的相對濕度低于非掘進時段。

(2)TBM掘進時，隧洞內CO含量高于非掘進時，氧氣含量低于非掘進時。掘進時，掌子面附近施工人員較多，氧氣含量較低。距掌子面約3000m處，清淤作業的人員較多，氧氣含量下降。掘進時，掌子面附近的粉塵濃度低于非掘進時。

(3)采用鉆爆法施工，洞內溫度低于27℃，濕度高于80%。出渣階段，由于掌子面附近較多大型機械聚集，洞內溫度較高。鉆孔和噴混階段，由于采用濕鉆濕噴工藝，掌子面附近濕度較大。

(4)鉆孔階段，隧洞內一氧化碳濃度較低；出渣階段，一氧化碳濃度顯著增大。架拱和噴混階段，隧洞內二氧化硫濃度較高；出渣階段，二氧化硫濃度在仰拱后的斷面顯著升高。鉆孔和出渣階段，掌子面附近人員機械較多，氧氣含量較低。架拱和噴混階段，掌子面處氧氣含量較高，仰拱處有一定程度的下降。鉆孔階段，隧洞內的粉塵濃度較低，掌子面附近洞內粉塵濃度低于2mg/m3。噴混階段隧洞內的粉塵濃度最高，其次為出渣階段。粉塵主要集中在掌子面至風管末端的區段。在爆破后需加大通風量再進行出渣作業。