白龍江引水工程六盤山深埋長隧洞通風散煙設計研究

張 恒

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 研究背景

對于深埋長隧洞，解決施工期長距離通風是一項關鍵技術，既保證施工期通風效果又能使隧洞經濟合理是施工過程中比較難解決的矛盾。

六盤山隧洞是白龍江引水工程較長的深埋隧洞，隧洞進口位于水洛河左岸莊浪縣李家坪村，線路穿越六盤山主峰后到達華亭市策底鎮附近出洞，隧洞全長55.929km，采用無壓輸水，斷面為圓形，襯砌后直徑為4.6m。該隧洞采用“TBM+鉆爆法+懸臂掘進機”的組合施工方案，TBM掘進段獨頭通風距離19430m，鉆爆法施工段獨頭通風距離2500m，由于隧洞海拔高、獨頭通風距離長及施工工期長等因素，對隧洞斷面尺寸擬定、通風方案、風機設備選擇都帶來了一定難度。

六盤山隧洞施工支洞布置如圖1所示。

圖1 六盤山隧洞施工支洞布置圖

2 六盤山隧洞通風方案分析

根據該隧洞施工布置和施工方案選擇，隧洞全線共布設9條施工支洞，主要用于隧洞施工期出渣、材料運輸兼通風散煙，初步擬定隧洞通風方案為：隧洞進口段采用鉆爆法處理，通過進口工作面獨頭最大通風長度2.5km，隧洞進口作為通風口；1#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.97km，1#施工豎井作為通風口；2#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.74km，2#施工豎井作為通風口；3#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為2.04km，3#施工豎井作為通風口；4#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為2.22km，4#施工豎井作為通風口；5#施工平洞控制段獨頭最大通風長度為3.915km，5#施工平洞作為通風口；6#施工豎井控制段獨頭最大通風長度為1.29km，6#施工豎井作為通風口；7#施工平洞控制段為TBM1和鉆爆綜合施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為1.0km，TBM1掘進最大獨頭通風距離為19.43km，7#施工平洞作為通風口；8#施工斜井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為1.92km，TBM2掘進最大獨頭通風距離為5.94km，8#施工斜井作為通風口；9#施工豎井控制段為TBM2和鉆爆施工段，鉆爆法獨頭最大通風長度為0.167km，TBM2掘進最大獨頭通風距離為8.567km，9#施工豎井作為通風口；隧洞出口段采用TBM2和鉆爆法施工，最大獨頭通風距離為7.38km，隧洞出口作為通風口。六盤山隧洞通風散煙均采用壓入式通風方式。

六盤山隧洞通風方案見表1。

表1 六盤山隧洞通風方案 單位：m

3 六盤山隧洞通風公式選擇

3.1 百米漏風率公式

風機供風量按日本青函隧道公式計算：

(1)

式中，Qf—通風機供風量，m3/min；Q0—TBM工作面需風量，m3/min；β—風管百米漏風率平均值，取0.6%；L—通風管長度，m。

3.2 通風機全壓公式

風機全壓計算公式如下:

(2)

式中，Hf—風機全壓，Pa；λ—摩擦系數，選用S級風管，λ=0.015；d—通風管直徑，m；β—風管百米漏風率平均值；ρ—空氣密度(與洞口高程相關)，kg/m3；L—風管長度，m；Q0—風機工作點風量，m3/s。

3.3 通風機功率公式

通風機輸入功率計算公式如下：

(3)

式中，N—通風機輸入電功率，kW；ηt—風機全壓效率，取0.82；ηm—電動機效率，取0.93；ηtr—傳動效率，直聯時取1.0；其余變量含義同前文所述。

4 六盤山隧洞通風計算

4.1 鉆爆法施工段通風計算

4.1.1通風計算原則

鉆爆法施工段通風計算中，參數選擇應遵循以下原則。

(1)按照爆破后，30min內稀釋一氧化碳濃度至最高允許范圍考慮爆破排煙需風量。

(2)應滿足洞內施工人員對風量的需要，施工期通風施工人員需風量按3m3/(min·人)計。

(3)主洞內采用鉆爆法施工時，掌子面考慮采用挖掘機扒渣，裝載機裝渣，自卸汽車運渣的出渣方式，洞內通風需滿足施工機械對新鮮風量的需要，根據規范，結合本工程實際，隧洞內柴油機械需風量按4.08m3/(min·kW)考慮；

(4)為保證通風質量，掌子面處最小回風速度按0.15m/s考慮。

4.1.2工作面需風量計算

洞內作業人員呼吸所用的需風量計算公式為：

Qp=kpqpN

(4)

式中，Qp—隧洞內作業人員呼吸所需要的總風量，m3/min；qp—作業人員需風量標準，取3m3/(min·人)；kp—施工人員所需風量修正系數，取1.35；N—洞內最多作業人數，取60人。

經計算，洞內作業人員需風量為：Qp=243m3/min。

洞內采用無軌運輸，洞內內燃設備配置較多，廢氣排放量較大，供風量應足夠將內燃設備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，工作面考慮施工高峰期需要的內燃機械使用情況為：挖掘機1臺(功率110kW)，裝載機裝載機1臺(功率為162kW)，汽車5臺(每臺功率為180kW，洞內同時工作3臺)，總功率為812kW。按稀釋洞內內燃機車廢氣計算需風量，柴油機械需風量計算公式為：

Qm=∑βP/K

(5)

式中，Qm—柴油機械需風量，m3/min；β—內燃機產生的有害氣體，按照有凈化裝置機械產生的CO氣體為9×10-5(m3/min·kW)；P—柴油機械總功率，kW；K—允許濃度，取0.008%。

經計算，掌子面處的需風量為：Qm=914m3/min。

按爆破后稀釋CO濃度至一次性允許范圍計算需風量：

(6)

式中，Qb—稀釋CO濃度所需的需風量，m3/min；t—爆破排煙所需的時間，取t=30min；G—同時爆破炸藥用量，圍巖級別按Ⅲ級考慮，每循環最大進尺按3.5m計，正洞單位裝藥量取0.95kg/m3；A—隧洞橫斷面面積，m2；L—掌子面滿足下一循環施工的長度，取L=300m。

經計算，掌子面爆破排煙需風量為：Qb=656m3/min。

洞內允許最低風速所需風量計算公式為：

Qv=Av

(7)

式中，Qv—按允許最低風速計算的需風量，m3/min；v—允許最低風速，0.5m/s；其余變量含義同前文所述。

經計算，滿足洞內最小風速要求的需風量為：Qv=793m3/min。

4.1.3通風計算結果

鉆爆法施工，洞內最終需風量Q=max{Qp、Qm、Qb、Qv}=914m3/min，按照壓入式供風方式，計算得六盤山隧洞鉆爆法施工時風機風壓和功率結果見表2。

4.2 TBM施工段通風計算

4.2.1風管直徑擬定

六盤山長隧洞樁號22+272.77m～37+272.77m段采用TBM1施工，樁號37+272.77m～57+951.44m段采用TBM2施工。內燃機車、電瓶機車尺寸寬×高按1.2m×1.8m考慮，錯車道岔選擇加利福尼亞道岔，道岔高度按500mm(自隧洞軌面至道岔軌面的距離)考慮，錯車處相鄰列車間距不小于250mm，列車與兩側洞壁、頂部風筒的間距不小于300mm，通風管懸吊及下垂高度按200mm考慮，通風管安全距離按300mm考慮，以此確定通風管直徑為1.6m。

六盤山隧洞斷面布置如圖2所示。

圖2 六盤山隧洞斷面布置(單位：mm)

4.2.2通風計算參數

(1)主洞內擬采用內燃機車牽引列車時，每臺內燃機車功率取150kW，采用電瓶車牽引列車時不考慮需風要求。

(2)支洞擬采用MSV多功能運輸車運輸，施工期應考慮支洞柴油機械設備的通風需求。

(3)施工期通風施工人員需風量按m3/(min·人)計。

(4)根據相關規范，結合本工程實際，隧洞內柴油機械需風量按4.08m3/(min·kW)考慮。

(5)為保證通風質量，洞內最小風速取0.50m/s。

(6)施工期施工人員需風量、柴油機械通風量高程修正系數。六盤山隧洞進出口高程分別為1552.24和1525.37m，施工支洞進口高程為1650～1875m，根據SL 642—2013《水利水電地下工程施工組織設計規范》要求，工程大于1000m時，施工人員需風量高程修正系數為1.3～1.5。

綜合考慮工程區高程，計算確定施工人員需風量高程修正系數為1.34，洞內柴油機械需風量高程修正系數為1.66。

4.2.3工作面處需風量計算

洞內施工作業人員需風量計算公式同鉆爆法，洞內按70人考慮，經計算，洞內作業人員需風量為284m3/min。

TBM施工主洞主要運輸車輛為可以采用全內燃機車或內燃機車與電瓶車混合運輸，內燃機車每臺功率按150kW考慮，電瓶車不存在排煙問題，不必考慮通風。洞內柴油機械需風量計算公式為：

Qd=∑qdkePdi

(8)

式中，Qd—柴油機械需風量，m3/min；qd—單位功率需風量指標，4.08m3/(min·kW)；Pdi—柴油機械功率，kW；ke—柴油機械高程系數，取1.61。

考慮到內燃機車為移動柴油機械，故不能簡單地作為工作面需風機械，因其尾氣沿程排放，因此，主洞通風需要的是洞內風的流動。同時考慮列車在洞內運輸時的活塞作用，此通風量可計入工作面需風量。采用全內燃機車牽引列車運輸時，每臺內燃機功率取150kW，工作面處按2臺內燃機車考慮，功率利用系數取0.6，同時工作系數取0.6，以此計算工作面處內燃機車需風量。經計算，工作面處的需風量為709m3/min。

滿足洞內最小風速要求的需風量計算公式同鉆爆法，隧洞開挖襯砌完之后的內徑按擬定的4.6m考慮，經計算，最低需風量為520m3/min。

4.2.4通風方案選擇

方案一：全內燃機車運輸，施工供風一次供至工作面處，風機不接力

洞內運輸全采用內燃機車運輸，供風機布置在TBM始發的主洞洞口或施工支洞洞口，中間不采用風機接力，通過風機將洞內需風從洞口直接壓至掌子面附近，以滿足洞內施工要求。工作面處需風量按兩臺內燃機車同時工作考慮，內燃機功率利用系數取0.6，同時工作系數取0.6，洞內TBM運行機制和運輸方式暫按同一標準考慮，洞內工作面處的需風量取工作人員需風量+內燃機車需風量與最小回風速度需風量二者最大值，工作人員需風量+內燃機車需風量為993m3/min，以最小回風速度計算的需風量為520m3/min，因此，工作面處的最小需風量為993m3/min。

方案一風機供風量及風機計算成果見表3。

表3 方案一風機供風量及風機計算成果

方案二：1臺內燃機+1臺電瓶車雙機車運輸，供風一次供至工作面處，風機不接力

該方案除洞內牽引機車由兩臺內燃機車變為一臺內燃機車+一臺電瓶車雙機車牽引列車外，其余條件均與方案一中保持一致。工作面處全部采用蓄電池機車卸車、組車，工作面處不考慮內燃機車需風量。工作面處施工人員需風量為284m3/min，以洞內最小風速計算的需風量為520m3/min，取二者的最大值520m3/min作為洞內總需風量。

方案二風機供風量及風機計算成果見表4。

表4 方案二風機供風量及風機計算成果

國內長距離引水隧洞采用TBM施工工藝中，多采用雙機車進行洞內材料運輸，六盤山隧洞通風推薦采用方案二。

4.2.5通風風機配置

風機安裝在主洞或施工支洞口外距洞口30m以上，以避免洞內排出的污風循環進入風機。風機出口設30～50m鋼風管與柔性風管過渡，以避免風機啟動時沖擊損壞風管。

六盤山隧洞TBM段施工通風系統配置見表5。

表5 六盤山隧洞TBM段施工通風系統配置

5 結語

對長距離TBM施工隧洞而言，通風散煙既是施工難點，也是安全生產的重要環節。因此，確定合理的通風參數尤為重要。白龍江引水工程六盤山隧洞由于受環境制約，中間無法布置通風支洞，TBM掘進段獨頭最大通風距離達19.43km，為降低了工作面需風量，洞內運輸采用了電瓶車和內燃機車的雙機車運輸方案，并經過計算，工作面需風量、風機風壓和功率均能得到解決，最終達到安全生產和經濟合理的目的。該工程目前為可研論證階段，尚未實施，六盤山隧洞的施工布置和通風散煙設計將隨著項目的推進進一步細化論證，逐步達到最佳效果。