高海拔深埋長隧道施工通風技術研究

王政松， 陳智勇， 王忠勛， 李 軍， 張紀強

(1.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都 610072；2.中鐵二十三局集團第一工程有限公司，山東 日照 276826)

隧道施工通風是保護作業(yè)人員健康與安全的重要措施，同時是影響施工進度和質量的關鍵因素。針對隧道施工通風問題，國內外學者從通風方式[1-3]、有害氣體濃度[4, 5]、風管漏風率[6-8]、風機功率[9]、數(shù)學模型[10-12]等方面進行了深入研究，取得了一些成果，但對于高海拔地區(qū)隧道掌子面施工需風量的計算、風機選型以及通風方式研究較為鮮見。本文以大瑞鐵路杉陽隧道進口段施工通風為依托，對高海拔深埋長隧道施工通風需風量、風機選型以及通風設計進行了分析研究。

1 工程概況

杉陽隧道位于大理白族自治州永平車站與杉陽車站之間，為單線鐵路隧道。隧道正洞全長13 390 m，是全線重難點控制性工程之一。隧道位于瀾滄江活動斷裂帶東側，多次穿越高地應力，經(jīng)歷了5條褶皺、6條斷裂(如圖1所示)，使得巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，地質情況復雜多變。

圖1 杉陽隧道縱斷面斷裂帶分布[13]

隧道掌子面開挖揭示巖性為泥巖、頁巖，呈薄層、片狀構造，巖層擠壓褶皺明顯。圍巖具有遇水易軟化、泥化和膨脹等特點，自穩(wěn)性極差，極易造成隧道初期支護大變形，施工安全風險系數(shù)高，預控難度大。此外，隧道處于云貴高原，山體海拔最高達2 500 m，隧道最大埋深1 015 m，洞內巖溫最高可達42 °C，環(huán)境溫度達37～39 °C，施工人員難以長時間帶班作業(yè)，更換頻繁，機械故障率高，施工環(huán)境艱難。

隧道正洞設計為單線小斷面隧道，隧道斷面如圖2所示。臨近正洞設置有“一斜井一平行導坑(簡稱平導)”的輔助坑道。斜井位于隧道中部，長度為600 m，洞身坡度為33%，用于改善施工通風和排水；平導位于線路左側30～45 m處，全長13 408 m。隧道受地理地形限制，不具備再增開斜井、豎井的條件，只能采取隧道進口和出口單頭掘進的施工方式，獨頭掘進長度超過6 000 m。由此可見，解決長距離通風排煙問題是保證作業(yè)人員安全和施工進度的重要因素。

圖2 隧道正洞斷面(單位：m)

2 高海拔隧道施工通風設計

2.1 海拔高度與施工環(huán)境參數(shù)的關系

由于海拔高度的變化，工程施工環(huán)境會發(fā)生明顯改變,空氣密度和含氧量值均隨著海拔高度的增加而減少。在其他條件不變的情況下，高原地區(qū)的空氣密度減少，同樣的含氧量會導致氣體體積的增加，因此需引進海拔高度修正系數(shù)。海拔高度修正系數(shù)與海拔高度的關系見式(1)[8]。

(1)

式中：ω為海拔修正系數(shù)；Z為海拔高度。

此外，海拔在1 100 m以內，海拔高度與大氣壓之間滿足如下關系式[14]。

(2)

式中：P為海拔h處的大氣壓(kPa)；Z為海拔高度。

2.2 掌子面需風量計算

隧道施工采用無軌運輸，受斷面小和運輸距離長的影響，施工通風對隧道施工速度起著重要作用。施工通風量應對洞內最多作業(yè)人數(shù)的需風量、排除和稀釋內燃設備廢氣所需風量、稀釋爆破后氣體所需風量、稀釋瓦斯氣體所需風量進行計算，并取其最大值作為隧道施工作業(yè)的需風量；最后，按洞內允許最小風速進行驗算[15]。

(1)洞內作業(yè)人員所需風量Q1：

Q1=k·n·q

(3)

式中：k為風量備用系數(shù)，k=1.2～1.4，本文取1.3；n為同一時間內洞內最多作業(yè)人員，取60；q為每人需要的新鮮空氣量，取3 m3/min[16]。

(2)排除和稀釋內燃設備廢氣所需風量Q2：

(4)

式中:α為單位功率內燃設備供風量，根據(jù)《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》取3 m3/(min·kW)；Ni為第i臺內燃設備的額定功率,因隧道為單線小斷面隧道，掌子面出渣時只能停放2臺自卸車(1臺為滿載，功率按200 kW計；另1臺為空車，功率按滿載的80%計，即160 kW計)和1臺裝載機(功率162 kW)。

(3)稀釋爆破產生氣體所需風量Q3:

(5)

(6)

式中：t為爆破后通風時間，取15 min；G為爆破的炸藥用量，取150 kg；A為隧道開挖斷面面積，(m2)；L0為爆破后炮煙的擴散長度。

(4)隧道瓦斯涌出與所處巖層、巖石的滲透率、開挖深度、開挖方法等條件有關。隧道施工前，應對地質條件進行詳勘；施工時，應結合超前地質預報或施工監(jiān)測確定瓦斯含量，再采用通風的方式將瓦斯?jié)舛认♂尩揭?guī)定值以下濃度。稀釋瓦斯?jié)舛人栾L量Q4為：

(7)

式中：?為瓦斯涌出量的不均衡系數(shù)；W為瓦斯絕對涌出量；m為工作面允許的瓦斯?jié)舛?；m0為送入風流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

(5)洞內允許最小風速條件下的風量Q5：

Q5=60·A·V

(8)

式中：V為洞內最小風速，取0.25 m/s。

根據(jù)以上公式可分別計算得到Q1=234 m3/min、Q2=1 566 m3/min、Q3=704 m3/min、Q4=0 m3/min、Q5=1 050 m3/min。由此可知掌子面需風量Q≥1 566 m3/min(max(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5)，為隧道施工中用于稀釋爆破氣體所需風量，且能滿足洞內允許的最小風速要求。因此，隧道施工供風量由稀釋爆破氣體所需風量控制，稀釋爆破氣體所需風量可作為風管末端的出風量。

2.3 通風設備選型計算

通風設備的選擇包括風機和風管(帶)。首先根據(jù)上節(jié)計算所需風量，結合隧道斷面尺寸和送風距離確定風管(帶)類型和直徑，然后計算風管(帶)進風口的風量、通風阻力和風壓等參數(shù)，最后確定風機規(guī)格型號。

通風風管(帶)初步選擇直徑為1 500 mm的PVC涂覆布風帶。該風帶具有強度高、重量輕、使用壽命長、易于加工等特點。另外需要指出的是，如果選擇的風管直徑過小，會導致通風阻力過大，不能滿足送風需要；如果選擇的風管直徑過大，又會造成浪費，且不利于施工組織。

風帶進風口的風量Q0可根據(jù)風帶的漏風系數(shù)μ和風帶的使用長度L進行確定：

Q0=μQ

(9)

(10)

式中：β為百米風帶的漏風率，取1.5%；L為最大通風距離；Q為風帶出風口風量。

通風阻力包括沿程摩擦阻力、局部阻力和其他阻力。長距離通風過程中摩擦阻力為主要阻力，局部阻力和其他阻力一般取摩擦阻力的10%～20%[17]。

h=hf+h0

(11)

(12)

h0=0.15hf

(13)

式中：h為通風阻力；hf為摩擦阻力；h0為局部阻力和其他阻力；λ為風帶摩擦系數(shù)，取0.002 N·s2/m4；L表示最大通風距離；Q0、Q分別表示風帶進風口和出風口風量(m3/s)；U、A分別為風帶周長和面積。

3 施工通風技術

杉陽隧道進口段平導和正洞計劃開挖長度分別為6 585 m和6 485 m,考慮隧道長距離送風效率影響，采用四階段送風方式。圖3為隧道開挖不同距離的送風平面布置，其中第一、二階段各包括兩個送風工作面，第三階段作業(yè)面為一個平導作業(yè)面和兩個正洞作業(yè)面，第四階段作業(yè)面為一個平導作業(yè)面和三個正洞作業(yè)面。

圖3 隧道進口段平面布置

根據(jù)各段通風距離和作業(yè)面數(shù)量選擇不同的通風方式，如表1所示。

表1 隧道施工四階段通風劃分及通風方式

根據(jù)公式(9)～公式(10)，可以計算獲得隧道施工四個階段的風帶進風量及風阻值，如表2所示。表3為隧道施工四階段軸流風機的選擇及風機技術參數(shù)。每臺風機最大轉速為1 480 r/min，風機為變頻軸流風機。

表2 隧道施工四階段風帶進風及風阻情況

表3 隧道施工四階段風機選擇及技術參數(shù)

3.1 第一階段壓入式通風

隧道在施工第一階段，由于隧道各作業(yè)面距離隧道洞口的距離不超過1 000 m，施工通風采用風管壓入式通風。主要將軸流風機安裝在隧道洞口外30 m處，通過軸流風機將隧道外的新鮮空氣壓入至隧道作業(yè)面，污濁空氣則通過氣流的作用排出至洞外。另外，為保證正洞和平導作業(yè)面施工通風的需要和通風效率，在正洞和平導隧道洞外各設置一臺2×75 kW的軸流風機，分別為正洞和平導作業(yè)面送風。圖4為第一階段壓入式通風布置。

圖4 第一階段壓入式通風

3.2 第二階段巷道式通風

當隧道開挖超過1 000 m后，壓入式通風沿程風阻較大，風壓損失嚴重，污風排出緩慢。為此，利用橫通道使正洞和平導組成巷道式通風，可實現(xiàn)一個完整的風流循環(huán)系統(tǒng)。平導作為新鮮風的進風巷道，正洞作為污風的出風巷道，平導和正洞掌子面通過最前的橫通道連通，其余橫通道全部封閉。此外，為加快污風的排除，在正洞設置3臺射流風機接力抽排污濁空氣，射流風機型號為SDS-II，風機功率為35 kW。該階段巷道式通風布置如圖5所示。

圖5 第二階段巷道式通風

3.3 第三階段斜井+巷道式通風

為加快正洞施工進度，正洞通過超前平導和橫通道作用新增加了一個作業(yè)面。因作業(yè)面的增加和隧道長距離通風效率難以保證等問題，洞口長距離送風方式無法滿足隧道全部施工作業(yè)面的需風量。為此，在隧道中間位置設置了斜井，利用斜井進入新鮮風實現(xiàn)巷道式通風。圖6為斜井巷道式通風布置?？紤]正洞1施工進度較慢且前期距斜井的位置較遠，正洞1作業(yè)面通風采用從正洞洞口送風，平導排污風的巷道式通風。其中，軸流風機后約200 m布置一臺射流風機加快新鮮風風速；其他作業(yè)面采用斜井和風帶將新鮮風送入掌子面，污風通過射流風機加快排出洞外。射流風機型號為SDS-II，風機功率為35 kW。

圖6 第三階段斜井+巷道式通風

3.4 第四階段斜井+巷道射流式通風

新鮮風的進入方案：利用平導超前和橫通道優(yōu)勢，開挖掌子面數(shù)量增加至4個，實現(xiàn)了隧道“長隧短打”施工方案。掌子面數(shù)量的增加致使洞內的通風系統(tǒng)需要做適當調整。利用射流風機將斜井的新鮮風引入平導，平導和橫通道處設置軸流風機和風帶實現(xiàn)壓入式送新鮮風。

污風的排除方案：利用平行導坑的優(yōu)勢，采用射流風機將污風引入18#橫通道，通過正洞排出污風，形成巷道式通風系統(tǒng)。其中，為避免污風進入平導，在17#橫通道處需設置密封墻。

圖7為第四階段的通風布置，該階段的通風效果為所有階段中的最不利階段。經(jīng)過對正洞各工序含氧量測試結果表明：開挖階段、出渣階段、立架階段的含氧量分別為18.7%、19.1%、19.6%，均符合安全操作標準的要求。此外為加快降塵和高地溫，掌子面開挖后采用霧炮機噴霧降塵，冰塊降低作業(yè)環(huán)境溫度。

圖7 第四階段斜井+巷道射流式通風

4 結論

高原地區(qū)受低壓、高寒、空氣稀薄等不利因素影響，隧道及地下空間施工通風技術要求更高，施工通風難度更大。隧道施工通風問題直接影響作業(yè)人員的身心健康、施工進度和施工安全。本文依托杉陽隧道進口段工程實踐，采用理論計算與現(xiàn)場施工相結合的方法，對高海拔深埋長隧道施工通風需風量、風機選型以及通風設計進行了研究。主要結論如下：

(1)高原地區(qū)因空氣密度減少、氣體體積的增加，隧道施工通風量計算時應采用海拔高度修正系數(shù)進行修正。

(2)通過對高海拔深埋長隧道各階段施工里程和通風參數(shù)的計算分析，制定了不同開挖長度的隧道通風專項技術方案。

(3)通過對最不利送風階段施工工序含氧量測試，驗證了通風方案的通風效果，研究成果可為高海拔隧道施工通風提供參考和借鑒。