長距離隧洞全斷面掘進機施工通風設備的選型及運行維護管理

任勇

（四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 611130）

0 引言

隨著我國水利工程建設行業突飛猛進的發展，一些全流域和跨流域的水資源互補調水工程相繼開工建設，長距離輸水隧洞施工技術走在了世界前列。為加快開挖速度和保障施工人員的安全，選用全斷面掘進機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）施工已成為隧洞掘進的首選方案。TBM施工法是指用掘進機開挖隧洞的施工方法，具有快速、高效、安全可靠、施工質量好、成本低等優點。大埋深、長距離隧洞TBM設備在掘進施工過程中的地熱和設備運行發熱以及拱架焊接煙塵、錨噴和皮帶出渣的粉塵對現場作業人員的身體健康會產生較大的傷害，必須進行合理的通風設計。通風設備的布置和選型、運行期的技術管理、防漏降阻、通風監測是保證現場作業人員身體健康和工程建設順利推進的基礎。

1 工程概況

引漢濟渭秦嶺腹地隧洞掘進選用一臺Φ8.02m的開敞式TBM施工。標段范圍包括：主洞由TBM后配套安裝洞、主機安裝洞、步進洞、始發洞組成，總長18275 m；支洞的斜距、平距分別為5820.21m、5784m。工程平面布置見圖1所示。

圖1 工程平面布置圖

2 通風布置

施工通風采用壓入式通風，分兩階段進行通風布置。第一階段：通風管采用Ф2200mm軟風管，風管布置在隧道拱頂，利用膨脹掛鉤螺栓進行單吊點形式懸掛[1]。風機布置在3號支洞與主洞交叉口上游20m處的臺架上，設置風門一道。風管一端和風機連接，新鮮風從交叉口主洞上游提供，通過風管將新鮮風壓入作業面，TBM掘進段采用后配套上安裝的接力風機向掘進面送風，污風從3號支洞排出。第二階段：第一階段施工完成TBM轉場于4號支洞出渣后，風機采用第一階段時使用的風機，安放于4號支洞與主洞交叉口上游50m處，設置風門一道，新鮮風從3號支洞和3號支洞與主洞交叉口上游提供，污風從4號支洞排出。兩階段通風示意圖見圖2、圖3所示。

圖2 第一階段通風示意圖

圖3 第二階段通風示意圖

3 通風設備的選型

選取最不利工況條件進行設備的選型分析，通過計算研究隧道施工和作業面回風速度的需風量及風機總風壓和出口風量進行設備選型，計算參數見表1。

表1 設備選型計算參數

3.1 風量計算

重點考慮內燃機車工作時的廢風量和作業人員、最小回風速度的需風量，將風量需求的最大值作為工作過程中的控制風量[2]。

（1）作業人員需風量的計算。

式中:q代表一個作業人員需風量，取3m3/min；n為同時作業人員的最多數量，130人。

經計算，Q人=390m3/min。

（2）最小回風速度需風量的計算。

式中：V代表洞內的最小回風風速值，取0.5m/s；S代表開挖斷面，取50.52m2。

經計算，Q風=1515.6m3/min。

（3）按稀釋內燃機廢氣計算風量。

考慮在洞內同時運行有4臺內燃機車（功率180kW）和4輛汽車平板車（160kW）作業，由于汽車平板車運行區間只是從3號支洞至組裝洞，對TBM主洞施工段所需風量影響不大，暫不考慮汽車平板車運行所需風量。據此可根據TBM施工期間通風效果酌情從組裝洞增加一臺射流風機往洞外抽風，增加回風速度，按需供風量3m3/min·kW，經計算，Q內為1080m3/min。

根據以上計算結果可知，回風速度所需風量為關鍵因素，作為隧洞通風的控制風量。

3.2 風管漏風損失修正風量

對風管漏風損失修正風量，風機所需風量Q機的計算公式為：

經計算，Q機=2800.2m3/min。

3.3 系統風壓計算

從理論上講，通風系統在克服阻力后在風管末端產生的風流存在動壓，克服阻力主要由系統靜壓決定，需供風壓是動壓與靜壓兩者的總和。

（1）動壓計算。

式中：ρ代表空氣的密度值，1.24kg/m3；v代表管口末端的風速值，按控制設計通風量計算，取6.65m/s；S風代表風管截面積值。

經計算，h動=27.4Pa。

（2）靜壓計算。

沿程摩擦阻力的計算公式為：

式中：V平為風管內平均風速，V平=9.04m/s；Q機為風機供風量；Q需為風量計算最大值。

局部阻力的計算公式為：

式中：∑ζ通過查表取系數值為1.3。

經計算，系統靜壓值h靜=h摩+h局=4296.7Pa

（3）系統風壓計算。

h=h動+h靜=4324.1Pa

3.4 通風設備配置

通過計算，經充分的市場調研選擇的通風機性能參數見表2所示。

表2 主要通風設備參數表

4 通風系統的安裝

4.1 風機安裝

（1）風機的支架安裝必須穩定，防止在運行過程中產生振動，在風機的出口位置采用柔性管和風管之間連接，為減少漏風，在風機和柔性管相結合的位置處布置多道綁扎；

（2）通風機的周圍5m范圍內不能留有雜物，進氣口處布設鐵箅，同時要裝設足夠的保險裝置；

（3）在洞內的風速低于通風規定的最小風速時，通過安裝射流風機來增加風速；

（4）選用小平板車移動洞內風機，在移動之前安裝好風機的支座或支架；

（5）通風機必須具有一定的備用數量。

4.2 風管安裝

（1）風管一定要選擇有出廠合格證，安裝之前對其外觀進行檢查，確保粘接縫之間牢固平順和接頭之間的嚴密。通風管宜選擇具有高強、阻燃和抗靜電的軟質材料。

（2）風管布置必須平直。在隧洞掘進過程中，先由測量人員測出隧洞的中線，然后用電鉆進行打眼之后安裝膨脹螺栓，布置Ф10mm的油性鋼絲繩。風管的掛鉤通過單吊點的方式掛在拉線下[3]。

5 通風管理

5.1 通風一般管理

組建通風班組，設置足夠的通風技術人員，配置風速儀和有害氣體檢測儀等。做好風管的掛設和裝拆工作，每天堅持全線巡查，做到及時修補漏洞。操作過程中選用液壓升降操作臺進行操作。

5.2 通風技術管理

通風技術管理主要有方案的實施、方案的及時調整、過渡方案設計、效果的檢測和評價等。

（1）方案的實施。通風設計方案僅僅是一個大概模式，在現場實施的過程中要繪制詳細的實施圖。現場技術人員按照設計圖和現場實際狀況，將方案具體化，制定詳細的實施細則。

（2）方案的及時調整。通風方案通常按照具體施工組織和施工方案進行制定，施工過程中根據地質情況實時改變施工組織和施工方法。同時在增加工作面和運輸通道等情況下其通風方案也隨之調整[4]。

（3）過渡方案的設計。通風方案采取分階段的措施，不同的階段都有過渡的問題，相鄰階段的過渡一般需要兩天的時間間隔，技術人員要按照現場實際情況做好通風的過渡措施。不能因為下一階段通風方案的實施而影響正常施工。

（4）效果的檢測與評價。在通風方案具體實施后，通過溫度、濕度、管路的進出口風量等項目指標來檢查安裝質量能否滿足設計要求。在具體方案實施后做到盡快測試，以便發現問題并做到及時修正。同時做好作業面有害氣體的監測，來評價通風管的安裝和維護質量[5]。

5.3 防漏降阻措施

（1）選用內部摩擦較小的風管，布設要平直，不能有褶皺或扭曲現象。

（2）采用承壓的負壓風管，所有的接縫、接頭均全密封式焊接，焊接區域寬4cm。懸掛掛鉤基布焊接在風管布上，間距100cm。接頭采用拉鏈式接頭，為高強度PVC型。風管接頭處內外均有密封保護層，作用是管內壓力越高，接頭處密封越緊密，確保不漏風。另外，風管采用防撕裂的加強筋風管布，能有效防止風管因發生小的破口而在高壓風的作用下沿縱向繼續向兩側撕裂延伸的現象[6]。

（3）通風管產生破損現象時要及時進行更換或修補，選用軟風管時，在風機的出口200m左右使用負壓風管。并且通風管的每個節長做到盡可能地加長以減少接頭數量，每100m的平均漏風率不能大于1%。彎管平面軸線的半徑要小于管徑的3倍。

（4）現場配置專職的風管維修工，每個作業班做到對全部風管的全面檢查，并對發現的問題進行及時處理，輕微破損的管節用快干膠水進行粘補，修補時先將破損位置進行清潔打毛后再粘補；破損口的長度小于15cm時采取直接粘補措施；大于15cm時先將破口進行縫合后再行粘補，當修補面積超過損壞面積的30%時，操作完成10min后才能送風[7]。

（5）由于洞內的大面積滲水和溫度變化，導致風管內產生一定的積水，要及時檢查以便減小風管的阻力及承重。

6 結束語

綜上所述，在大埋深、長距離 采用TBM施工的隧洞中，通風設備的選型和管理非常重要。通風對現場作業人員和TBM設備的安全有重大影響，同時也會直接影響到工程成本的控制。引漢濟渭嶺南TBM施工段的通風布置根據現場掘進距離分兩個階段布置，從工程的運行實際情況來看，選取的通風布置方案和設備的選型可以滿足現場生產需求，能確保向洞內掌子面送入足夠的新鮮空氣。