深埋長引水隧洞TBM施工通風方案與裝備研究

肖逸飛

(新疆水利發展投資(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隧洞地質復雜，埋深大，地應力高。巖爆高風險洞段多，施工中巖爆頻發，依靠傳統的鉆爆法進行掘進，施工極為艱難，施工人員面臨嚴重的安全威脅[1]。采用全斷面硬巖掘進機(下文簡稱：TBM)進行掘進施工可有效降低巖爆等對人員和設備的危害。同時，采用TBM施工需要解決深埋隧洞涌水、硬巖TBM掘進距離長、設備安全風險評估和卡機維修、施工安全通風等難題[2-4]。同時，隧洞超長深埋、山體寬厚，根據隧洞特有的地質水文特點“量身定制”的TBM施工，具有自動化程度高、作業環境較好、工人勞作強度低、施工速度快等優點，其掘進工效是傳統鉆爆法的3～10倍[5]。然而，隧洞施工過程中，通風距離超長，風管布置受限、漏風率大、風阻大等問題突出[6]，對此，本文進行了總體通風布置、施工通風風量計算與設備選取、施工通風安全措施等研究，提出了科學的對策建議，構建并應用了安全的施工通風模式。

1 工程基本情況

1.1 工程概述

新疆某水利工程是我國重點引水工程，主要向自治區工業園區、礦區及城市進行供水，屬大(1)型工程。本次研究對象為其引水隧洞，隧洞全長20km，縱坡i=1/2580，最大流量40m3/s。

1.2 工程地質條件

洞身通過處山體的絕對高程1050～1250m，最大埋深720m。引水隧洞巖性以黑云二長片麻巖、斜長花崗巖為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部受斷層影響為Ⅴ、Ⅴ類。飽和抗壓強度為多為90～150MPa，屬堅硬巖。屬長引水硬巖隧道。引水隧洞共發育大小斷層89條，其中對洞室穩定有影響的較大斷層有9條，對這9條做了專門加固處理。由于該引水隧洞所處地理位置巖體堅硬的特質，且埋深大，故洞身在開挖過程中存在不同程度的巖爆掉塊，基本以Ⅲ、Ⅳ級巖爆為主，個別洞段為Ⅰ、Ⅱ級巖爆。該引水隧洞主洞長度20km，采用TBM分兩個施工段進行掘進，具體見表1。

表1 工程掘進分段表 單位：m

TBM總掘進長度19.27km，TBM設備掘進開挖洞徑7.1m。鉆爆法開挖段長度0.73km。支洞末端與隧洞20+365m樁號處相交，進口布置在主洞左側，與主洞夾角133°，縱坡6%，長度約3km，與主洞相交后繼續前進施工250m用于TBM設備拆卸。采用TBM掘進機開挖，斷面型式為圓形，開挖斷面尺寸為8m。開挖掘進完成后，通過石方擴挖和回填混凝土型式改造縱坡，滿足汽車運輸。

2 總體通風布置

2.1 通風布置

本次分兩階段進行隧洞通風施工布置，第一階段隧洞通風從支洞口進入，第二階段轉場從F1、F2豎井進入。因豎井未施工，TBM已通過豎井位置，結合現場施工實際，新增施工支洞在實現TBM通風的同時，還有利于出渣轉運，施工速度快于豎井施工且難度較小，可加快主洞施工進度，因此，第二階段隧洞通風從新增施工支洞進入。支洞口更換大功率風機，上下游洞內增加接力風機及附屬裝置，以滿足洞內施工通風要求。

2.2 通風方式選取

參照類似工程TBM施工經驗，長大隧洞施工對通風要求極高，且難度大。施工中常用擴散、射流、機械及利用輔助坑道等方式進行通風，本工程采用機械式通風。機械通風的基本布置形式有壓入式、抽出式和混合式3種。本此支洞通風距離長度為3km，TBM洞段通風距離長度為20km，為保證施工通風，對比分析3種通風方式的優缺點進行優選，考慮經濟性與實用性，結合TBM掘進工序要求，在有大量粉塵情況下，需采用壓入式向隧洞內送入新鮮空氣，故選用隧洞施工常用且通風效率高的壓入式送風方式。

3 施工通風風量計算與設備選取

3.1 計算參數

TBM掘進段最大通風長度L為18470m，隧洞橫斷面積S斷為38.5m2，洞內最多工作人數M取50人，風筒直徑D取2.2m，風筒面積S風取3.8m2，過流面積S流取34.7m2。風管每100m漏風率P為0.15%，隧洞內燃機械功率W為540kW，通風備用系數k為1.2，空氣密度ρ為1.24kg/m3。根據SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規范》11.2.4要求，每一工作人員正常呼吸需要Qn為3m3/(人·min)，每千瓦動力空氣需求量Q0為4m3/(min·kW)。SL 378—2007中11.2.5要求，斷面風速不小于Vmin為0.15m/s，斷面風速不大于4m/s。

3.2 主洞風量計算與風機選型

3.2.1 風量計算

主洞風量計算從3個方面考慮，具體為按洞內最多工作人數Q人、按洞內允許最小回風風速Q風、按稀釋內燃機車廢氣稀釋風量Q機，通過計算取并取Q需=max(Q風，Q人+Q機)作為隧洞控制風量。

(1)按洞內最多工作人數計算風量，同時工作的最多人數50人計算，則：Q人=q·m·k=3×50×1.2=180(m3/min)=3(m3/s)。

(2)按洞內允許最小回風風速計算，則：Q風=VminS流k=0.5×34.7×1.2=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(3)按稀釋內燃機廢氣計算風量，則Q機=Q0∑W=270×4=1080(m3/min)=18(m3/s)。

(4)洞內需求風量，Q需=MAX(Q風，Q人+Q機)=MAX(20.82，3+18)=1260(m3/min)=21(m3/s)。

(5)風機供風量應為，Qj接力=PLQ需=1.3821=28.98(m3/s)=1739(m3/min)。

(6)風壓計算

①動壓計算：

h動=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②靜壓計算：

/3.83=5.81(N·s2/m8)。

管道風流沿程摩阻風壓損失：

局部阻力：

h局≈0.1h摩=0.1×3541.941=354.19(Pa)。

系統靜壓：

h靜=h摩+h局=3541.94+354.19=3896.13(Pa)。

系統風壓：

H接力=h動+h靜=18.96+3896.13=3915.09(Pa)。

根據上面計算結果，接力風機需要提供不低于3915.09Pa的風壓和1739m3/min(28.98m3/s)的風量。

(7)風機功率計算

TBM接力風機全壓計算結果見表2。

表2 TBM接力風機全壓計算結果

3.2.2 風機選型

據上述計算結果，考慮施工距離、出渣方式及經濟合理性，TBM接力風機選取T2.160.2×132通風機，風筒選擇便于裝卸和維修的Ф2200mmPVC拉鏈式軟風筒，見表3—4。

表3 風機參數表

表4 風筒參數表

3.3 支洞口風量計算與風機選型

3.3.1 風量計算

支洞口新鮮風直接送至接力風機，具體為按洞內允許最小回風風速Q風、接力風機需風量Q接力，通過計算取并取Q需=max(Q風，Q接力)作為隧洞控制風量。

(1)按洞內允許最小回風風速計算

根據SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規范》11.2.5：

Q風=VminS流k=0.5×34.7×1.2

=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(2)接力風機需風量

根據第7.1.3節，配備的接力風機風量為45.4m3/s，接力風機運行功率為0.85則：

Q接力=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(3)洞內需求風量

Q需=max(Q風，Q接力)=max(20.82，38.59)

=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(4)風機供風量

據此計算系統風筒漏風系數PL：

式中，L—通風距離，支洞口風機選取7767m；P100—，100m漏風率取P100=0.15%。

風機供風量應為：

Qj支洞口=PLQ需=1.1338.59

=43.61(m3/s)=2617(m3/min)。

(5)風壓計算

①動壓計算：

h動=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②靜壓計算：

h靜=h摩+h局=4106.61+410.66=4517.27(Pa)。

系統風壓：

H支洞口=h動+h靜=18.96+4517.27=4536.23(Pa)。

根據上面計算結果，TBM施工選擇風機，支洞口需要提供不低于4536.23Pa的風壓和2617m3/min(43.61m3/s)的風量。

(6)風機功率計算

/(60×1000×85%)×1.15=267.69(kW)

式中，Q—風機供風量。

TBM支洞口風機全壓計算結果見表5。

表5 TBM支洞口風機全壓計算結果

3.3.2 風機選型

根據支洞口風量計算結果，本次TBM支洞口風機選取T2.160.2×250通風機，風筒選擇Ф2200mmPVC拉鏈式軟風筒，見表6—7。

表6 風機參數表

表7 風筒參數表

4 設備安裝、防漏降阻及施工通風安全措施討論

4.1 設備安裝

風機支架底部施做混凝土基礎，確保風機支架的牢固性。風機安裝于支洞洞口或主洞洞室的鋼結構支架上，要求風機安裝必須做到牢固、穩定且不得妨礙其他設備的運行。支洞段風筒在TBM始發掘進之前一次性安裝到位，TBM施工風筒延伸隨TBM掘進向前延伸，風筒提前存儲在風筒儲存器內，放置在洞內TBM組裝洞內備用。風筒每節長度為300m，折疊存儲于儲風筒內。機車牽引兩輛平板車進洞，空板車在前部，儲風筒的板車在后部。更換時，操作風筒吊機將空儲風筒吊放在空平板車上，固定好，板車向前移動，儲風筒板車駛入風筒吊機起吊范圍，掛好吊鉤起吊，拉出儲風筒內風筒，就位并固定后和原風筒對接。對接完成后，恢復通風。空風筒運出，重新填裝。

4.2 防漏降阻措施

風筒接頭采用拉鏈式接頭，為高強度PVC型。風筒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。施工管理上嚴格遵循定崗定人定責要求，定期檢查，發現破損及時修補，確保風管始終處理良好的工作狀態，以有效減少漏風。定期測試通風系統風量、風速、風壓，改進和完善通風系統。采用拉鏈式接頭，直徑為Φ2.2m的加厚、加強風管，有效地降低阻力。噴混凝土作業時，采用濕噴機作業。同時，隧道施工人員要做好自我保護，佩戴防塵口罩。

4.3 TBM施工通風安全措施

高空作業：①在操作臺上進行風筒的修補和安裝時，必須佩帶安全帶。②操作臺必須和平板車可靠連接，以防傾覆。③每班必須認真檢查操作臺的工作狀態。

有軌運輸安全：①操作臺固定在有軌平板車上，其上必須安裝警示燈，在工作時開啟警示燈。②平板車停車脫鉤前，必須在兩側輪對上設置阻車器，然后再脫離牽引機車。③對風筒進行修補，特別是占用運輸軌道進行修補時，必須由運輸調度統一調度。④修補完成后，通知運輸調度安排牽引機車將操作平板車拖出隧洞，以免影響運輸效率。嚴禁將車輛丟在隧洞軌線上。⑤在拖移操作平臺時，操作臺必須處于收縮狀態。

用電安全：①通風設備的電氣系統安裝需符合相關規定要求。②風筒的安裝與修補中用電設施的接電須由專業電工作業，完工后及時拆除，確保用電的安全。

隧洞防火安全：①所有臺架采用鋼構件。②易燃易爆物品不得在隧洞內長期存放，進洞后必須由專人看管。③通風筒采用防火材料制造。④每個臺架上、火災易發點配置滅火器，并培訓使用方法。

5 結語

本文對新疆某水利樞紐工程長引水隧洞TBM施工通風計算與設備選取進行研究。洞內溫度高、相對濕度大，施工環境差，施工過程中應嚴格按計算結果選取合理的通風設備，同時加大對隧道通風設備的檢查力度，發現破損、爆裂、泄露、彎曲、褶皺等現象要及時維修處理。施工期間，做好通風系統管理，定期測風壓、風量、風速，并做好記錄，定期檢查設備、按時養護、加強環境監測，使通風效果更加經濟科學，規避因通風不暢威脅洞內人員安全的風險，保證工程順利推進。