棠棣嶺隧道通風系統設計及施工設備選型優化

金 鵬,劉感爭,王卓君,包崇昊,楊 雪

(1.中交路橋南方工程有限公司,北京 101101;2.吉林大學建設工程學院,吉林 長春 130012)

長大隧道施工中的通風設計始終是保障隧道施工安全的重要事項。近年來我國鐵路里程迅速增長,使得隧道里程不斷增加,同時隨著施工環境的衛生控制標準越來越高,隧道施工通風設計的重要性也與日俱增。在隧道設計時進行通風設計計算和損耗因素的分析,也是設備選擇及通風優化中必不可少的內容。毛錦波等[1]以天山勝利隧道為案例,通過通風計算和工序管理研究了隧道通風方案和設備選型措施。郭世榮[2]通過對梨花頂隧道通風方案分析,研究了具體的設備選型及通風優化依據和措施。蔡厚強等[3]在樂紅特長隧道通風設計方案的基礎上研究了隧道通風系統運營策略。通過對目前各類長大隧道設計方案的研究可以發現,通風施工方案的確定對通風計算具有關鍵影響,繼而決定通風設備的選擇[4-7]。以棠棣嶺隧道為研究對象,對通風施工方案的確定進行介紹,通過通風計算分析,確定設備選型方式并提出相應的改進措施,給出了棠棣嶺隧道施工中的通風優化方法。

1 工程概況

棠棣嶺隧道位于安徽省黃山市黃山區,隧道長9 038.225 m。隧道采用“正洞+斜井”掘進方案,從左向右按進口工區、牛角洞斜井工區、溪頭斜井工區及出口工區4個工區共5個工作面組織施工,各工區均采用無軌運輸。牛角洞斜井與線路大里程方向夾角為90°,綜合坡度6.68%,長858 m,采用無軌運輸雙車道斷面;溪頭斜井與線路大里程方向夾角為51°,綜合坡度7.38%,長756 m。進口工區施工段主體工程長1 435 m;牛角洞斜井工區施工段主體工程長3 478 m,斜井長858 m;溪頭斜井工區施工段主體工程長1 953 m,斜井長756 m;出口工區施工段主體工程長2 172.225 m。

2 通風方案的確定

由于棠棣嶺隧道有較長的里程,僅憑隧道進出口兩側壓入式通風以及自然風無法達到供風需求,因此隧道中間設置兩處斜井,并在斜井出口處設置軸流風機提高隧道中段的通風效果,保證隧道內空氣與外界新鮮空氣的流通和交換。同時,以斜井劃分的三段隧道主體工程的通風長度均超過1 500 m,在這種情況下依靠壓入式通風有可能無法滿足預期要求,在風管通風距離較長的情況下會產生過多的摩阻損失,因此為滿足洞內施工和爆破作業的排煙需求,需要在斜井、斜井與主洞交口處分別架設1臺射流風機,與壓入式的軸流風機配合控制洞內氣流的流動方向一致,以確保隧道內的通風和空氣質量。各工作面通風方式如表1所示。

表1 棠棣嶺隧道各工作面通風方式

3 施工通風計算

隧道通風設計時需要計算從工作面稀釋炮煙需風量、施工人員和器械的需風量以及允許最小風速等,并考慮風流在通風設施中流動時存在的風阻損失。

3.1 需風量計算

(1)按排出的炮煙計算工作面需風量。

鑒于放炮后的瞬間作業面周圍一段時間內就已經產生了炮煙,且在炮煙拋擲時間內已有氣體的含量可以稀釋炮煙,故按下式進行估算

(1)

式中:Q1為工作面需風量,m3/min;t為通風時間,取30 min;b為炸藥在爆破時的危險空氣產生量,巖層中爆炸破碎取40 L/kg;G為一次爆破的炸藥量,kg,本次按Ⅱ類圍巖全段面開挖考慮,斷面面積為147 m2,每循環進尺3.0 m,炸藥單耗0.7 kg/m3,同時起爆藥量為3.0×0.7×147=308.7 kg;A為已掘進隧道開挖的斷面積,m2,本隧道取147 m2;l0為炮煙拋擲長度,m,l0=15+G/5=76.7 m。

經計算,得Q1=1 682 m3/min。按照上述方法計算各個工作面排出的炮煙需風量如表2所示。

表2 不同工作面排出炮煙的需風量

(2)按洞內同時工作的最多人數計算需風量。

Q2=kMQ

(2)

式中:k為風量備用系數,取1.2;M為在洞里同時工作的最多人數,取60人;Q為洞內每人每分鐘需要的新鮮空氣量,取3 m3/min。

最終計算得Q2=1.2×60×3=216 m3/min。

(3)按洞內允許最小風速計算需風量。

Q3=60VS

(3)

式中:V為洞內允許最小風速,m/s;S為隧道斷面面積,m2。

全斷面工區斷面面積取147 m2,最小風速取0.15 m/s。經計算,得Q3=1 323 m3/min。按上述方法計算不同工作面的需風量如表3所示。

表3 不同工作面的需風量

(4)按稀釋和排出內燃機廢氣的需風量。

采用自卸汽車出碴,功率180 kW,采用裝載機裝碴,其功率165 kW。重車負荷率按0.8,空車負荷率按0.3,裝載機負荷率按0.7,所有設備利用率0.9。施工機械設備功率參數如表4所示。

表4 施工機械設備功率參數表

按稀釋和排出內燃機廢氣的需風量

Q4=3×N

(4)

(5)

式中:Ki為對應機械的負荷率;Kt為對應機械的利用率;Ni為對應機械設備的額定運行輸出功率,kw。

隧道內的每輛車裝碴循環停留時間約為6 min,隧道內車速為12 km/h,重車的有效長度為1 200 m。隧道內施工機械數量及稀釋施工機械尾氣的需風量如表5所示。

表5 棠棣嶺隧道內稀釋施工機械尾氣需風量

(5)設計供風量。

風管百米漏風率取1.5%。由于風管的長度不一致,不同工作面漏風系數值不同,如表6所示。

表6 不同工作面漏風系數值

壓入式通風以滿足掌子面最大風量需求為主,不同工作面需風量計算結果如表7所示。同時滿足稀釋隧道內施工機械尾氣需風量要求。

表7 不同工作面需風量

3.2 風阻損失計算

(1)沿程阻力損失計算。

沿程的阻力損失按公式(6)計算,管道的沿程摩擦阻力按公式(7)計算

hf=Rf×Q2

(6)

(7)

式中:hf為沿程阻力損失,Pa;Rf為沿程摩擦風阻力,N·s2/m3;Q為計算幾何平均風量,m3/s;α為管道摩擦阻力系數,取2.0×10-3kg/m3;L為最大供風距離,m;D為風筒直徑,取1.8 m。

計算結果如表8所示。

表8 沿程摩擦風阻力

幾何平均風量按公式(8)計算。由于長距離通風系統管路的泄漏問題難以忽視,在估計沿程阻力損失時,管道風量取風機風量和工作面風量之間的幾何平均值

Q=(Qj×Ql)1/2

(8)

式中:Q為幾何平均風量,m3/s;Qj為風機需風量,m3/s;Ql為工作面風量,m3/s。

由表1計算可以得到單樁承載力極限平均值為10 635 kN，極差與平均值的比為6.4%(<30%)，故單樁承載力極限為10 635 kN，遠超過設計單樁承載力極限值8 000 kN。

計算出的Q值如表9所示。

表9 各工作面幾何平均風量 單位:m3/s

由幾何平均風量計算沿程阻力損失hf,結果如表10所示。

表10 各工作面沿程阻力損失

(2)局部阻力損失計算。

局部阻力損失按公式(9)計算

hx=∑ξ×Q2/d4

(9)

式中:ξ為管道局部阻力系數;Q為管道風阻處風量;d為管道直徑,m,取1.8 m。

管道局部阻力類型有:管道入口處,局部阻力系數為0.6,為棠棣嶺隧道進口及各斜井工區;管道出口處,局部阻力系數為1.0,為棠棣嶺隧道出口及各斜井工區;管道轉彎時,ξ=0.008a0.75/n0.8。式中a為轉彎角度;n=R/d,R為轉彎處的曲率半徑,d為管道口徑。牛角洞斜井轉彎角度為90°,轉彎處曲率半徑R取6.5 m,經計算,牛角洞斜井ξ為0.08;溪頭斜井轉彎角度為51°,轉彎處曲率半徑R取6.5 m,經計算溪頭斜井ξ為0.05。經計算各處局部阻力損失值如表11所示。

表11 各工作面局部阻力損失

總阻力損失計算結果如表12所示。

表12 各工作面總阻力損失

4 隧道通風施工設備選型優化改進措施

(1)軸流風機:軸流風機布置在洞口30 m處空氣質量較好的位置,以保證壓入氣流的新鮮度,防止與排出氣流混合形成循環流動。按照以上部分的需風量計算,在實際施工中需要通過軸流風機性能與隧道施工計算需風量的對比,保證風機性能和實際通風需求的匹配。如表13所示,隧道需風量和軸流風機供風能力對比,考慮1.5 %的漏風率以及摩阻損失,目前所選型號的技術性能均能滿足要求。

表13 各工作面風機計算需風量、風壓及風機選型

所選風機在洞內不同位置的風量沿程變化,當漏風率由1.5%升至2%時,隧道內各型號風機的通風能力將明顯下降,使得極限風速下的風量依然無法滿足要求。因此,在實際施工中仍需要加以輔助措施如架設射流風機和降低風管沿程摩阻損耗以提高洞內的通風水平。

(2)射流風機:射流風機布置在襯砌臺車、斜井與主洞相交位置及距離斜井洞口300 m處,在洞頂安裝預埋件,將射流風機安裝在洞頂位置。棠棣嶺進口與牛角洞斜井小里程段貫通后,進口停止供風,在主洞內每1 000 m布置一臺射流風機,向外輸送污風。棠棣嶺隧道大里程段,根據施工進展情況進行處理,對先施工完的段落在主洞內每1 000 m布置一臺射流風機,向外輸送污風。通過射流風機的增設,實現隧道洞內通風水平的進一步提升。

(3)風管:①合理選擇風管型號和材質。由于隧道采用壓入式通風,加大風管直徑對降低摩阻損耗有顯著作用,風管相應選擇為1.8 m的拉鏈式軟質風管,以降低通風管的變形和沿程摩阻損耗。風管末端接10 m長的舊風管,以減少爆破沖擊和飛石造成的風管損壞。②優化風管安裝位置。洞內風筒分別布置在隧道調平層以上6 m的墻體上,距離掌子面的距離為5 m,防止對其他施工作業的影響。③風管采用拉鏈接長。每節風管的接頭有高強拉鏈,在風管接長時提高風管施工效率并保證連接強度。④改進風管安裝形式。洞內風筒分別布置在隧道調平層以上6 m的墻體上,在洞身縱向每

3 m處打入膨脹螺栓,錨固深度不小于7 cm,安裝1個掛鉤。并在掛鉤上沿著隧道縱向通長拉設一根Φ8 mm鋼絲繩,以對風管進行保護。

5 結 論

(1)棠棣嶺隧道全長約9 km,采用“正洞+斜井”的壓入式通風可以提高隧道內的通風效果,并搭配射流風機降低了斜井與主洞連通處的風阻損失,有效改善了隧道各工作面的通風質量。

(2)確定了棠棣嶺隧道工作面在1.5%的漏風率下的最小需風量為1 596 m3/min,與所選風機性能相匹配,滿足了施工需求并降低了施工成本。

(3)隧道風壓損失隨通風距離而上升,在通風距離最長的兩段增設射流風機可以有效提升隧道內各施工段的通風效果,同時選用的1.8 m直徑風管進一步降低了風壓的沿程損失。