特長復(fù)雜隧洞掘進施工通風(fēng)技術(shù)研究

韓文起

(中鐵十三局集團公司，長春 130033)

1 工程概況

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機布置形式，2#、4#引水隧洞為鉆爆法施工，1#、3#引水隧洞為TBM施工。已施工1#支洞長度750.76 m，2#支洞長1 041.47 m。實際鉆爆法施工獨頭掘進通風(fēng)距離達(dá)到了12.5 km，TBM獨頭掘進通風(fēng)距離達(dá)到了14.5 km。由于引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線上覆巖體埋深1 500～2 525 m，受高地應(yīng)力和其他地質(zhì)因素影響，巖爆日趨頻繁且烈度越來越高，已經(jīng)嚴(yán)重影響所有隧洞掘進施工安全和進度。為確保發(fā)電目標(biāo)的實現(xiàn)，目前正采取增加工作面以及提前釋放應(yīng)力等一系列可以加快隧洞群掘進進度的措施。這些措施使得錦屏工程隧洞群數(shù)量大大增加、隧洞平面和空間布置極為復(fù)雜，這就必然使得通風(fēng)系統(tǒng)在不同階段和空間等方面將發(fā)生很大變化，甚至?xí)氐最嵏苍瓉淼耐L(fēng)方案，導(dǎo)致原本就極為困難的通風(fēng)施工雪上加霜。

本文針對采用鉆爆法施工的錦屏電站4#引水隧洞的通風(fēng)方式、參數(shù)及其布置進行研究，以求確保施工過程中各個工點和地下各個區(qū)段具有足夠的新鮮風(fēng)量和風(fēng)壓，從而使錦屏工程建設(shè)能夠按期順利完成。

2 通風(fēng)方案分析

依據(jù)隧道工程通風(fēng)理論與技術(shù)，對錦屏電站工程地質(zhì)、隧洞群空間布置、斷面形狀與尺寸、施工方法、施工人員配置、機械設(shè)備類型與數(shù)量以及通風(fēng)要求等進行分析，據(jù)此提出風(fēng)管壓入式隧洞通風(fēng)方案。所有新鮮風(fēng)從下游通風(fēng)洞或施工排水洞獲取，通過風(fēng)機風(fēng)管接力到達(dá)工作面，然后從工作面沿隧洞返回由東引2#施工支洞出風(fēng)。由此可把工作面爆破后的粉塵、污染風(fēng)直接排出，不增大已開挖完成洞段的污染，同時各條隧洞也可以獨立通風(fēng)，互不影響。

3 通風(fēng)參數(shù)計算

3.1 通風(fēng)量計算

隧洞施工中爆破、運輸?shù)犬a(chǎn)生的主要污染源見表1，通風(fēng)風(fēng)量主要依據(jù)內(nèi)燃機作業(yè)廢氣稀釋需要、洞內(nèi)同時工作最多人數(shù)、同時爆破最大炸藥量以及洞內(nèi)允許最小風(fēng)速等因素綜合確定。

表1 洞內(nèi)主要污染源

1)按內(nèi)燃機作業(yè)廢氣稀釋的需要計算

參數(shù)計算方法與其他隧洞掘進相同，洞身段的通風(fēng)量及其他通風(fēng)參數(shù)按交通量另行計算。

考慮掌子面一般有1臺ZL50、1臺CAT 330D和4臺自卸車同時工作，其機械總功率在1 166 kW，見表2。按全負(fù)荷的65%效率計算工作時的功率，即有1 166×0.65=758.2 kW，則所需風(fēng)量

式中，n為洞內(nèi)同時使用內(nèi)燃機作業(yè)的總功率，kW;Af為洞內(nèi)同時使用內(nèi)燃機每 kW所需的風(fēng)量，計算取4 m3/min。則

表2 4#洞內(nèi)主要燃油施工機械設(shè)備功率一覽

2)按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算需風(fēng)量為

式中，k為風(fēng)量備用系數(shù)，常取 k=1.1～1.2;m=120，為洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù);q為洞內(nèi)每人每分鐘需要新鮮空氣量，通常按3 m3/min計算。

3)按同時爆破的最多炸藥量計算

采用管道通風(fēng)方式中的壓入式，需風(fēng)量為

式中，A為同時爆破的炸藥量，A=320 kg;S為坑道斷面面積(m2)，按上開挖法高9 m計算，S=99.4 m2;L為坑道長度(m)，L=15+A/5;t為爆破后的通風(fēng)時間，t=30 min。則需風(fēng)量為

4)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計算

式中，V為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速，取值0.25 m/s;S為坑道斷面面積(m2)。

因此，需風(fēng)量為

綜合上述四個方面，取最大值3 032.8 m3/min。

3.2 漏風(fēng)計算

通風(fēng)機的供風(fēng)量Q供除滿足上述計算的需要風(fēng)量外，還應(yīng)考慮漏失的風(fēng)量，即

式中，Q為計算風(fēng)量，為前述計算結(jié)果的最大值;P為漏風(fēng)系數(shù)，直徑1.4 m的PVC風(fēng)管百米漏風(fēng)率取1.4%。

則P=1.091

3.3 風(fēng)阻計算

通風(fēng)過程中要克服風(fēng)流沿途所受阻力，保證將所需風(fēng)量送到洞內(nèi)，并達(dá)到規(guī)定的風(fēng)速，則必須要有一定的風(fēng)壓。因此，風(fēng)壓計算的目的就是要確定通風(fēng)機本身應(yīng)具備多大的壓力才能滿足通風(fēng)需要。

氣流所受到的阻力有摩擦阻力、局部阻力和正面阻力，其計算可用下式表示。

式中，h總阻為風(fēng)流受到的總阻力;h摩為風(fēng)流經(jīng)過各種斷面的管(巷)道時產(chǎn)生的摩擦阻力;h局為氣流經(jīng)過斷面變化，拐彎、分岔等處分別產(chǎn)生的阻力;h正為巷道通風(fēng)時受運輸車輛阻塞而產(chǎn)生的阻力。

1)摩擦阻力h摩

摩擦阻力是管道(巷道)周壁與風(fēng)流互相摩擦以及風(fēng)流中空氣分子間的擾動和摩擦而產(chǎn)生的阻力，也稱沿程阻力。

式中，α為摩擦阻力系數(shù)(N·s2/m4);L為風(fēng)管長度(m);U為風(fēng)道周邊長度(m);Q供為風(fēng)道流量(m3/s);S為風(fēng)管截面面積(m2)。

擬采用風(fēng)管直徑1.4 m，風(fēng)管采用優(yōu)質(zhì)通風(fēng)塑料軟 管，則 S =1.54 m2，U =4.40 m，Q供=3 308.8 m3/min，α =0.0013 N·s2/m4，則有

2)局部阻力h局

風(fēng)流經(jīng)過風(fēng)管的某些局部地點(如斷面擴大、斷面減小、拐彎、交岔等)時，由于速度或方向發(fā)生突然變化而導(dǎo)致風(fēng)流本身產(chǎn)生劇烈的沖擊，由此產(chǎn)生風(fēng)流阻力即局部阻力。2

式中，ζ為局部阻力系數(shù)，ζ=0.853 N·s2/m4;γ=12 N/m3;g為重力加速度，g=9.81 m/s2;v為風(fēng)流經(jīng)過局部斷面形狀變化后的速度(m/s)

3)總阻力h總=h摩+h局=3 295.5 Pa

3.4 電動機容量N

式中，Q為總需風(fēng)量(m3/s);h為 總負(fù)壓(Pa);102為功的換算值，102 kg·m=1 kW;η1為靜壓效率;η2為機械效率，計算時一般取0.95;B為電機容量儲備系數(shù)，B=1.5。

3.5 通風(fēng)風(fēng)機選型及布置

根據(jù)通風(fēng)技術(shù)及機械配置方法，采用2×160 kW軸流風(fēng)機送風(fēng)至掌子面，送風(fēng)距離保證在1 500 m之內(nèi)。

通風(fēng)系統(tǒng)包括4#引水洞鉆爆段、橫通道及通風(fēng)洞，構(gòu)成平行巷道的循環(huán)通風(fēng)和掘進工作面的管道通風(fēng)兩部分。在4#引水洞引(4)16+129.129處左側(cè)開挖一條斷面為6.0 m×5.8 m，長為329.409 m的通風(fēng)支洞，斜交連接通風(fēng)主洞(通風(fēng)主洞斷面為7.0 m×6.5 m，長594.619 m;通風(fēng)支洞連接通風(fēng)主洞斷面為5.0 m×6.0 m，長274.569 m)，在洞內(nèi)布置通風(fēng)機將污濁空氣抽出洞外。在東引1#施工支洞與2#引水洞交叉口布置通風(fēng)機，為避免污濁空氣通過東引2#施工支洞向其它洞內(nèi)擴散，在東引2#施工支洞至通風(fēng)支洞與4#引水洞交界點之間設(shè)兩道風(fēng)門，車輛通過時交替開啟。

4 結(jié)論

1)從隧洞實際施工看，分析得出的特長復(fù)雜隧洞施工通風(fēng)方案可行，能夠滿足隧洞工程施工要求。

2)結(jié)合錦屏二級水電站隧洞群實際研究出的通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速以及設(shè)備配置可確保工程通風(fēng)需要并能保證施工人員安全。

3)鑒于隧洞工程建設(shè)及施工組織異常復(fù)雜，且各階段施工方法、施工條件不同，所以其通風(fēng)方式、取風(fēng)與排風(fēng)通道、所需風(fēng)量及風(fēng)壓、風(fēng)阻等參數(shù)均要求不同，必須依據(jù)實際情況對通風(fēng)系統(tǒng)隨時作出相應(yīng)調(diào)整、重新布置、分析和論證，以保障施工人員安全和整個工程順利完工。

［1］中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL/T5099—1999水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:水力電力出版社，1999.

［2］肖清華.錦屏二級電站引水隧洞群施工平臺總體規(guī)劃研究［J］.鐵道建筑，2008(7):55-57.