棋盤石長達隧道通風設(shè)計及施工維護技術(shù)

摘 要：棋盤石隧道是向莆鐵路唯一一座長達Ⅰ級風險隧道，獨頭掘進長達5.4km，棋盤石隧道施工過程中通風系統(tǒng)的方案設(shè)計選定、設(shè)備選型及安裝、施工維護、安全操作注意事項等進行了詳細敘述。在施工中設(shè)備運行良好、通風效果滿足要求，保證施工人員職業(yè)健康、機械設(shè)備安全的同時，保證施工進度、降低施工成本，經(jīng)濟效益明顯，可為類似長大隧道施工通風借鑒。

關(guān)鍵詞：長達隧道；通風應(yīng)用；施工維護

中圖分類號：U453.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0159-03

1 工程概況

向莆鐵路設(shè)計時速200km，預留時速250km，本管段施工的棋盤石隧道起于尤溪縣城關(guān)鎮(zhèn)，止于尤溪縣臺溪鄉(xiāng)清溪村。隧道進出口里程為DK400+988～DK411+796，為雙線隧道，全長10808m（我項目部施工7212m，施工里程為DK400+988～DK408+200），單面上坡，坡度為7.6‰，隧道最大埋深770m，獨頭掘進距離最長為2#橫洞工區(qū)5350m（其中橫洞長度為2150m）。其余輔助孔道基本同樣存在獨頭施工距離長，通風難度大的特點，隧道掘進指標每月最高要到達160m以上滿足工期要求，因此，施工通風制約生產(chǎn)的重要因素，解決好施工通風將會大大改善施工作業(yè)環(huán)境，加快施工進度。本隧道輔助導坑設(shè)置如表1所示。

棋盤石隧道巖性主要為沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖夾砂礫巖，熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖，大理巖、滑石化白云質(zhì)大理巖等。隧道可能存在斷層、巖溶、突泥涌水、巖爆等不良地質(zhì)條件。為鐵道部認定的全標段唯一的一座I級風險隧道。其現(xiàn)場立體圖如圖1所示。

2 通風方案確定

2.1 基本原理

本隧道設(shè)計各工作面采用壓入式獨頭通風。根據(jù)筆者單位類似隧道工程的施工經(jīng)驗和目前現(xiàn)有的通風設(shè)備，本隧道具體通風方式分階段進行。棋盤石隧道1#斜井、2#橫洞、3#橫洞采用階段性通風方案，初期采用長管路壓入式通風為主，管路過長時雙機串聯(lián)供風。考慮通風效果采用射流風機對氣流進行誘導。通風示意圖如圖2所示。

2.2 通風標準

根據(jù)國家及部門有關(guān)勞動衛(wèi)生標準的規(guī)定，棋盤石隧道洞內(nèi)作業(yè)段確定以下標準。

2.2.1 粉塵濃度

空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg/m3；含游離二氧化硅在10%以下時，不含有害物質(zhì)的礦物性和動植物性的粉塵為10mg；含游離二氧化硅在10%以下的水泥粉塵為6mg。

2.2.2 洞內(nèi)空氣成分（體積計）

氧氣含量不應(yīng)低于20%，二氧化碳不得大于0.5%。

2.2.3 有害氣體允許濃度

空氣中CO濃度不得超過24PPm（30mg/m3），施工人員進入開挖面時，濃度可允許到100mg/m3（80PPm），但必須在30min內(nèi)降至30mg/m3；氮氧化合物不得超過0.00025%，質(zhì)量濃度不超過5mg/m3。

2.2.4 洞內(nèi)溫度

隧道掌子面溫度不宜超過28℃。

2.2.5 洞內(nèi)風量

每人供給新鮮空氣不少于3m3/min，內(nèi)燃機械每千瓦供風量不小于3m3/min。

2.2.6 洞內(nèi)風速

鉆爆法施工，不小于0.25m/s。

2.3 數(shù)據(jù)驗算、計算方面

按洞內(nèi)工作人員進行計算（高峰洞內(nèi)一次最多工作人員為110人，每人按照3m3/min）

Q=110×3=330m3/min

按允許平均風速（一般正洞取0.25m/s，輔助坑道取0.25m/s）。

雙線正洞130m2：Q=0.25×60×130=1950m3/min

單線正洞85m2：Q=0.25×60×85=1275m3/min

橫洞40m2：Q=0.25×60×40=600m3/min

斜井55m2：Q=0.25×60×55=825m3/min

按排除炮煙：取一次爆破炸藥用量（取正洞最大量計算單耗為1.0kg/m3，一個循環(huán)長度為3m）1×130×3=390kg，炮煙拋擲長度L0=15+G/5=15+390/5=93m。

通風時間為20min（通風時間可根據(jù)實際情況選取，可以取15min、20min、30min等）；

按稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣計算（額定功率系數(shù)法計算）：

取一個工作面出碴時最大運距為5100m，即170kW，自卸車10臺；按3m3/min·kW計算。：

運輸車Q=170*10*3=5100m3/min

簡算方法：對于170kW發(fā)動機的自卸車，相當于每1km洞內(nèi)運距配兩臺自卸車，每輛車的供風量為500m3/min，即運距1km需要運距1000m3/min。

通風機的風量：按隧道允許最低平均風速1170m3/min和排除炮煙所需工作面風量1500m3/min，取工作面風量1500m3/min。

取風管平均百米漏風率為1.5%，漏風系數(shù)：

Pl=（1-P100×L/100）-1

根據(jù)上述計算最長距離需要通風量見表2。

風機風壓計算：

管道風阻系數(shù)：Rf=6.5αL/D5

α為摩阻系數(shù)，一般取0.0019～0.0024，上式中取0.0022；L為風管長度；d為風管的直徑（下同）。

管道沿程風壓損失：hf=RfQj2/PL

局部風壓損失：局部風壓損失可按增加10%～15%估算：

風機全壓：ht=1.1hf

上式計算風壓見表3。

2.4 設(shè)備方面

根據(jù)所需最大通風量和風壓計算選擇的風機型號見表4。

2.5 通風方案概述

2.5.1 棋盤石隧道1#斜井通風方案

在開挖1#斜井未進入主洞前（為第一階段通風）：在洞口設(shè)1臺SDF（C）-N011型軸流風機，利用“變極多速”的特點調(diào)整風機的功率，即滿足通風需要同時考慮通風的經(jīng)濟性。通過直徑1.5m風管將新鮮的空氣送到作業(yè)面。詳見圖3。

當開挖進入主隧道時（為第二階段通風）：隧道內(nèi)有兩個工作面；在1#斜井與隧道的交接處（三通口）設(shè)1個三通管，利用F1分別向兩個工作面送新鮮空氣。為加快隧道內(nèi)的空氣循環(huán)，在三通口前1#斜井內(nèi)設(shè)S1射流風機（風機距三通口20m），把污濁空氣吹出洞外。見圖4，S1為射流風機。

1#斜井至隧道進口段開挖結(jié)束（為第三階段通風）：1#斜井工區(qū)向大里程方向根據(jù)工期安排，掌子面大體在里程 DK403+500左右。由于棋盤石隧道進口沒有出碴的能力，仍考慮由斜井出碴。此時為了考慮風機效率和通風效果及節(jié)約用電將F1，SDF（C）-N011移至洞內(nèi)，距離斜井與主洞交接里程向小里程約50m。為了達到更好的通風條件在SDF（C）-N011尾部200m處設(shè)置S1射流風機，對新鮮空氣起誘導作用。對軸流風機周圍空氣質(zhì)量狀況進行檢測，當空氣質(zhì)量達不到要求時在風機前設(shè)置1風門，防止污濁空氣形成循環(huán)。在斜井與正洞的交接處向斜井方向增加S2射流風機誘導污濁空氣由斜井排出。調(diào)整F1風機的管路長度，滿足掌子面掘進需要，直到到施工結(jié)束。詳見圖5。

2.5.2 棋盤石隧道2#橫洞通風方案

在開挖2#橫洞未進入主洞前（為第一階段通風）：在洞口設(shè)1臺SDF（C）-N012.5型軸流風機，通過直徑1.5m風管將新鮮的空氣送到作業(yè)面。利用SDF（C）-N012.5“變極多速”的特點調(diào)整風機的功率，到達既滿足通風要求，滿足節(jié)約用電的目的。通風示意圖見圖6。

當開挖進入主隧道時（為第二階段通風）：，此時距離2#橫洞洞口約2000m，通風機F1的風壓減弱；為加快工作面空氣循環(huán)，在三通口設(shè)一臺射流風機S1，加快污濁空氣的排出。見圖7。

第三階段隧道開挖至DK406+500左右（為第三階段通風）：此時通風機F1的風壓進一步減弱，需增加一臺軸流風機F2與F1形成接力，增加工作面的風壓；距離工作面約50m的位置增加一臺射流風機S1，加快工作面的空氣循環(huán)。此通風方式保持到開挖結(jié)束。見圖8。

3 通風管理

3.1 風機安裝

風機支架穩(wěn)固結(jié)實，地基承載能力滿足要求，如隧底較軟弱，應(yīng)經(jīng)硬化處理，避免風機運行震動，產(chǎn)生傾覆；風機出口處設(shè)置加強型柔性管與風管連接，結(jié)合處多道綁扎，減少漏風。

3.2 風管安裝

風管選擇，在施工條件允許情況下，用于長大隧道通風的風管過風面積取開挖面積的1/25～1/20，已確定其直徑。風管使用前進行外觀檢查，檢查出廠合格證件是否齊全、規(guī)格型號是否與要求相符，保證無損壞、粘結(jié)縫牢固平順、接頭完好嚴密；風管掛設(shè)要平、順、直，風管懸吊要穩(wěn)固，懸掛高度一致。為克服長期使用風管疲勞造成的長度延伸、撓度增大，每月進行一次系統(tǒng)檢查，保證通風效果。

3.3 通風管理及維護

通風機應(yīng)有專人值守，按規(guī)程要求操作風機。風機應(yīng)盡量減少停機次數(shù)，發(fā)揮風機連續(xù)運轉(zhuǎn)性能。需停機或開啟時，根據(jù)洞內(nèi)調(diào)度通知進行。為減少風機啟動時的氣錘效應(yīng)對風管的沖擊破壞，應(yīng)采用分級啟動，分級間隔時間為3min。為達到良好的通風效果、避免開挖、運輸與通風的不協(xié)調(diào)，設(shè)立專門的通風技術(shù)人員和管理人員，切實加強通風系統(tǒng)的管理，保證通風正常運轉(zhuǎn)。及時按照要求掛接風管并修補破洞，養(yǎng)活漏風率，充分發(fā)揮壓入式通風系統(tǒng)的整體功能效應(yīng)。

3.4 通風監(jiān)測

定期測試通風量、風速、風壓，并作好記錄；經(jīng)常檢查和維修通風機具，包括通風設(shè)備的供風能力、動力消耗、風管有無損傷；為保證通風效果，須及時接長風管，調(diào)整出口至工作面的距離；管理好進洞的污染源和運輸?shù)缆罚磧?nèi)不要停放閑置的機具和堆積雜物，以免影響風流；定期測試粉塵和有害氣體濃度，并作好記錄，發(fā)現(xiàn)超標及時反映。

3.5 安全措施

風機安裝牢固，風機前后不得堆放雜物，避免影響風機風量，防止異物進入風機損壞葉片。風機安裝過載限壓等保護裝置，發(fā)生異常時，能自動停機，起到保護作用；通風機進氣口設(shè)置鐵蓖，防止異物進入風機損壞葉片和風機傷人事故的發(fā)生；非操作人員嚴禁私自開啟通風機電源。通風機司機開啟電源前，應(yīng)確認前方是否有人員維修和接長風管，防止送風傷人；風機支架、風管承重索要經(jīng)常檢查，防止因銹蝕或其它原因造成斷裂造成損失。

4 結(jié)語

經(jīng)過理論計算、分析，借鑒國內(nèi)長大隧道通風先進技術(shù)，棋盤石隧道采用壓入式通風結(jié)合射流通風技術(shù)。整個施工過程中，通風狀況良好，掌子面粉塵、一氧化碳濃度、氮氧化物濃度、氧氣含量、二氧化碳含量等均達到要求，各掌子面能見度良好，滿足施工作業(yè)人員健康、機械設(shè)備作業(yè)及有軌運輸車輛運行安全要求。降低了施工成本，保證了工程質(zhì)量、進度。

隧道施工有輔助導坑時，根據(jù)正洞與輔助導洞進度情況分階段采用不同通風方案；加強通風管理是實現(xiàn)壓入式通風效果的關(guān)鍵。

參考文獻

[1] 賴滌泉.隧道施工通風與防塵[M].北京：中國鐵道出版社，1994.

[2] 孫研.通風機選型實用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

郵寄地址：甘肅省天水市麥積區(qū)三岔鄉(xiāng)閆西村中鐵十三局寶蘭客專一工區(qū)項目部林令好收。

聯(lián)系方式：15769318597