特長隧道施工通風(fēng)技術(shù)

楊世林

(福建省第一公路工程公司)

1 工程概況

銅巖隧道是沈海復(fù)線柘榮至福安段高速公路第A10 合同段控制性工程，隧道全長4 939 m。我合同段承建出口段2967.5 m/0.5 座，位于康厝鄉(xiāng)銅巖村，為分離式雙洞隧道，洞身圍巖級別以Ⅱ～Ⅲ級為主，隧道出口段及斷層構(gòu)造帶和節(jié)理密集帶內(nèi)圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。共設(shè)置4 處車行橫洞，8 處人行橫洞，2 個配電橫洞，緊急停車帶4 個(單洞)。

隧道按新奧法施工原理，采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土(鋼筋掛網(wǎng))、鋼拱架等為初期支護，大管棚、超前小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，二次襯砌采用模筑防水混凝土。

2 作業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

(1)空氣中的氧氣含量在作業(yè)過程中始終保持在19.5%以上。

(2)粉塵容許濃度:每立方米空氣中，含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不大于2 mg;含有10%以下的游離二氧化硅的礦物性粉塵不大于4 mg;電焊煙塵、水泥粉塵、煤塵的總塵不大于4 mg/m3。

(3)有害氣體最高容許濃度:二氧化氮、二氧化硫為5 mg/m3，二氧化碳為9 000 mg/m3，一氧化氮為15 mg/m3。

(4)隧道洞內(nèi)氣溫不得高于28 ℃，噪聲不得大于90 dB。

(5)洞內(nèi)作業(yè)所需最小風(fēng)量，每人應(yīng)供給新鮮空氣3 m3/min，內(nèi)燃機械作業(yè)供風(fēng)量不得小于4.5 m3/(min·kW)，全斷面開挖風(fēng)速不得小于0.15 m/s，坑道施工最小風(fēng)速Vmin=0.25 m/s。

3 影響洞內(nèi)環(huán)境因素

洞內(nèi)掘進鉆孔、裝碴、車輛行駛、噴射作業(yè)產(chǎn)生的粉塵，爆破、內(nèi)燃機車作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體。

4 通風(fēng)方案比選

壓入式通風(fēng)。通風(fēng)機將新鮮空氣經(jīng)風(fēng)管直接壓送到掘進工作面，置換炮煙并排出洞外。因特長隧道洞身長，排出炮煙所需風(fēng)量大，通風(fēng)時間長，作業(yè)環(huán)境差，不宜選用。

吸出式通風(fēng)。吸風(fēng)管進口靠近工作面，由通風(fēng)機將炮煙直接吸出洞外。因風(fēng)流由風(fēng)筒末端吸入，洞內(nèi)有害氣體、粉塵不易排出。吸出式通風(fēng)需硬質(zhì)風(fēng)筒，或帶剛性骨架的可伸縮風(fēng)筒，成本高且適應(yīng)性較差，不宜選用。

平行導(dǎo)坑式通風(fēng)(巷道式通風(fēng))。在有平行導(dǎo)坑的長隧道施工中，利用平行導(dǎo)坑及橫洞作為通風(fēng)道，以減小風(fēng)機的風(fēng)壓，在工作面附近加設(shè)局部通風(fēng)配合。

經(jīng)過比較分析，采用巷道式通風(fēng)方案。

5 巷道式通風(fēng)施工

5.1 通風(fēng)原理

將隧道左右線形成一個大的快速空氣流通通道，因左洞設(shè)計標(biāo)高大于右洞1.56 m，洞內(nèi)污濁空氣易匯集于左洞流出，所以考慮右洞作為新鮮空氣供應(yīng)通道，左洞作為污濁空氣排出通道。通過風(fēng)機前的橫洞和左洞組成風(fēng)流循環(huán)系統(tǒng)，在左洞沿線設(shè)置多臺射流風(fēng)機，將污濁空氣排出洞外，在右洞相應(yīng)位置安裝軸流風(fēng)機，抽取新鮮空氣送入洞內(nèi)。

5.2 通風(fēng)流量計算(1)計算參數(shù)

按供給每人新鮮空氣量m=3 m3/min;坑道施工通風(fēng)最小風(fēng)速Vmin=0.25 m/s，正洞最大開挖面積SZ=96 m2;開挖爆破一次最大藥量a =240 kg;爆破后通風(fēng)時間t =30 min;風(fēng)管百米漏風(fēng)率β = 2%，風(fēng)管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為λ =0.007 8，風(fēng)筒直徑為1.5 m。

(2)風(fēng)量計算

按洞內(nèi)通風(fēng)最小風(fēng)速計算風(fēng)量

Q風(fēng)速=Vmin×SZ×60s=0.25×96×60 s=1440(m3/min)

按洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)計算風(fēng)量

Q人員=4 ×m×1.2 =4 ×50 ×1.2 =240(m3/min)

m 為正洞按50 人計。

按洞內(nèi)同一時間爆破使用的最多炸藥用量計算風(fēng)量

Q炸藥=(5×a×b)/t=(5×240×40)/30=1 600(m3/min)

b 為公斤炸藥爆破時所構(gòu)成的一氧化碳體積，取40 L。

按洞內(nèi)使用內(nèi)燃機械計算風(fēng)量

計算公式:Q內(nèi)燃=Q0×ΣP

式中:ΣP 為進洞內(nèi)燃機械馬力總數(shù)。

該隧道洞內(nèi)內(nèi)燃動力在出渣時期有ZLC50 側(cè)卸式裝載機和CQ1261T 自卸汽車。其中側(cè)卸式裝載機2 臺，每臺最大功率162 kW，計算功率145 kW;4 臺自卸車(滿載車2 臺，空車2 臺)，滿載功率按110 kW，計算功率99 kW，空車計算功率按滿載80%計，即79 kW。則需風(fēng)量為:

Q內(nèi)燃=Q0×ΣP=3×(145×2+99×2+79×2)=1 938 m3/min

Q需= max(Q風(fēng)速，Q人員，Q炸藥，Q內(nèi)燃)=1 938 m3/min。

洞內(nèi)風(fēng)機通過通風(fēng)管為工作面供風(fēng)，取最大通風(fēng)長度L=1 800 m。風(fēng)管百米漏風(fēng)系數(shù)β 為2%，風(fēng)機所需風(fēng)量為Q機:

B=L/100 =1 800/100 =18

A=(1－β)B=(1－0.02)18=0.7

Q機=Q需/A=1 938/0.7 =2 769 m3/min風(fēng)壓計算

C=ρ×L=1 ×1 800 =1 800;

W=C/2D=1 800/(2 ×1.5)=600

S風(fēng)管=πD2/4 =1.77 m2;

V=Q需/S風(fēng)管=2 769/1.77 =1 564 m/min

H摩=λ×W×V2=0.007 8 ×600 ×15.642=1 145 Pa

式中:ρ 為空氣密度，按ρ=1.0 kg/m3計;V 為風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速。風(fēng)管內(nèi)摩阻系數(shù)λ 取0.007 8。

系統(tǒng)風(fēng)壓H=1.2H摩=1.2 ×1 145 =1 374 Pa。

5.3 風(fēng)機選型

特長隧道通風(fēng)，以軸流風(fēng)機和射流風(fēng)機為主。

根據(jù)上述Q 機、H 的計算結(jié)果，參考風(fēng)機性能曲線選擇風(fēng)機，要求風(fēng)量、風(fēng)壓處于被選擇風(fēng)機的高效區(qū)內(nèi)，即η =0.8 為佳。

Y280s－4 型軸流流風(fēng)機功率為2 ×75 kW，壓力為920～5 950 Pa ＞H(1 374 Pa)，高效流量2 900 m3/min ＞Q機(2 769 m3/min)。故選用Y280s－4 型軸流流風(fēng)機，并配以φ1 500 mm 軟質(zhì)雙抗(抗燃燒、抗靜電)風(fēng)管，每節(jié)30 m。

5.4 通風(fēng)施工

(1)洞內(nèi)變壓器安裝

為滿足洞內(nèi)用電需求，采用高壓電進洞方案，在距左洞口1 200 m 位置右側(cè)安裝1 臺630 kW 變壓器，以供2 臺通風(fēng)機(每臺150 kW)，射流風(fēng)機至少2 臺(每臺30 kW)，輸送泵2 臺(每臺65 kW)及其他設(shè)備和照明用。

(2)轉(zhuǎn)向車道(車行橫洞)施工

巷道式通風(fēng)正式運行后，為使吸入的新鮮空氣不受污染，右洞口將關(guān)閉，所有通行車輛從左洞進出，故需在洞內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)向車道。待ZK81 +245 的車行橫洞開挖、初支按設(shè)計要求完成后，及時將基底整平，并澆筑15 cm 厚C20混凝土基層，橫洞兩側(cè)電纜溝采用石粉鋪設(shè)并安放鋼板使車輛轉(zhuǎn)向過度，并設(shè)置醒目指示牌。

(3)軸流風(fēng)機安裝

將原放置于洞口的2 臺150 kW 的軸流風(fēng)機順排安裝于右洞YK81 +279 右側(cè)，兩臺距離相間10 m 左右。軸流風(fēng)機安放于制作好的鐵架上，四周采用安全宣傳標(biāo)語包裹，并設(shè)置反光錐。設(shè)備安裝就位后，布設(shè)電線，電線從洞內(nèi)變壓器接出，經(jīng)ZK81 +456 人行橫洞引至右洞并沿二襯邊墻順至軸流風(fēng)機附近，后環(huán)繞拱頂接至軸流風(fēng)機上，沿途電線需統(tǒng)一懸掛于墻壁上，并設(shè)置相應(yīng)漏電保護措施。

(4)風(fēng)帶安裝

為滿足通風(fēng)要求，風(fēng)帶口徑為Φ1.5 m，左洞風(fēng)帶從掌子面(距掌子面約15 m)至ZK81 +245 車行橫洞段沿外側(cè)布設(shè)，隨后轉(zhuǎn)至ZK81 +245 車行橫洞洞頂穿過，直至與通風(fēng)機相接。右洞風(fēng)帶從掌子面沿隧道走向順接至通風(fēng)機即可。

(5)射流風(fēng)機安裝

因隧道左洞標(biāo)高大于右洞1.56 m，洞內(nèi)污濁空氣易匯集于左洞流出，故選定左洞為排煙洞。射流風(fēng)機統(tǒng)一安放于左洞，距掌子面300 m 布置，每相間300 m 安裝一臺。同時至洞口段所有人、車行橫洞兩端均采用防水板封堵，防止污濁空氣與新鮮空氣串流。

6 通風(fēng)管理

通風(fēng)是隧道施工中至關(guān)重要的一道工序，直接關(guān)系到隧道的進度與否。制訂科學(xué)合理的通風(fēng)方案和切實可行的保障措施，我們以“合理布局，優(yōu)化匹配，防漏降阻，嚴格管理、確保效果”二十字方針，強化通風(fēng)管理。

7 效益分析

7.1 加快施工進度

施工過程中，洞內(nèi)可始終保持清晰的空氣。(1)空氣清晰，可視條件好，提高測量放樣效率;(2)鉆孔時掌子面溫度相對降低、含氧量足，有助于勞動力施工;(3)爆破后排煙，送風(fēng)機通過風(fēng)管送至掌子面，較單純管道通風(fēng)減少了通風(fēng)阻力，降低了耗能，通風(fēng)時間由原來的1 h 減小到20～30 min;(4)出碴過程中，洞口實現(xiàn)無障礙封堵，節(jié)約了運輸時間和減少了安全隱患。

7.2 降低成本、創(chuàng)造效益

(1)節(jié)約風(fēng)管鋪設(shè)長度，尤其是特長隧道數(shù)量可觀。目前，左右洞開挖合計4 263 m，通風(fēng)管僅耗用1 500 m，較單純管道通風(fēng)節(jié)省了2 763 m 的通風(fēng)帶，降低成本投入，提高施工效益。

(2)為減小投入，將原有的2 臺75 ×2 軸流風(fēng)機移至右洞內(nèi)，同時在左洞內(nèi)安裝若干臺向洞外抽風(fēng)的小型射流風(fēng)機，使洞內(nèi)形成負壓，洞內(nèi)污濁空氣自然流出洞外，使用抽風(fēng)的射流風(fēng)機僅開低檔即可達到預(yù)期的通風(fēng)排煙效果。

(3)人的精神狀態(tài)好，效率高，施工快，減少對身體傷害。

8 結(jié)束語

銅巖隧道通風(fēng)系統(tǒng)改造后，不僅為洞內(nèi)作業(yè)人員的施工環(huán)境創(chuàng)造了有利條件，也為縮短開挖循環(huán)時間提供實質(zhì)性保障。隨著后續(xù)掘進深度的不斷推進，變壓器、軸流風(fēng)機、射流風(fēng)機及配套設(shè)施可根據(jù)實際通風(fēng)情況進行調(diào)整，以保證隧道通風(fēng)與掘進施工配套齊行。

［1］公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTG/60－2009)［S］. 人民交通出版社，2009.

［2］公路隧道施工技術(shù)細則(JTG/T60－2009)［S］. 人民交通出版社，2009.

［3］福建省高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化管理指南(隧道工程)［M］. 人民交通出版社，2013.