引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM 通風(fēng)系統(tǒng)改造

簡江濤

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710024）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速推進(jìn)，TBM在引水、公路、地鐵等隧道開挖中得到了廣泛應(yīng)用。TBM集隧道開挖、支護(hù)、出渣、通風(fēng)除塵于一體，具有快速、安全、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保等施工特點(diǎn)。通風(fēng)系統(tǒng)作為TBM施工的重要保障，是影響TBM掘進(jìn)效率和人員作業(yè)環(huán)境的決定性因素。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程又稱陜西南水北調(diào)工程項(xiàng)目，用以滿足西安市、咸陽市、渭南市、楊凌區(qū)4 個重點(diǎn)城市及沿渭河兩岸的12 個縣級城市和6 個工業(yè)園的調(diào)輸配水工程。該項(xiàng)目是解決陜西關(guān)中、陜北缺水的戰(zhàn)略性水資源配置工程。引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，穿越秦嶺主脊的TBM施工段全長約34 km，是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的控制性項(xiàng)目。

TBM嶺北施工段全長16.13 km，分為第一階段和第二階段施工，輔助洞段包括5 號支洞、6 號支洞。項(xiàng)目采用從德國海瑞克引進(jìn)的一臺敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM S-795）進(jìn)行施工，TBM刀盤開挖直徑為8020 mm，整機(jī)全長209 m，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣。

2 TBM 通風(fēng)系統(tǒng)的重要性

TBM通風(fēng)是隧道開挖的重要保障措施，其重要性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）TBM開挖需要新鮮風(fēng)供給氧氣，缺少通風(fēng)會導(dǎo)致工人缺氧，嚴(yán)重時甚至昏迷。

（2）掘進(jìn)施工產(chǎn)生大量灰塵，柴油機(jī)車也會排出大量油煙?；覊m和油煙聚集在TBM 區(qū)域會對作業(yè)人員造成身體損害，TBM通風(fēng)可將灰塵和油煙壓出洞外。

（3）TBM 變壓器、電機(jī)、空壓機(jī)等會散發(fā)大量的熱，刀盤切削巖石、混凝土凝固也會產(chǎn)生大量的熱。熱氣集中在TBM區(qū)域會惡化作業(yè)環(huán)境、損害各項(xiàng)設(shè)備，且熱量會產(chǎn)生水霧影響電氣元件的絕緣。TBM 通風(fēng)可帶走大部分的熱量和水霧。

3 前期通風(fēng)存在問題

第一階段TBM施工最遠(yuǎn)通風(fēng)距離為11.7 km，通風(fēng)方案為洞口獨(dú)頭壓入式通風(fēng)。

第二階段前期施工利用5 號、6 號支洞形成的自然循環(huán)風(fēng)，采用洞內(nèi)采風(fēng)方式。前期通風(fēng)方式見圖1。

圖1 前期通風(fēng)示意圖

掘進(jìn)至5000 m 時，TBM 區(qū)域溫度已達(dá)39℃，濕度達(dá)到95%。工人作業(yè)環(huán)境極端惡劣，雖采取多種措施，環(huán)境溫度依然無法降低（見圖2 TBM區(qū)域冰塊降溫）。

圖2 TBM 區(qū)域冰塊降溫

高溫高濕環(huán)境還造成了20 KV 變壓器擊穿（見圖3）以及大量電氣元件損壞，由此導(dǎo)致TBM故障率高居不下，嚴(yán)重影響了TBM的施工生產(chǎn)。

圖3 20 KV 變壓器擊穿

4 通風(fēng)系統(tǒng)問題分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

為了解決TBM 通風(fēng)問題，對整個隧道內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、粉塵進(jìn)行了測定，隧道內(nèi)風(fēng)向及測點(diǎn)布置見圖4。

圖4 隧道風(fēng)向及測點(diǎn)布置圖

采用測量儀器對各測點(diǎn)的風(fēng)速、溫度、濕度進(jìn)行測定，其結(jié)果見表1。

表1 TBM 隧道內(nèi)風(fēng)速、溫度、濕度數(shù)據(jù)測量結(jié)果

4.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集以后，邀請專業(yè)人士對隧道內(nèi)回風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和濕度進(jìn)行了分析。

（1）熱源分析：隧道內(nèi)主要熱源有刀盤切削巖石發(fā)熱、TBM設(shè)備（變壓器、空壓機(jī)、電機(jī)等）散熱、襯砌混凝土凝固放熱、車輛排熱、巖溫等。

（2）風(fēng)向分析：經(jīng)測定，隧道內(nèi)的風(fēng)向主要為6 號洞口的進(jìn)風(fēng)通過主洞第一階段從5 號洞口溢出，第二階段的TBM回風(fēng)也從5 號洞溢出。

（3）回風(fēng)風(fēng)速分析：6 號支洞與5 號支洞之間有少量風(fēng)速，5 號支洞交叉口到TBM段的回風(fēng)風(fēng)速基本為0，襯砌斷面前方尚有少量風(fēng)流動。

（4）進(jìn)風(fēng)風(fēng)速分析：進(jìn)風(fēng)到達(dá)TBM 尾部時只有2.6 m/s，風(fēng)速較小。風(fēng)機(jī)功率較小且沿途風(fēng)阻較大。

（5）溫度分析：隧道內(nèi)高溫區(qū)域主要為TBM 區(qū)域、襯砌區(qū)域；隧道內(nèi)任何部位風(fēng)的溫度都高于洞外環(huán)境溫度。

（6）濕度分析：經(jīng)分析數(shù)據(jù)可得出溫度高的區(qū)域濕度較大。

4.3 數(shù)據(jù)結(jié)論

對分析結(jié)果進(jìn)行深入研究后得出以下結(jié)論：

（1）洞外環(huán)境為15℃時，洞內(nèi)采集風(fēng)的溫度已經(jīng)為21℃，再經(jīng)過沿途升溫后，到達(dá)TBM尾部的溫度已達(dá)29℃。對系統(tǒng)改造時需采用洞外取風(fēng)方式。

（2）風(fēng)送至TBM尾部時只有2.6 m/s 的風(fēng)速，風(fēng)量較小，必須加大供風(fēng)量。

（3）襯砌臺車前部尚有少量風(fēng)速，襯砌臺車后整個掘進(jìn)段的風(fēng)速都為0 m/s。襯砌臺車阻礙了隧道內(nèi)的回風(fēng)，必須加快襯砌臺車部位的回風(fēng)速度。

（4）TBM第二階段回風(fēng)會被第一階段的風(fēng)進(jìn)行阻隔，造成回風(fēng)困難，見圖5 回風(fēng)阻隔示意圖。

圖5 回風(fēng)阻隔示意圖

5 通風(fēng)系統(tǒng)改造措施

嶺南接應(yīng)施工期間，TBM將進(jìn)入高巖溫、大埋深施工區(qū)段，通風(fēng)距離將達(dá)到16.5 km（5 號支洞4620 m+第二階段主洞段8920 m+嶺南接應(yīng)段3000 m），超過現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)能力，加上高地溫和高濕度影響，需要對現(xiàn)有通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而保證施工現(xiàn)場用風(fēng)需要。

5.1 洞外取風(fēng)

洞外取風(fēng)的主要方式是在5 號支洞洞頂并行懸掛兩條Φ1.5 m 軟質(zhì)風(fēng)筒，主洞采用Φ2.2 m 的風(fēng)筒由接力風(fēng)機(jī)供風(fēng)至TBM 上的二次風(fēng)機(jī)上；5 號支洞洞口安裝軸流風(fēng)機(jī)，5 號支洞交叉口向內(nèi)1000 m 處增加接力風(fēng)機(jī)以及DCR 系統(tǒng)，具體供風(fēng)方案見圖6。

圖6 洞外取風(fēng)示意圖

5.1.1 洞口主驅(qū)動風(fēng)機(jī)的安裝

為了節(jié)約成本，洞外取風(fēng)使用洞內(nèi)的原風(fēng)機(jī)。將5 號支洞與主洞交叉口的風(fēng)機(jī)進(jìn)行拆卸，然后采用平板車運(yùn)至5 號支洞口。在5 號支洞口焊接風(fēng)機(jī)托架，風(fēng)機(jī)托架采用門架形式。利用25T 汽車吊車吊運(yùn)到風(fēng)機(jī)托架上進(jìn)行定位安裝（見圖7 洞外風(fēng)機(jī)安裝）。鋪設(shè)電纜并清理風(fēng)機(jī)扇葉、電機(jī)、變頻器、控制柜等進(jìn)行安裝。

圖7 洞外風(fēng)機(jī)安裝

5.1.2 5 號支洞風(fēng)筒的安裝

5 號支洞洞徑較小，安裝Φ2200 mm 的風(fēng)筒會與行走車輛干涉。支洞風(fēng)筒選用Φ1500 mm 的雙排軟風(fēng)管，采用鋼絲繩并排懸掛于洞頂（見圖8 支洞雙排風(fēng)筒）。施工前需對支洞內(nèi)與風(fēng)筒的懸掛干涉處進(jìn)行清理，軟風(fēng)筒的懸掛通過改造后的裝載機(jī)與南駿車配合進(jìn)行。

圖8 支洞雙排風(fēng)筒

5.1.3 洞口及喇叭口風(fēng)筒變徑的安裝

在5 號支洞口和接力風(fēng)機(jī)前端分別安裝Y 型接口，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和雙排風(fēng)筒的連接。Y 型風(fēng)筒接口采用鋼板焊接而成（見圖8支洞雙排風(fēng)筒）。

5.2 進(jìn)風(fēng)增速

5.2.1 增加接力風(fēng)機(jī)

為了增加進(jìn)風(fēng)的速度，在5 號交叉口TBM方向1 km 處增加接力風(fēng)機(jī)一臺，風(fēng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行控制，風(fēng)機(jī)安裝后效果見圖9 接力風(fēng)機(jī)安裝效果圖。安裝工序安排如下：

（1）通過在地基上制作地錨以及利用現(xiàn)場的拱架，用20A工字鋼焊接制作接力風(fēng)機(jī)的安裝托架。

（2）加工制作4 個吊耳，焊接在現(xiàn)場的拱頂拱架上，并安裝4 個5T 的倒鏈。

（3）將現(xiàn)有的風(fēng)筒在此處切斷，然后通過4 個倒鏈將接力風(fēng)機(jī)吊運(yùn)至與現(xiàn)有風(fēng)筒同一標(biāo)高處。

（4）在風(fēng)機(jī)下部焊接橫梁，橫梁完成后風(fēng)機(jī)放于托架上并加固完成。

（5）風(fēng)機(jī)機(jī)械部件安裝完成后，進(jìn)行風(fēng)機(jī)變頻器的安裝，并進(jìn)行電源電纜和風(fēng)機(jī)電纜的敷設(shè)和安裝。

（6）調(diào)試接力風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，然后連接Y 型風(fēng)筒。

圖9 接力風(fēng)機(jī)安裝效果圖

5.2.2 DCR 的應(yīng)用

為了保證接力風(fēng)機(jī)的供風(fēng)充足，本次通風(fēng)改造應(yīng)用了DCR系統(tǒng)。DCR 風(fēng)箱左右兩側(cè)各有一扇門，可根據(jù)供風(fēng)量的大小來自動開合。風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)量能滿足接力風(fēng)機(jī)供給時，風(fēng)門是閉合狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)量無法滿足接力風(fēng)機(jī)抽取時，風(fēng)門會打開采用隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行補(bǔ)充；DCR 風(fēng)箱安裝于接力風(fēng)機(jī)的尾部，與Y 型接口進(jìn)行連接。

5.2.3 降低風(fēng)阻

為了降低風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)阻，改造期間將風(fēng)筒彎曲部位進(jìn)行了順直，并對破損的風(fēng)筒進(jìn)行了修補(bǔ)和更換。

5.3 回風(fēng)增速

在對風(fēng)速數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，TBM掘進(jìn)主洞段回風(fēng)速度基本為0 m/s。增加回風(fēng)速度主要采取了以下措施：

（1）在襯砌臺車上安裝軸流風(fēng)機(jī)

在襯砌臺車的空隙處安裝軸流風(fēng)機(jī)，減少襯砌臺車對回風(fēng)的阻礙，襯砌臺車前端和后端各安裝軸流風(fēng)機(jī)4 臺，其安裝方式見圖10 襯砌臺車上軸流風(fēng)機(jī)布置圖。

圖10 襯砌臺車上軸流風(fēng)機(jī)布置圖

（2）在主洞段安裝射流風(fēng)機(jī)

在主洞段每隔1 km 安裝一臺射流風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)將回風(fēng)吹向出洞方向，可加快TBM掘進(jìn)段的回風(fēng)速度。

（3）阻隔5 號洞來風(fēng)

據(jù)前面的數(shù)據(jù)分析得知，5 號洞的來風(fēng)會阻礙TBM掘進(jìn)第二階段的回風(fēng)，因此需把5 號洞的來風(fēng)進(jìn)行阻隔，讓回風(fēng)可順利的從5 號支洞溢出。回風(fēng)采用條狀橡膠風(fēng)簾進(jìn)行阻隔，風(fēng)簾固定于洞頂，使用鐵環(huán)與洞底鉤掛。機(jī)車和人員通行時將風(fēng)簾底部掛鉤摘掉。

5.4 質(zhì)量保證措施

通風(fēng)系統(tǒng)的改造采取“合理布局，優(yōu)化方案，工序控制，嚴(yán)格管理”的綜合管理措施以達(dá)到“防漏降阻”保證施工質(zhì)量的目的。需采取的措施：

（1）風(fēng)機(jī)的支架要求所有橫梁在同一平面且水平、焊接堅(jiān)固、地錨≥25 cm。

（2）風(fēng)機(jī)與支架之間增設(shè)橡膠緩沖墊，采用螺栓及拉筋焊接連接。

（3）風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口安裝防護(hù)網(wǎng)。

（4）做好裝載機(jī)腳手架的防護(hù)避免將風(fēng)筒劃傷，懸掛風(fēng)筒盡量縮短風(fēng)筒與吊點(diǎn)距離，不得出現(xiàn)風(fēng)筒吊點(diǎn)漏掛。

（5）需保證接頭的連接牢固、風(fēng)筒安裝順直。

（6）電纜、控制柜鋪設(shè)及安裝位置可靠，風(fēng)機(jī)接線盒的防水防潮處理。

（7）風(fēng)機(jī)試運(yùn)行期間，進(jìn)行不間斷的風(fēng)筒巡查。

5.5 安全保證措施

認(rèn)真落實(shí)“安全第一，預(yù)防為主”的工作方針，嚴(yán)格執(zhí)行“安全施工規(guī)范”和“安全規(guī)章制度”，落實(shí)“安全生產(chǎn)責(zé)任制”及“第一責(zé)任人制度”。

力求施工安全達(dá)到《水利水電工程建設(shè)安全標(biāo)準(zhǔn)》，杜絕特大、重大安全事故，杜絕人身傷亡事故和重大機(jī)械設(shè)備事故。

安全員配合好工班長來進(jìn)行現(xiàn)場的管理，發(fā)現(xiàn)隱患及時提出整改。各工班上班前必須召開班前安全教育、提醒工人注意各項(xiàng)安全隱患。各工班需配備醫(yī)藥箱及應(yīng)急藥品。有人受傷時，配合辦公室積極做好急救工作。安全員每天到現(xiàn)場值班，及時發(fā)現(xiàn)各部位的安全隱患,對安全違規(guī)行為及時制止并處罰。

6 通風(fēng)改造效果

通風(fēng)系統(tǒng)改造完成后，依照改造前的測點(diǎn)對風(fēng)速、溫度和濕度進(jìn)行了檢測。改造后與改造前的數(shù)據(jù)測定在不同日期的同一時間點(diǎn)進(jìn)行，并進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如下：

（1）風(fēng)速

改造以后TBM區(qū)域、襯砌臺車區(qū)域、主洞第二階段的風(fēng)速增大較多；主洞第一階段和6 號支洞的風(fēng)速減?。ㄒ妶D11 改造前后風(fēng)速比較）。因主洞第一階段開挖及襯砌作業(yè)已經(jīng)完成，無人員作業(yè)，風(fēng)速減小后對其影響較小。

圖11 改造前后風(fēng)速比較

（2）溫度

改造以后TBM區(qū)域和襯砌臺車區(qū)域溫度下降5℃左右，主洞第二階段的溫度下降較?。?℃）；主洞第一階段和6 號支洞的溫度增加（見圖12 改造前后溫度比較）。

圖12 改造前后溫度比較

（3）濕度

由數(shù)據(jù)比較得知，隧道內(nèi)濕度隨著風(fēng)速的增大和溫度的降低而減??；溫度越高，則濕度越大。風(fēng)速較低時，濕度將會凝聚在TBM區(qū)域無法排出。改造以后，TBM區(qū)域和襯砌臺車位置的濕度降低20%左右。

7 結(jié)語

本次通風(fēng)改造歷時20 天，實(shí)現(xiàn)了洞外取風(fēng)，降低了環(huán)境溫度和濕度；還提高了氧氣供應(yīng)量，改善了工人作業(yè)環(huán)境。對TBM掘進(jìn)效率和項(xiàng)目效益的提升具有積極作用，可為后續(xù)類似TBM施工提供有益借鑒。