小洞徑長隧洞通風方式的比較與分析

黃 禮 維

(中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

1 概 述

近年來,水利工程建設在全國范圍內受到了廣泛的關注和重視,隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和糧食危機等因素相互疊加和影響,致使水資源短缺、水污染、洪澇和干旱等問題愈發(fā)突出,進而對水資源、水環(huán)境和水災害管理提出了新的挑戰(zhàn),對水利工程建設提出了更高的要求。

由我公司承建的向家壩灌區(qū)北總干渠一期工程內江供水管道自貢段,設計為混凝土襯砌后內徑為2.4 m的圓形壓力輸水隧洞。該標段共設置隧洞10座,總長度約為3 764.631 m,其中長度超過1 000 m的隧洞1座,為石塔村隧洞;其余隧洞的長度均小于1 000 m。石塔村隧洞的長度為1 226.77 m,該隧洞計劃施工總工期為710日歷天,且因隧洞進口處部分農(nóng)戶處于爆破振動范圍內,目前征遷工作難度較大。該隧洞計劃從出口位置采用礦山法單頭掘進,預計開挖施工進度為3～5 m/d,平均進度為4 m/d,計劃開挖施工工期約為300 d。

鑒于采用礦山法施工在隧洞內爆破后會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體,如一氧化氮、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物等,隧洞內爆破后長時間作業(yè)人員無法進入而導致工序延后,工期勢必會受到影響。隨著隧洞施工作業(yè)的深入,洞內有毒有害氣體聚集、氧氣濃度下降、粉塵濃度升高等問題將會相繼出現(xiàn),導致作業(yè)人員長期處于惡劣環(huán)境作業(yè),因此,必需將洞內的粉塵和有害氣體排出洞外或稀釋到安全濃度,在了解粉塵和有害氣體產(chǎn)生原理的基礎上做到從源頭避免或減少其產(chǎn)生[1]。對于不同長度隧洞的通風方式必須進行科學的選擇,以為后續(xù)高節(jié)奏施工做好輔助工作,同時亦為洞內施工創(chuàng)造良好的施工條件,加快施工進度,確保施工安全[2]。 對于石塔村隧洞這種小洞徑長隧洞,其通風系統(tǒng)必須24 h不間斷運行,向隧洞內輸送新鮮的空氣,以對洞內有害氣體的濃度進行稀釋,進而改善隧洞內的空氣質量[3]。項目部技術人員針對該隧洞的實際情況,對目前常用的三種隧洞通風方式具有的優(yōu)缺點進行了分析比較,以求找出適合該工程的通風方式。

2 針對三種通風方式進行的比較與分析

2.1 壓入式通風方式

壓入式通風方式系指通過機械方式強制將新鮮的空氣壓入隧洞內,通過新壓入的新鮮空氣將洞內污濁的空氣擠壓、稀釋排放至洞外,以實現(xiàn)隧洞內空氣的流通,滿足作業(yè)人員及機械設備對氧氣的需求。壓入式通風方式見圖1。

圖1 壓入式通風方式示意圖

(1)優(yōu)點。提供新鮮空氣:壓入式通風方式能夠將新鮮的外部空氣直接壓入隧洞內的掌子面,為掌子面的作業(yè)人員有效地提供充足的氧氣,改善掌子面作業(yè)人員的工作環(huán)境,保證作業(yè)人員的身心健康。通過設置合理的引風點和風機風速、風量的調控,可以精確地控制氣流的方向,使氣流均勻分布于隧洞內的各個部位,將隧洞內各部位的污濁空氣全部擠壓排出,防止有毒有害氣體的聚集,提高通風的效果和質量。壓入式通風能夠將相對較低溫的新鮮空氣引入隧洞,通過新鮮氣體與洞內氣體的交換,能夠有效降低隧洞內部的溫度,提供更為舒適的工作環(huán)境;特別是對一些高地熱高濕度環(huán)境的隧洞,壓入式通風能夠有效解決掌子面作業(yè)人員的高熱高濕環(huán)境,提升作業(yè)人員的工作效率。壓入式通風方式適用于各種類型的隧洞,無論洞徑大小,隧洞長短,其都可以通過合理設置風機功率和數(shù)量實現(xiàn)需要的通風效果。

(2)缺點。壓入式通風需要借助大功率的風機將空氣壓入隧洞,因此而需要消耗大量的能源,增加能耗成本;鑒于通風過程中其風量損失較大,若要在掌子面達到預期的風量,就必須加大風機的功率,勢必造成能源消耗的增加。為實現(xiàn)壓入式通風,需要在隧洞內安裝風機及相應的管道設備,進而增加了施工及維護的工作量;隧洞內的機械設備、隧洞走向、結構物、洞壁的摩擦阻力以及其他阻礙物都會對氣流造成阻力而降低通風效果。由于隧洞內產(chǎn)生的廢氣、煙塵、有毒有害氣體等主要集中在掌子面,而壓入的新鮮空氣直達掌子面后將廢氣、煙塵、有毒有害氣體擠壓到已挖掘出的隧洞排出,導致整個隧洞除掌子面外長期處于污染狀態(tài)。

2.2 吸出式通風方式

吸出式通風方式系指通過機械的方式將隧洞內的污濁空氣抽出來,洞外的新鮮空氣隨著氣壓和氣流變化進入隧洞內實現(xiàn)空氣的流通。吸出式通風方式見圖2。

圖2 吸出式通風方式示意圖

(1)優(yōu)點。吸出式通風方式能夠將隧洞內掌子面的污濁空氣抽出,保持洞內空氣清新,減少有害氣體和粉塵對作業(yè)人員的影響,提高其工作環(huán)境的質量。通過抽出隧洞內的熱空氣和濕氣,吸出式通風可以有效降低隧洞內部的溫度和濕度,提供更為舒適的工作環(huán)境;吸出式通風在掌子面吸出大量的污濁空氣,洞外新鮮的空氣隨著洞內的氣壓變化進入隧洞內,在已開挖的隧洞內除了掌子面外其整體均為新鮮的空氣。

(2)缺點。需要排放污染物:吸出式通風方式將污濁的空氣排放到隧洞外,在設備安裝的附近可能會對周圍環(huán)境造成一定的污染,需要采取相應的措施進行處理和凈化以達到環(huán)境保護的要求;吸出式通風需要使用大功率風機連續(xù)不停工作抽出污濁的空氣,特別是對于洞徑較大的隧洞,吸出污濁空氣的速度慢,時間長,因此需要增加、消耗一定的能源,導致能耗成本直線增大;隧洞的走向、吸出管道的摩阻、管道的密封性等因素均會影響氣流的行走速度和效率,可能導致吸出式通風效果不佳;在掌子面吸出污濁空氣的重點主要為吸出口的布置和數(shù)量,若掌子面面積過大,污濁空氣吸出的速度整體較為緩慢,將對后續(xù)作業(yè)工序造成影響。

2.3 混合式通風方式

混合式通風方式系指通過同時采用壓入式和吸出式通風方式實現(xiàn)通風的方法?；旌鲜酵L方式見圖3。

圖3 混合式通風方式示意圖

(1)優(yōu)點。綜合利用優(yōu)勢:混合式通風方式結合了壓入式和吸出式通風方式的優(yōu)點,既能夠提供新鮮空氣,又能夠有效排除污濁空氣,提高通風效果。通過合理設置壓入口和抽風口的位置和數(shù)量,可以根據(jù)實際需要靈活調節(jié)通風量,滿足不同工況下的通風要求;混合式通風方式適用于各種類型的隧洞,可以根據(jù)具體情況選擇合適的通風方式,提供最佳的通風效果。

(2)缺點。設備的安裝與維護復雜:混合式通風方式需要同時安裝壓入口和抽風口的設備并進行相應的管道布置,進而增加了施工和維護的難度;混合式通風方式需要同時使用壓入式和吸出式通風設備,因此其能耗較大,導致能耗成本增加;混合式通風方式需要綜合考慮壓入式和吸出式通風的因素,包括氣流分布、風機功率等,需要進行合理的設計和調試;同時還需考慮在隧洞開挖初期與后期隧洞的通風距離不一致,既要在初期隧洞較短時減小設備功率,又要在后期隧洞較長時能夠滿足通風要求。

3 三種通風方式優(yōu)缺點的對比分析

3.1 通風效果

壓入式通風方式通過提供新鮮空氣、控制氣流方向、降低空氣溫濕度以及適用性廣泛等特點,對掌子面的空氣流通和置換具有良好的通風效果。吸出式通風方式通過定點吸出污濁空氣、降低溫度和濕度等特點,對整個隧洞的新鮮空氣流通和置換具有較好的通風效果?；旌鲜酵L方式通過綜合利用優(yōu)勢、靈活調節(jié)通風量和適用性廣泛等特點,在污染較小時可以采用壓入式通風和吸出式通風的單機使用模式;在爆破后或長時間累積空氣污染嚴重時可以聯(lián)合使用,進而可以提升隧洞整體的通風效果。

鑒于該項目隧洞洞徑較小,施工過程中的可用空間小,只能按照順序施工作業(yè)方式,在開挖作業(yè)過程中主要集中在掌子面作業(yè),因此,從通風效果進行分析,優(yōu)先選擇的通風方式為壓入式通風。

3.2 能耗

鑒于該項目隧洞通風方式的選擇系采用計算風量選擇設備的方式,可通過設備的功率進行能耗對比分析。其風量的計算為:

(1)按照洞內同時工作的最多人數(shù)計算風量Q1:

Q1=q×m×k

式中:q為每人每分鐘呼吸所需的新鮮空氣量,取4.0 m3/人;m為洞內同時工作的最多人數(shù),取25人;k為風量備用系數(shù),取1.2。

計算得到:Q1=120 m3/min。

(2)按允許最低風速計算風量Q2:

Q2=60×v×A

式中:v為工作面最小風速,全斷面開挖時取0.15 m/s;A為掘進面積,隧洞襯砌完成后半徑為120 cm,隧洞襯砌厚度為40 cm,初支厚度為15 cm,超挖控制按照5 cm計算,則隧洞掘進面積A=πr2=10.2 m2。

計算得到:Q2=91.8 m3/min。

(3)洞內使用的設備均為電動設備,故不考慮內燃機廢氣。

(4)以上計算結果取最大值Q=Max (Q1,Q2)=120 m3/min 作為控制設計通風量。

(5)考慮漏風因素計算:

式中:L為通風距離,該工程隧洞最長為1 226.77 m,擬計劃單頭掘進1 000 m,則通風距離選擇為1 000 m;P100為百米漏風率,取2%。

計算得到:P=1.25。

則其風機的供風量應不小于Qmax=Q×P=150 m3/min。

通過計算得知風機的最小供風量滿足150 m3/min即可。經(jīng)過市場信息匹配,采用壓入式通風電機功率約為2×5.5 kW(11 kW)即能夠滿足通風風量的要求;采用吸出式通風電機則需要采用7.5 kW功率電機方能夠達到吸出風量要求;若采用混合式通風方式則需要選擇壓入式電機功率為2×2.2 kW(4.4 kW),吸出式電機功率為5.5 kW,合計電機功率為9.9 kW方能夠達到通風風量的要求。

從能耗方面分析得知:吸出式通風設備的功率小于混合式通風設備的功率,混合式通風設備的功率小于壓入式通風設備的功率。若僅從能耗方面考慮,可以選擇吸出式通風方式。

三種通風方式的主要設備均采用電動機,其消耗電力能源,較其他工程常用的機械設備采用內燃機消耗化石能源,通風工程屬于“環(huán)保衛(wèi)士”。

3.3 安全性

三種通風方式的主要設備一般均設置在洞口,其用電和設備安全能夠得到保障;壓入式通風采用PVC 增強塑纖布拉鏈式Φ600風管,具有質量輕巧、安裝簡便、風量損失大、使用安全性高等特點,安裝前必須檢查風袋是否有漏風,風袋吊掛與隧洞拱頂平直以確保通風安全[4];吸出式通風風管一般采用鋁合金或鐵板制成通風管,其具有一定的剛度和硬度,運輸和使用較為繁雜,風量損失小,安裝工藝復雜、損壞維修和更換難度大、成本高、占用空間體積大等特點;混合式通風風管采用了具有壓入式通風和吸出式通風兩種特點的材料,能夠滿足混合式通風的要求,但其占用空間最大,對各工序施工影響大,安全風險更高。鑒于該隧洞的開挖直徑僅為3.6 m,隧洞內的可用空間較小,建議采用壓入式通風方式。

在通風過程中,筆者建議安裝通風監(jiān)測系統(tǒng)。通過所安裝的監(jiān)測設備實時監(jiān)測通風風量、風速和空氣質量等,以確保通風系統(tǒng)的正常運行,降低隧洞內施工作業(yè)人員的安全風險,提升通風效果[5]。

4 結 語

綜上所述,該項目對隧洞通風方式的選擇主要從通風效果、能耗、安全性進行了分析,經(jīng)過比較后認為:壓入式通風除能耗較高外,通風效果和安全性均優(yōu)于其他兩種通風方式。在充分考慮掌子面作業(yè)人員的健康要求后,該項目最終選擇了壓入式通風方式。筆者建議:類似水利工程小洞徑長隧洞選擇通風方式時,應綜合考慮工程工期要求、施工技術方案選擇、炸藥的類型等,深入了解施工現(xiàn)場的實際情況,最終根據(jù)各種具體需求,結合壓入式通風、吸出式通風和混合式通風的特點,選擇出最適合的通風方式。同時,還需要考慮工程成本、通風效果和維護難度等因素,做出合理的決策。