深埋長引水隧洞TBM施工通風(fēng)方案與裝備研究

肖逸飛

(新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隧洞地質(zhì)復(fù)雜，埋深大，地應(yīng)力高。巖爆高風(fēng)險(xiǎn)洞段多，施工中巖爆頻發(fā)，依靠傳統(tǒng)的鉆爆法進(jìn)行掘進(jìn)，施工極為艱難，施工人員面臨嚴(yán)重的安全威脅[1]。采用全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(下文簡稱：TBM)進(jìn)行掘進(jìn)施工可有效降低巖爆等對(duì)人員和設(shè)備的危害。同時(shí)，采用TBM施工需要解決深埋隧洞涌水、硬巖TBM掘進(jìn)距離長、設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和卡機(jī)維修、施工安全通風(fēng)等難題[2-4]。同時(shí)，隧洞超長深埋、山體寬厚，根據(jù)隧洞特有的地質(zhì)水文特點(diǎn)“量身定制”的TBM施工，具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)環(huán)境較好、工人勞作強(qiáng)度低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，其掘進(jìn)工效是傳統(tǒng)鉆爆法的3～10倍[5]。然而，隧洞施工過程中，通風(fēng)距離超長，風(fēng)管布置受限、漏風(fēng)率大、風(fēng)阻大等問題突出[6]，對(duì)此，本文進(jìn)行了總體通風(fēng)布置、施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選取、施工通風(fēng)安全措施等研究，提出了科學(xué)的對(duì)策建議，構(gòu)建并應(yīng)用了安全的施工通風(fēng)模式。

1 工程基本情況

1.1 工程概述

新疆某水利工程是我國重點(diǎn)引水工程，主要向自治區(qū)工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)及城市進(jìn)行供水，屬大(1)型工程。本次研究對(duì)象為其引水隧洞，隧洞全長20km，縱坡i=1/2580，最大流量40m3/s。

1.2 工程地質(zhì)條件

洞身通過處山體的絕對(duì)高程1050～1250m，最大埋深720m。引水隧洞巖性以黑云二長片麻巖、斜長花崗巖為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部受斷層影響為Ⅴ、Ⅴ類。飽和抗壓強(qiáng)度為多為90～150MPa，屬堅(jiān)硬巖。屬長引水硬巖隧道。引水隧洞共發(fā)育大小斷層89條，其中對(duì)洞室穩(wěn)定有影響的較大斷層有9條，對(duì)這9條做了專門加固處理。由于該引水隧洞所處地理位置巖體堅(jiān)硬的特質(zhì)，且埋深大，故洞身在開挖過程中存在不同程度的巖爆掉塊，基本以Ⅲ、Ⅳ級(jí)巖爆為主，個(gè)別洞段為Ⅰ、Ⅱ級(jí)巖爆。該引水隧洞主洞長度20km，采用TBM分兩個(gè)施工段進(jìn)行掘進(jìn)，具體見表1。

表1 工程掘進(jìn)分段表 單位：m

TBM總掘進(jìn)長度19.27km，TBM設(shè)備掘進(jìn)開挖洞徑7.1m。鉆爆法開挖段長度0.73km。支洞末端與隧洞20+365m樁號(hào)處相交，進(jìn)口布置在主洞左側(cè)，與主洞夾角133°，縱坡6%，長度約3km，與主洞相交后繼續(xù)前進(jìn)施工250m用于TBM設(shè)備拆卸。采用TBM掘進(jìn)機(jī)開挖，斷面型式為圓形，開挖斷面尺寸為8m。開挖掘進(jìn)完成后，通過石方擴(kuò)挖和回填混凝土型式改造縱坡，滿足汽車運(yùn)輸。

2 總體通風(fēng)布置

2.1 通風(fēng)布置

本次分兩階段進(jìn)行隧洞通風(fēng)施工布置，第一階段隧洞通風(fēng)從支洞口進(jìn)入，第二階段轉(zhuǎn)場從F1、F2豎井進(jìn)入。因豎井未施工，TBM已通過豎井位置，結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際，新增施工支洞在實(shí)現(xiàn)TBM通風(fēng)的同時(shí)，還有利于出渣轉(zhuǎn)運(yùn)，施工速度快于豎井施工且難度較小，可加快主洞施工進(jìn)度，因此，第二階段隧洞通風(fēng)從新增施工支洞進(jìn)入。支洞口更換大功率風(fēng)機(jī)，上下游洞內(nèi)增加接力風(fēng)機(jī)及附屬裝置，以滿足洞內(nèi)施工通風(fēng)要求。

2.2 通風(fēng)方式選取

參照類似工程TBM施工經(jīng)驗(yàn)，長大隧洞施工對(duì)通風(fēng)要求極高，且難度大。施工中常用擴(kuò)散、射流、機(jī)械及利用輔助坑道等方式進(jìn)行通風(fēng)，本工程采用機(jī)械式通風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)的基本布置形式有壓入式、抽出式和混合式3種。本此支洞通風(fēng)距離長度為3km，TBM洞段通風(fēng)距離長度為20km，為保證施工通風(fēng)，對(duì)比分析3種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選，考慮經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，結(jié)合TBM掘進(jìn)工序要求，在有大量粉塵情況下，需采用壓入式向隧洞內(nèi)送入新鮮空氣，故選用隧洞施工常用且通風(fēng)效率高的壓入式送風(fēng)方式。

3 施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選取

3.1 計(jì)算參數(shù)

TBM掘進(jìn)段最大通風(fēng)長度L為18470m，隧洞橫斷面積S斷為38.5m2，洞內(nèi)最多工作人數(shù)M取50人，風(fēng)筒直徑D取2.2m，風(fēng)筒面積S風(fēng)取3.8m2，過流面積S流取34.7m2。風(fēng)管每100m漏風(fēng)率P為0.15%，隧洞內(nèi)燃機(jī)械功率W為540kW，通風(fēng)備用系數(shù)k為1.2，空氣密度ρ為1.24kg/m3。根據(jù)SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》11.2.4要求，每一工作人員正常呼吸需要Qn為3m3/(人·min)，每千瓦動(dòng)力空氣需求量Q0為4m3/(min·kW)。SL 378—2007中11.2.5要求，斷面風(fēng)速不小于Vmin為0.15m/s，斷面風(fēng)速不大于4m/s。

3.2 主洞風(fēng)量計(jì)算與風(fēng)機(jī)選型

3.2.1 風(fēng)量計(jì)算

主洞風(fēng)量計(jì)算從3個(gè)方面考慮，具體為按洞內(nèi)最多工作人數(shù)Q人、按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速Q(mào)風(fēng)、按稀釋內(nèi)燃機(jī)車廢氣稀釋風(fēng)量Q機(jī)，通過計(jì)算取并取Q需=max(Q風(fēng)，Q人+Q機(jī))作為隧洞控制風(fēng)量。

(1)按洞內(nèi)最多工作人數(shù)計(jì)算風(fēng)量，同時(shí)工作的最多人數(shù)50人計(jì)算，則：Q人=q·m·k=3×50×1.2=180(m3/min)=3(m3/s)。

(2)按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速計(jì)算，則：Q風(fēng)=VminS流k=0.5×34.7×1.2=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(3)按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量，則Q機(jī)=Q0∑W=270×4=1080(m3/min)=18(m3/s)。

(4)洞內(nèi)需求風(fēng)量，Q需=MAX(Q風(fēng)，Q人+Q機(jī))=MAX(20.82，3+18)=1260(m3/min)=21(m3/s)。

(5)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)為，Qj接力=PLQ需=1.3821=28.98(m3/s)=1739(m3/min)。

(6)風(fēng)壓計(jì)算

①動(dòng)壓計(jì)算：

h動(dòng)=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②靜壓計(jì)算：

/3.83=5.81(N·s2/m8)。

管道風(fēng)流沿程摩阻風(fēng)壓損失：

局部阻力：

h局≈0.1h摩=0.1×3541.941=354.19(Pa)。

系統(tǒng)靜壓：

h靜=h摩+h局=3541.94+354.19=3896.13(Pa)。

系統(tǒng)風(fēng)壓：

H接力=h動(dòng)+h靜=18.96+3896.13=3915.09(Pa)。

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果，接力風(fēng)機(jī)需要提供不低于3915.09Pa的風(fēng)壓和1739m3/min(28.98m3/s)的風(fēng)量。

(7)風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

TBM接力風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 TBM接力風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算結(jié)果

3.2.2 風(fēng)機(jī)選型

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮施工距離、出渣方式及經(jīng)濟(jì)合理性，TBM接力風(fēng)機(jī)選取T2.160.2×132通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒選擇便于裝卸和維修的Ф2200mmPVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)筒，見表3—4。

表3 風(fēng)機(jī)參數(shù)表

表4 風(fēng)筒參數(shù)表

3.3 支洞口風(fēng)量計(jì)算與風(fēng)機(jī)選型

3.3.1 風(fēng)量計(jì)算

支洞口新鮮風(fēng)直接送至接力風(fēng)機(jī)，具體為按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速Q(mào)風(fēng)、接力風(fēng)機(jī)需風(fēng)量Q接力，通過計(jì)算取并取Q需=max(Q風(fēng)，Q接力)作為隧洞控制風(fēng)量。

(1)按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速計(jì)算

根據(jù)SL 378—2007《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》11.2.5：

Q風(fēng)=VminS流k=0.5×34.7×1.2

=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(2)接力風(fēng)機(jī)需風(fēng)量

根據(jù)第7.1.3節(jié)，配備的接力風(fēng)機(jī)風(fēng)量為45.4m3/s，接力風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率為0.85則：

Q接力=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(3)洞內(nèi)需求風(fēng)量

Q需=max(Q風(fēng)，Q接力)=max(20.82，38.59)

=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(4)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量

據(jù)此計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)PL：

式中，L—通風(fēng)距離，支洞口風(fēng)機(jī)選取7767m；P100—，100m漏風(fēng)率取P100=0.15%。

風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)為：

Qj支洞口=PLQ需=1.1338.59

=43.61(m3/s)=2617(m3/min)。

(5)風(fēng)壓計(jì)算

①動(dòng)壓計(jì)算：

h動(dòng)=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②靜壓計(jì)算：

h靜=h摩+h局=4106.61+410.66=4517.27(Pa)。

系統(tǒng)風(fēng)壓：

H支洞口=h動(dòng)+h靜=18.96+4517.27=4536.23(Pa)。

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果，TBM施工選擇風(fēng)機(jī)，支洞口需要提供不低于4536.23Pa的風(fēng)壓和2617m3/min(43.61m3/s)的風(fēng)量。

(6)風(fēng)機(jī)功率計(jì)算

/(60×1000×85%)×1.15=267.69(kW)

式中，Q—風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。

TBM支洞口風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 TBM支洞口風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算結(jié)果

3.3.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)支洞口風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，本次TBM支洞口風(fēng)機(jī)選取T2.160.2×250通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒選擇Ф2200mmPVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)筒，見表6—7。

表6 風(fēng)機(jī)參數(shù)表

表7 風(fēng)筒參數(shù)表

4 設(shè)備安裝、防漏降阻及施工通風(fēng)安全措施討論

4.1 設(shè)備安裝

風(fēng)機(jī)支架底部施做混凝土基礎(chǔ)，確保風(fēng)機(jī)支架的牢固性。風(fēng)機(jī)安裝于支洞洞口或主洞洞室的鋼結(jié)構(gòu)支架上，要求風(fēng)機(jī)安裝必須做到牢固、穩(wěn)定且不得妨礙其他設(shè)備的運(yùn)行。支洞段風(fēng)筒在TBM始發(fā)掘進(jìn)之前一次性安裝到位，TBM施工風(fēng)筒延伸隨TBM掘進(jìn)向前延伸，風(fēng)筒提前存儲(chǔ)在風(fēng)筒儲(chǔ)存器內(nèi)，放置在洞內(nèi)TBM組裝洞內(nèi)備用。風(fēng)筒每節(jié)長度為300m，折疊存儲(chǔ)于儲(chǔ)風(fēng)筒內(nèi)。機(jī)車牽引兩輛平板車進(jìn)洞，空板車在前部，儲(chǔ)風(fēng)筒的板車在后部。更換時(shí)，操作風(fēng)筒吊機(jī)將空儲(chǔ)風(fēng)筒吊放在空平板車上，固定好，板車向前移動(dòng)，儲(chǔ)風(fēng)筒板車駛?cè)腼L(fēng)筒吊機(jī)起吊范圍，掛好吊鉤起吊，拉出儲(chǔ)風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)筒，就位并固定后和原風(fēng)筒對(duì)接。對(duì)接完成后，恢復(fù)通風(fēng)?？诊L(fēng)筒運(yùn)出，重新填裝。

4.2 防漏降阻措施

風(fēng)筒接頭采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，為高強(qiáng)度PVC型。風(fēng)筒接頭處內(nèi)外均有密封保護(hù)層，作用是管內(nèi)壓力越高，接頭處密封越緊密，確保不漏風(fēng)。施工管理上嚴(yán)格遵循定崗定人定責(zé)要求，定期檢查，發(fā)現(xiàn)破損及時(shí)修補(bǔ)，確保風(fēng)管始終處理良好的工作狀態(tài)，以有效減少漏風(fēng)。定期測(cè)試通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓，改進(jìn)和完善通風(fēng)系統(tǒng)。采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，直徑為Φ2.2m的加厚、加強(qiáng)風(fēng)管，有效地降低阻力。噴混凝土作業(yè)時(shí)，采用濕噴機(jī)作業(yè)。同時(shí)，隧道施工人員要做好自我保護(hù)，佩戴防塵口罩。

4.3 TBM施工通風(fēng)安全措施

高空作業(yè)：①在操作臺(tái)上進(jìn)行風(fēng)筒的修補(bǔ)和安裝時(shí)，必須佩帶安全帶。②操作臺(tái)必須和平板車可靠連接，以防傾覆。③每班必須認(rèn)真檢查操作臺(tái)的工作狀態(tài)。

有軌運(yùn)輸安全：①操作臺(tái)固定在有軌平板車上，其上必須安裝警示燈，在工作時(shí)開啟警示燈。②平板車停車脫鉤前，必須在兩側(cè)輪對(duì)上設(shè)置阻車器，然后再脫離牽引機(jī)車。③對(duì)風(fēng)筒進(jìn)行修補(bǔ)，特別是占用運(yùn)輸軌道進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，必須由運(yùn)輸調(diào)度統(tǒng)一調(diào)度。④修補(bǔ)完成后，通知運(yùn)輸調(diào)度安排牽引機(jī)車將操作平板車拖出隧洞，以免影響運(yùn)輸效率。嚴(yán)禁將車輛丟在隧洞軌線上。⑤在拖移操作平臺(tái)時(shí)，操作臺(tái)必須處于收縮狀態(tài)。

用電安全：①通風(fēng)設(shè)備的電氣系統(tǒng)安裝需符合相關(guān)規(guī)定要求。②風(fēng)筒的安裝與修補(bǔ)中用電設(shè)施的接電須由專業(yè)電工作業(yè)，完工后及時(shí)拆除，確保用電的安全。

隧洞防火安全：①所有臺(tái)架采用鋼構(gòu)件。②易燃易爆物品不得在隧洞內(nèi)長期存放，進(jìn)洞后必須由專人看管。③通風(fēng)筒采用防火材料制造。④每個(gè)臺(tái)架上、火災(zāi)易發(fā)點(diǎn)配置滅火器，并培訓(xùn)使用方法。

5 結(jié)語

本文對(duì)新疆某水利樞紐工程長引水隧洞TBM施工通風(fēng)計(jì)算與設(shè)備選取進(jìn)行研究。洞內(nèi)溫度高、相對(duì)濕度大，施工環(huán)境差，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按計(jì)算結(jié)果選取合理的通風(fēng)設(shè)備，同時(shí)加大對(duì)隧道通風(fēng)設(shè)備的檢查力度，發(fā)現(xiàn)破損、爆裂、泄露、彎曲、褶皺等現(xiàn)象要及時(shí)維修處理。施工期間，做好通風(fēng)系統(tǒng)管理，定期測(cè)風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)速，并做好記錄，定期檢查設(shè)備、按時(shí)養(yǎng)護(hù)、加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，使通風(fēng)效果更加經(jīng)濟(jì)科學(xué)，規(guī)避因通風(fēng)不暢威脅洞內(nèi)人員安全的風(fēng)險(xiǎn)，保證工程順利推進(jìn)。