长大隧道施工中, 通风是一切工序可以安全高效展开的前提, 也是各种机械设备正常运转的必要条件。通风效果的好坏直接左右隧道的施工进度、安全和质量。长大隧道在独头掘进的过程中, 尤其是有平行导坑的长大隧道, 通风组织要提前筹划、合理安排, 伴随隧道施工深度的不断增加, 每个施工阶段都要设计合理的通风方案, 以此来保证通风方案的可行性, 保证其经济上的合理性[2]。因此, 研究大柱山隧道独头掘进7500m以上的通风技术, 可以提高通风效率和施工进度, 为以后长大隧道独头掘进通风提供可靠的经验。
大瑞铁路大理至保山段站前工程第三标段始于大理州永平县杉阳镇仁寿村, 终于保山市隆阳区小青村, 线路全长31.566km (里程桩号为D1K104+100～D1K135+666) , 其中保山段25.418km, 大理段6.148 km。其中大柱山隧道是全线的控制性工程。
大柱山隧道出口位于云南省保山市山保村, 穿越著名的横断山南段, 隧道全长14484m, 其中出口段承担平导8400m和正洞8308m施工任务, 隧道最大埋深为1010m。隧道洞内纵坡设计为“人”字坡, 最大纵坡23.5‰。其整体地势北高南低, 所在区域地质环境复杂, 断裂构造发育, 穿越6条断裂带, 岩溶地质较为突出, 地下水源丰富, 预计全隧最大涌水量大达120000m3/d, 实际开挖揭示, 涌水量比设计大两倍左右, 局部地段可能出现围岩失稳、突然涌水、岩爆、岩溶、放射性、地热等不良地质, 施工难度极大[3]。
大柱山隧道出口施工通风主要采用分阶段管道压入式及混合巷道式通风, 通风管选用正洞φ1400mm (平导φ1400mm) 涤纶软式通风管, 风管出风口至掌子面距离L=60m。主风机安装在距离平导掌子面最近的正洞贯通面。其中为正洞进风通道, 平导为排烟通道。
鉴于平导及正洞高温施工情况, 待正洞相互两横通道贯通后需及时风机向前移动, 使平导及正洞掌子面有效风量达到最大, 以确保隧道达到降温目的。主风机主要供应平导掌子面, 正洞施工面采用轴流风机直接压入新鲜风, 保证施工作业面空气质量。
第一阶段:
轴流风机安装在19#辅助正洞大里程端, 供用平导2495m施工通风任务, 正洞为新鲜空气进入通道, 平导为污浊空气排出通道, 为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧, 满足进风侧空气质量要求, 需在正洞洞口附近安装射流风机一台, 隧道洞身每400～500m安装一台射流风机。19#至洞口其余贯通横通道封堵。
第二阶段:
轴流风机安装在19#辅助正洞大里程端, 供应平导2495m施工通风任务, 此时19#横通道辅助正洞小里程与18#横通道辅助正洞大里程已贯通, 在18#横通道辅助正洞大里程端安装两台轴流风机, 分别供应18#横通道辅助正洞小里程及17#横通道辅助正洞大里程施工通风任务。19#至洞口所有横通道均临时封堵, 正洞施工作业面为17#、18#辅助正洞, 正洞为新鲜空气进入通道, 平导为污浊空气排出通道, 为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧, 满足进风侧空气质量要求, 需在正洞洞口安装射流风机, 洞身每400～500m安装一台射流风机。
第三阶段:
轴流风机安装在17#辅助正洞大里程端, 分别供应平导1658m的通风任务, 此时17#至洞口所有横通道均临时封堵, 正洞施工作业面为17#、16#辅助正洞, 正洞为新鲜空气进入通道, 平导为污浊空气排出通道, 为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧, 满足进风侧空气质量要求, 需在正洞洞口安装射流风机, 洞身每400～500m安装一台射流风机, 平导于洞内通风死角处安装射流风机辅助排出污浊空气。
第四阶段:
轴流风机安装在17#辅助正洞大里程端, 供应平导1685m施工通风任务, 此时17#横通道辅助正洞小里程与16#横通道辅助正洞大里程已贯通, 在16#横通道辅助正洞大里程端安装两台轴流风机, 分别供应16#横通道辅助正洞小里程及15#横通道辅助正洞大里程施工通风任务。17#至洞口所有横通道均临时封堵, 正洞施工作业面为16#、15#辅助正洞, 正洞为新鲜空气进入通道, 平导为污浊空气排出通道, 为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧, 满足进风侧空气质量要求, 需在正洞洞口安装射流风机, 洞身每400～500m安装一台射流风机。
⑴通风控制条件
隧道在整个施工过程中, 作业环境符合下列卫生及安全标准:
①隧道内氧气含量:按体积计不得小于20%。
(2) 粉尘允许浓度:每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg;含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘为6mg;二氧化硅含量在10%以下, 不含有毒物质的矿物性和动植物性的粉尘为10mg。
(3) 有害气体浓度:一氧化碳不大于30mg/m3, 当施工人员进入开挖面检查时, 浓度为100mg/m3, 但必须在30min内降至30mg/m3;二氧化碳按体积计不超过0.5%;氮氧化物 (换算为NO2) 5mg/m3以下。
(4) 洞内温度:隧道内气温不超过28℃, 洞内噪声不大于90dB。 (5) 洞内风量要求:隧道施工时供给每人的新鲜空气量不应低于3m3/min, 采用内燃机械作业时供风量不应低于3m3/ (min·kw) 。
(6) 洞内风速要求:全断面开挖时不小于0.15m/s, 在分部开挖的坑道中不小于0.25m/s。
⑵风量计算
(1) 按洞内同时工作的最多人数计算风量:
q——每人每分钟呼吸所需空气量q=3m3/min
m——同时工作人数, m=50人
k——风量备用系数, 取k=1.15
由此得Q1=qmk=3×50×1.15=172.5m3/min
(2) 按允许最低平均风速计算工作面供风量:
V—按允许最低平均风速平导取0.25m/s;
A—隧道断面积。平导断面为6.0×5.9 (宽×高) , 设面积为35.4㎡。由此得
平导:Q2=60AV=60×35.4×0.25=531m3/min
正洞:Q2=60AV=60×40.4×0.25=606m3/min
(3) 按照爆破后稀释一氧化碳至许可最高浓度计算:
采用压入式通风:工作面需要风量, 式中:
t--通风时间, 取t=30min。
G--同时爆破炸药用量, 平导、正洞均按Ⅱ级围岩考虑, 每循环最大进尺取3.5m。
平导单位装药量取1.27kg/m3, 则G=35.4×3.5×1.27=157.4kg;
正洞单位装药量取1.27kg/m3, 则G=40.4×3.5×1.27=179.6kg;
L——掌子面满足下一循环施工的长度, 取200m。
则采用压入式通风段落, 平导工作面需要风量;
正洞工作面需要风量;
(4) 按稀释和排除内燃机废气计算风量
采用无轨运输, 洞内内燃设备配置较多, 废气排放量较大, 供风量应足够将内燃设备所排放的废气全面稀释和排出, 使有害气体降至允许浓度以下, 计算可按下式计算:
式中:K——功率通风计算系数, 我国暂行规定为3.0m3/min
Ni——各台柴油机械设备的功率
Ti——利用率系数
计算正洞 (出口共2个工作面) Q 4= (1×0.6×1 1 0+0.5×1×145+0.45×5×150+2×0.5×85) ×2=1122m3/min。
计算平导 (出口共1个工作面) Q4= (1×0.6×110+1×0.5×125+0.45×4×150+2×0.5×85) ×1=484 m3/min。
取上述四种计算中的最大值作为通风设计量, 单线线正洞风量取Q4=1122 m3/min, 平导风量取Q4=531 m3/min。
隧道出口和平导:
综合隧道通风的各个阶段, 平导和正洞单管路独头压入式通风各种最长通风距离:正洞压入式通风距离1400m, 平导压入式通风距离3235m。
正洞风管:漏风系数=1.24, (β=0.015, L=1400m) 通风机供风量Q供=PcQ4;
则Q供=1.24×1122=1391.3m3/min。
平导风管:
通风机供风量Q供=PcQ4;
则Q供=1.63×531=865.5m3/min。
⑶风机风压
(1) 管道阻力系数
管道阻力系数Rf=6.5αL/D5, 摩阻系数
根据以前的施工经验、隧道断面以及目前常用性能稳定的风机选定通风管直径, 为便于管理和维修, 通风软管统一采用直径D=1.4m。求值Rf见管道阻力系数Rf计算表:
(2) 管道阻力损失
管道阻力损失Hf=RfQjQi/3600+HD+H
式中:
Qj——通风机供风量, m3/min;
Qi——管道末端流出风量, m3/min;
HD——隧道内阻力损失取50;
H其他——其他阻力损失取60;
风机设计全压H=Hf=RfQjQi/3600+110。
风机全压计算如下:
正洞通风:
平导通风:
风机功率计算:
风机功率计算公式:W=QHK/ (60η)
式中:Q—风机供风量
H—风机工作风压
η—风机工作效率, 取80%
K—功率储备系数, 取1.05
⑴射流通风段通风阻力计算
通风阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和。
①隧道摩擦阻力
式中:
α——摩擦阻力系数, 对于喷锚支护巷道, α= (78.5～118) ×10-4, 取α=0.011
L——射流通风全长, 根据车行通道位置, 最长距离为2×5772=11544m;
U——隧道周长, 23.5m;
Q——通风量, 2257m3/min÷60=37.6m3/s;
A——已衬砌段面积, 35.4m2。
由此计算:Pf1=93.1Pa
(2) 通过车行通道时的摩擦阻力式中:
式中:
α——摩擦阻力系数, 对于喷锚支护巷道, α= (78.5～118) ×10-4, 取α=0.011;
L——车行通道长度, 30m;
U——隧道周长, 20.9m;
A——车行通道面积, 30m2。
故Pf2=0.35Pa
(3) 局部阻力
式中:
ξ——局部阻力系数, 出洞口取1, 进入加宽段取0.04, 出加宽段取0.1, 右线进车通取2.8, 出车通道左线取0.92, 总阻力系数=0.6+1+8× (01+0.04) +2.8+0.92=6.44;
ρ——空气容重, 1.2kg/m3。
其它参数已知, 故局部阻力Pi=8.5Pa
总的通风阻力P=Pf1+Pf2+Pi=101.9Pa
⑵射流风机风力计算
式中:
Pj——风压, Pa;
K——喷流系数, 0.85;
Vj——为射流风机出口风速, 27.7m/s;
——面积比,
Fj——射流风机的出口面积, 0.5m2;
FS——隧道横断面积, 35.4m2;
ψ——速度比,
VS——为隧道内风速, 1.80m/s。
经计算, Pj=10.2Pa
⑶射流风机台数计算
每两台之间的距离为不大于L= (8400-3253) ÷ (10+1) =468m
正洞风机应满足总风量Q=1391.3m3/min, 风压1762Pa, 功率53.62KW的要求。
平导风机应满足总风量Q=865.5m3/min, 风压1233.4Pa, 功率23.35KW的要求。
综合考虑后风机配备如下:
为了防止平导污风进入正洞, 贯通段横通道一律进行封堵, 部分横通道预留风门方便后期正洞风机维护保养工作。为保证效果, 横通道采用浆砌水泥砖进行封堵, 确保平导污风无法进入正洞。
本通风方案考虑目前高温施工, 根据计算后在轴流风机选型时都充分考虑了施工安全储备系数, 射流风机布置间距目前考虑按照正洞450m/台, 平导500m/台, 考虑在将来实施过程中, 将根据现场具体施工情况动态调整, 确保施工通风效果, 保证施工安全、正常、高效进行。
1、施工期间, 应持续加强主风机送风口和掌子面出风口位置风速和风压的监测, 根据通风距离、出风口到掌子面距离, 改善通风条件。
2、由于隧址区属于高原地热隧道, 通风不仅要保证正常的施工环境, 还要确保通风效果对掌子面的降温情况, 建议对高原地热隧道通风降温等方面开展相关专题研究, 筛选优化通风方案, 为同类工程施工提供经验借鉴。
摘要：大瑞铁路大柱山隧道是大保段的控制性工程之一, 属特长隧道。隧道独头掘进已超过7800m, 加之施工作业面处于地热异常段, 隧道内粉尘、噪声、高热、高湿环境对施工人员有较大危害[1]。良好的通风组织不仅能提高隧道的施工进度, 并且可以提高空气质量, 创造良好的工作环境, 最大程度的减少对作业人员身体健康的影响。因此, 隧道通风技术研究显得极为重要。
关键词：隧道,独头掘进,通风
[1] 宋从军, 李科, 郭军, 林志, 特长公路隧道独头掘进施工通风组织研究, 公路交通技术, 2014年4月第2期
[2] 王海东.长大隧道施工通风方案的设计及实施[J].建筑技术开发, 2018, 45 (10) :92-94
[3] 中国中铁二院工程集团有限责任公司《新建铁路大理至瑞丽线大理至保山段施工图》
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