特长隧道施工通风技术

2015-03-21杨世林

黑龙江交通科技 2015年6期

杨世林

(福建省第一公路工程公司)

1 工程概况

铜岩隧道是沈海复线柘荣至福安段高速公路第A10 合同段控制性工程，隧道全长4 939 m。我合同段承建出口段2967.5 m/0.5 座，位于康厝乡铜岩村，为分离式双洞隧道，洞身围岩级别以Ⅱ～Ⅲ级为主，隧道出口段及断层构造带和节理密集带内围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。共设置4 处车行横洞，8 处人行横洞，2 个配电横洞，紧急停车带4 个(单洞)。

隧道按新奥法施工原理，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土(钢筋挂网)、钢拱架等为初期支护，大管棚、超前小导管、超前锚杆等为施工辅助措施，二次衬砌采用模筑防水混凝土。

2 作业环境标准

(1)空气中的氧气含量在作业过程中始终保持在19.5%以上。

(2)粉尘容许浓度:每立方米空气中，含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不大于2 mg;含有10%以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不大于4 mg;电焊烟尘、水泥粉尘、煤尘的总尘不大于4 mg/m3。

(3)有害气体最高容许浓度:二氧化氮、二氧化硫为5 mg/m3，二氧化碳为9 000 mg/m3，一氧化氮为15 mg/m3。

(4)隧道洞内气温不得高于28 ℃，噪声不得大于90 dB。

(5)洞内作业所需最小风量，每人应供给新鲜空气3 m3/min，内燃机械作业供风量不得小于4.5 m3/(min·kW)，全断面开挖风速不得小于0.15 m/s，坑道施工最小风速Vmin=0.25 m/s。

3 影响洞内环境因素

洞内掘进钻孔、装碴、车辆行驶、喷射作业产生的粉尘，爆破、内燃机车作业产生的有害气体。

4 通风方案比选

压入式通风。通风机将新鲜空气经风管直接压送到掘进工作面，置换炮烟并排出洞外。因特长隧道洞身长，排出炮烟所需风量大，通风时间长，作业环境差，不宜选用。

吸出式通风。吸风管进口靠近工作面，由通风机将炮烟直接吸出洞外。因风流由风筒末端吸入，洞内有害气体、粉尘不易排出。吸出式通风需硬质风筒，或带刚性骨架的可伸缩风筒，成本高且适应性较差，不宜选用。

平行导坑式通风(巷道式通风)。在有平行导坑的长隧道施工中，利用平行导坑及横洞作为通风道，以减小风机的风压，在工作面附近加设局部通风配合。

经过比较分析，采用巷道式通风方案。

5 巷道式通风施工

5.1 通风原理

将隧道左右线形成一个大的快速空气流通通道，因左洞设计标高大于右洞1.56 m，洞内污浊空气易汇集于左洞流出，所以考虑右洞作为新鲜空气供应通道，左洞作为污浊空气排出通道。通过风机前的横洞和左洞组成风流循环系统，在左洞沿线设置多台射流风机，将污浊空气排出洞外，在右洞相应位置安装轴流风机，抽取新鲜空气送入洞内。

5.2 通风流量计算(1)计算参数

按供给每人新鲜空气量m=3 m3/min;坑道施工通风最小风速Vmin=0.25 m/s，正洞最大开挖面积SZ=96 m2;开挖爆破一次最大药量a =240 kg;爆破后通风时间t =30 min;风管百米漏风率β = 2%，风管内摩擦阻力系数为λ =0.007 8，风筒直径为1.5 m。

(2)风量计算

按洞内通风最小风速计算风量

Q风速=Vmin×SZ×60s=0.25×96×60 s=1440(m3/min)

按洞内同时工作的最多人数计算风量

Q人员=4 ×m×1.2 =4 ×50 ×1.2 =240(m3/min)

m 为正洞按50 人计。

按洞内同一时间爆破使用的最多炸药用量计算风量

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

b 为公斤炸药爆破时所构成的一氧化碳体积，取40 L。

按洞内使用内燃机械计算风量

计算公式:Q内燃=Q0×ΣP

式中:ΣP 为进洞内燃机械马力总数。

该隧道洞内内燃动力在出渣时期有ZLC50 侧卸式装载机和CQ1261T 自卸汽车。其中侧卸式装载机2 台，每台最大功率162 kW，计算功率145 kW;4 台自卸车(满载车2 台，空车2 台)，满载功率按110 kW，计算功率99 kW，空车计算功率按满载80%计，即79 kW。则需风量为:

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

Q需= max(Q风速，Q人员，Q炸药，Q内燃)=1 938 m3/min。

洞内风机通过通风管为工作面供风，取最大通风长度L=1 800 m。风管百米漏风系数β 为2%，风机所需风量为Q机:

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

A=(1－β)B=(1－0.02)18=0.7

Q机=Q需/A=1 938/0.7 =2 769 m3/min风压计算

C=ρ×L=1 ×1 800 =1 800;

W=C/2D=1 800/(2 ×1.5)=600

S风管=πD2/4 =1.77 m2;

V=Q需/S风管=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 为空气密度，按ρ=1.0 kg/m3计;V 为风管内平均风速。风管内摩阻系数λ 取0.007 8。

系统风压H=1.2H摩=1.2 ×1 145 =1 374 Pa。

5.3 风机选型

特长隧道通风，以轴流风机和射流风机为主。

根据上述Q 机、H 的计算结果，参考风机性能曲线选择风机，要求风量、风压处于被选择风机的高效区内，即η =0.8 为佳。

Y280s－4 型轴流流风机功率为2 ×75 kW，压力为920～5 950 Pa ＞H(1 374 Pa)，高效流量2 900 m3/min ＞Q机(2 769 m3/min)。故选用Y280s－4 型轴流流风机，并配以φ1 500 mm 软质双抗(抗燃烧、抗静电)风管，每节30 m。

5.4 通风施工

(1)洞内变压器安装

为满足洞内用电需求，采用高压电进洞方案，在距左洞口1 200 m 位置右侧安装1 台630 kW 变压器，以供2 台通风机(每台150 kW)，射流风机至少2 台(每台30 kW)，输送泵2 台(每台65 kW)及其他设备和照明用。

(2)转向车道(车行横洞)施工

巷道式通风正式运行后，为使吸入的新鲜空气不受污染，右洞口将关闭，所有通行车辆从左洞进出，故需在洞内设置转向车道。待ZK81 +245 的车行横洞开挖、初支按设计要求完成后，及时将基底整平，并浇筑15 cm 厚C20混凝土基层，横洞两侧电缆沟采用石粉铺设并安放钢板使车辆转向过度，并设置醒目指示牌。

(3)轴流风机安装

将原放置于洞口的2 台150 kW 的轴流风机顺排安装于右洞YK81 +279 右侧，两台距离相间10 m 左右。轴流风机安放于制作好的铁架上，四周采用安全宣传标语包裹，并设置反光锥。设备安装就位后，布设电线，电线从洞内变压器接出，经ZK81 +456 人行横洞引至右洞并沿二衬边墙顺至轴流风机附近，后环绕拱顶接至轴流风机上，沿途电线需统一悬挂于墙壁上，并设置相应漏电保护措施。

(4)风带安装

为满足通风要求，风带口径为Φ1.5 m，左洞风带从掌子面(距掌子面约15 m)至ZK81 +245 车行横洞段沿外侧布设，随后转至ZK81 +245 车行横洞洞顶穿过，直至与通风机相接。右洞风带从掌子面沿隧道走向顺接至通风机即可。

(5)射流风机安装

因隧道左洞标高大于右洞1.56 m，洞内污浊空气易汇集于左洞流出，故选定左洞为排烟洞。射流风机统一安放于左洞，距掌子面300 m 布置，每相间300 m 安装一台。同时至洞口段所有人、车行横洞两端均采用防水板封堵，防止污浊空气与新鲜空气串流。

6 通风管理

通风是隧道施工中至关重要的一道工序，直接关系到隧道的进度与否。制订科学合理的通风方案和切实可行的保障措施，我们以“合理布局，优化匹配，防漏降阻，严格管理、确保效果”二十字方针，强化通风管理。

7 效益分析

7.1 加快施工进度

施工过程中，洞内可始终保持清晰的空气。(1)空气清晰，可视条件好，提高测量放样效率;(2)钻孔时掌子面温度相对降低、含氧量足，有助于劳动力施工;(3)爆破后排烟，送风机通过风管送至掌子面，较单纯管道通风减少了通风阻力，降低了耗能，通风时间由原来的1 h 减小到20～30 min;(4)出碴过程中，洞口实现无障碍封堵，节约了运输时间和减少了安全隐患。