中东抽水蓄能K项目尾调通气洞施工通风的分析与探讨

赵 维 刚

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中东抽水蓄能K项目由上水库、输水系统、地下厂房系统、尾水系统、下水库、地面开关站及进场道路组成。其中进厂交通洞长度约1 003 m，呈城门洞型和马蹄型断面。根据不同的围岩条件，开挖断面从6.2 m×7.45 m到11.288 m×8.95 m(宽×高)，洞内纵坡坡比为-10%，最大转弯半径为628 m，转弯角度为16.84°。

尾调通气洞连接进厂交通洞与尾水调压室，桩号为ATL0+000～0+523.27，高程为-229.54～-176.5 m，洞内纵坡坡比为-10.5%。进口位于进厂交通洞桩号AC0+476.457处，与进厂交通洞轴线呈120°夹角，隧洞断面呈马蹄形，结构尺寸为6 m×(6.28～6.45)m，最大开挖面积为36.4 m2，隧洞直径为3.4 m。

尾调通气洞纵断面见图1，尾调通气洞开挖典型断面见图2。

2 通风的目的

在隧洞施工过程中，不可避免地会产生一些有害气体并排放到隧洞空气中，造成对隧洞空气的污染，严重地损害隧洞内作业人员的身心健康。这些有害气体主要包括一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢和瓦斯等，其主要来源包括人员呼吸、放炮作业、内燃设备的尾气、洞内火灾、瓦斯爆炸、有机物氧化和焊接等。

因此，需要采用有效的施工通风措施以降低洞内空气中有害气体的浓度，保证施工人员正常呼吸及施工机械的有效运转和施工安全，保持施工进度、文明施工和员工的身体健康，为洞室开挖及支护施工提供一个安全良好的施工环境。

3 施工通风的计算及布置

图1 中东抽水蓄能K项目尾调通气洞纵剖面图

单位：cm图2 中东抽水蓄能K项目尾调通气洞开挖典型断面图

(1)通风标准。

按照《中东一般隧洞施工技术要求》54.06.02款中的规定及中东标准5567的要求，隧洞洞室断面面积小于100 m2的隧洞洞内的最低风速为0.5 m/s，洞内每人的供风量为不小于5.6 m3/min，柴油设备供风量不少于3.8 m3/kW。

关于洞内有害气体浓度，中东标准5567有以下规定的限值：二氧化碳(CO2)，隧洞中空气的5 000 ppm(0.5%)；一氧化碳(CO)，隧洞中空气的30 ppm(0.003%)；二氧化氮(NO2)，隧洞中空气的3 ppm(0.000 3%)；硫化氢(H2S)，隧洞中空气的10 ppm(0.001%)；甲烷，隧洞开挖面的1.5%。

而对于影响作业环境的相关因素和卫生标准，在我国《工业企业设计卫生标准》(GBZ 1-2010)《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学因素》(GBZ 2.1-2007)和《工作场所有害因素职业接触限值 第2部分：物理因素》(GBZ 2.2-2007)中，对与隧洞施工作业环境有关、常见的几种化学物质(有害气体)容许浓度及粉尘容许浓度都有明确的规定，其主要内容见表1。

中东标准5567中有害气体的浓度与我国规范中的相关规定对比情况见表1，隧洞内风速标准、设备及人员需风量标准对比情况见表2。

表1 隧洞工作场所空气中化学物质容许浓度对比表

表2 隧洞内风速标准、设备及人员需风量标准对比表

(2)通风规划。

依据经监理工程师审核的开挖及支护施工方案，尾调通气洞的开挖及支护由进厂交通洞向尾水调压室单向独头掘进，施工通风方式选择压入式通风，利用设置在洞外的通风机械通过通风管道将新鲜空气送至工作面，供给洞内足够的新鲜空气。

根据施工方案中的人力资源、设备配置、爆破设计等计算施工现场的通风量及风速，除必须满足施工人员正常呼吸、稀释机械废气浓度、降低有害气体的浓度及降温等的最小通风量外，还需满足洞内的最小风速，以保持洞内空气的新鲜程度。

施工通风采用正压轴流风机供风、柔性连续风筒送风。风机架设在进厂交通洞外约30 m，风筒出风口距掌子面约20 m，风筒通过钢丝悬吊在隧洞拱顶位置。

(3)通风风量。

通过对满足施工人员正常呼吸、排除爆破及机械废气、降低有害气体浓度等的最大通风量，以及满足洞室最小风速且不超过最大容许风速进行施工所需通风量的分别计算，确定最大的需风量。

①施工人员正常呼吸所需风量计算公式：

Q1=m×q1×k

式中Q1为隧洞内作业人员呼吸所需的总风量(m3/min)；m为工作人数；q1为每个人需要的通风量，取5.6 m3/min；k为通风备用系数，取1.1～1.25。

根据尾调通气洞开挖支护施工方案，施工作业面高峰期的人员总数为31人，按照中东标准5567的要求，以每人5.6 m3/min新鲜空气需要量进行计算，施工人员所需风量计算如下：

Q1=m×q1×k

=30×5.6×1.25=217(m3/min)

②计算爆破排烟需风量。

尾调通气洞爆破开挖施工过程中的主要爆破参数见表3。

表3 尾调通气洞爆破参数表(进尺3 m)

考虑到中东规范5567要求达到的CO浓度为30 ppm，即0.003%，遂选择采用沃洛宁公式计算压入式通风方式下排除炮烟的需风量，其计算公式为：

式中Q2为爆破排烟工作面需风量(m3/min)；t为通风时间。依国际隧协规定，取15 min；G为同时爆破的炸药量，依据爆破设计，取118.5 kg；b为每千克炸药爆炸时产生的CO(L/kg)，一般取b=40 L/kg，遇到煤层时取b=100 L/kg；L0为通风长度；A为隧洞开挖断面积，依据设计图计算为42 m2；Pq为通风区段内通风管始末端风量之比；Ca为要求达到的CO浓度(%)，取值为0.003%。

a.通风长度的确定。

当隧洞长度较短、小于排烟安全距离时，隧洞长度即为通风长度；当隧洞长度较长、大于排烟安全距离时，则取排烟安全距离作为通风长度(排烟安全距离指炮烟从工作面向外排除过程中浓度不断降低、隧洞断面上的炮烟平均浓度已降到平均浓度时该断面到掘进工作面的距离)。

排烟安全距离的计算公式根据沃洛宁公式推导得到，即：

Ls=0.1×G×b/(Ca×A)

=0.1×118.5×40/(0.003×36.4)

=4 340.66(m)

尾调通气洞长度为523.7 m，小于排烟安全距离，故通风长度L0取523.7 m。

b.通风区段内通风管始末端风量之比Pq的计算。

尾调通气洞用于连通进厂交通洞及尾水调压室，开挖及支护施工时，供风风机架设在进场交通洞外，通风风管经进厂交通洞转入尾调通气洞，风管的长度应为尾调通气洞与相应进厂交通洞段及洞外安全距离的总和，计算通风管漏风量时应予以考虑，以便于计算通风管始末端风量之比。

Pq= 1/(1-L/100×P100)

=1/(1-1 059.73/100×2% )=1.27

式中Pq为通风区段内通风管始末端风量之比；P100为百米通风管漏风率，一般取2%；L为洞长或风机控制长度，取值1 059.73 m(尾调通气洞长523.27 m，进厂交通洞段长476.46 m，风机离开洞口的安全距离为约10倍隧洞直径，即60 m)。

c.排除炮烟的需风量计算。

=2 155.69(m3/min)

按允许最低风速计算风量：

Q3=60vA

式中Q3为最小风速通风量(m3/min)；v为洞室中要求的最小风速(m/s)。

按照中东隧洞开挖指导准则要求，隧洞中的最低风速按0.5 m/s、隧洞最大开挖断面积按36.4 m2进行计算，所需风量如下：

Q3=60×v×A=60×0.5×36.4

=1 092(m3/min)

d.按稀释和排出内燃机废气计算风量。

稀释内燃设备废气所需的总风量为:

Q4=W×q2

式中Q4为稀释内燃设备排放废气隧洞内所需要的总风量(m3/min)；W为洞内同时作业的内燃设备的总额定功率(kW)；q2为内然设备每千瓦需要的通风量，按国际隧协规定，柴油机械按额定功率计算的最小供风量为4 m3/(min·kW)。

根据不同工况计算洞内机械设备的用风量，根据施工方案，钻孔采用两臂钻，清渣采用液压反铲挖掘机，出渣采用装载机装车、自卸汽车运输，支护采用湿喷台车、锚杆台车施工(表4)。

表4 不同工况下洞内施工设备表

在出渣工况下，隧洞内同时工作的内燃设备总额定功率最大，因此计算内燃设备用风量时考虑的洞内设备组合为装载机装卸、自卸汽车运输。由于弃渣运输距离较短、装载机装车效率高、出渣时洞内实际同时作业的内燃设备应为装载机1台、自卸汽车1台，考虑装载机全部时间在洞内作业的设备额定总功率计算如下：

W=163+235=393(kW)

稀释上述设备组合内燃机废气所需的总风量为：

Q4=W×q2=393×4=1 716.25 (m3/min)

e.风机工作点风量的计算。

Q0=Pq×Q

式中Q0为风机工作点风量，m3/min；Q为以各种条件计算的洞内所需最大通风量，m3/min；Pq为通风区段内通风管始末端风量之比。

根据以上计算，可以确定洞内通风所需的最大风量为爆破排烟所需的风量(2 155.69 m3/min)，通风区段内通风管始末端风量之比为1.27，则风机工作点风量的计算如下：

Q0=Pq×Q

=1.27×2 155.69=2 737.72 (m3/min)

洞室需风量计算结果见表5，钻孔、爆破排烟、出渣、支护等阶段的最大需风量见表6。

表5 洞室需风量计算结果一览表

表6 钻孔、爆破排烟、出渣、支护等阶段最大需风量表

(4)通风风压。

根据通风量计算风阻及通风机的工作全风压，计算结果见表3～5。

①通风风压计算公式。

计算通风管通风阻力：

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

式中h1为通风管通风阻力，Pa；Rf为通风管摩擦阻力，Rf=6.5×α×L/d5；Rj为通风管局部阻力，Rj=ζ×1/d4；d为通风管直径，取值1.5 m；α为通风管摩擦阻力系数(N·s2/m4)，取值为0.003 04；ζ为通风管局部阻力系数；L为洞长或风机控制长度，取值1 059.73 m。

a.通风管局部阻力系数的计算。

弯道局部阻力系数按照ξ=0.008×a0.75/n0.8进行计算，式中ξ为弯道局部阻力系数；a为转弯角度；n=R/d，R为隧洞转弯半径，d为通风管直径。

通风管的弯道局部阻力计算结果见表7。

在隧洞施工通风中常用的局部阻力系数取以下值。管道入口，ξ=0.6；管道出口，ξ=1。

尾调通气洞通风管局部阻力系数的计算：ξ=0.6+0+0.05+0.02+0.01+0.03+1=1.72。

b.计算通风管的摩擦阻力。

Rf=6.5×α×L/d5

=6.5×0.003 04×1 059.73/1.55

=2.76(kg/m7)

c.计算通风管的局部阻力。

表7 尾调通气洞通风管弯道局部阻力系数表

Rj=ζ×1/d4=1.72×1/1.54=0.34(Pa)

d.计算通风管的通风阻力。

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

=(2.76+0.34)×2 737.73×2 155.69/3 600

=5 075.82(Pa)

②由于通风机的全风压等于总的通风阻力，因此通风机工作的全风压为：

h全=h1+h0

a.计算通风管出口风阻。

h0=ζ×Q2/d4

=1.72×2 155.692/1.54=437.16(Pa)

b.计算通风机工作的全风压。

h全=h1+h0

=5 075.82+437.16=5 512.98(Pa)

风机工作风压的计算成果见表8。

表8 风机工作风压计算成果一览表

(5)通风机械设备的选择。

根据最大需风量及风机工作全风压选择适配的正压轴流式局部通风机及配套的柔性连续风筒，推荐采用的通风机械设备及配套的风筒的型号、数量见表9。

表9 风机及风筒配置表

4 施工通风的管理

目前，在进厂交通洞洞口布置了一台正压轴流风机SFD-Ⅲ-NO11并配备了φ1.5 m的柔性风筒，用于尾调通气洞的施工通风，并在施工过程中加强了对施工通风的管理，采用风速测速仪4 h监测一次，风筒出风口处的风力满足设计要求。

根据项目实际情况，笔者认为：在施工过程中应加强以下几项工作：

(1)加强环境保护意识，重视通风工作，成立专业的通风队伍，负责通风机、通风管的安装、维护以及通风方式的变换，承担通风效果的责任。

(2)加强对有害气体浓度、放射性物质的监测，根据浓度调整风量，合理供风。

(3)风机应由专业人员管理，及时了解风机的工作压力，以免造成风阻过载而烧毁电机。

5 结 语

通过学习和参考隧洞施工通风方面的专业资料，结合中东抽水蓄能K项目现场实际情况，笔者仅以尾调通气洞作为计算对象，通过对隧洞开挖及支护施工过程中对隧洞环境的污染源分析，从满足作业人员呼吸需风量、爆破排烟需风量、按允许最低风速计算风量、按稀释和排出内燃机废气计算供风量等四个角度计算了在隧洞独头施工中采用通风管路将新鲜空气送到施工作业面、排出有害气体和粉尘、创造必要的施工作业环境所需的最大供风量、风机工作风压、通风管路直径等参数，对尾调通气洞的施工通风进行了分析和探讨，以提高对隧洞施工通风计算的认识，所取得的经验可供类似工程参考。