龙岗特长铁路隧道矿山法段施工通风方案研究

2024-03-14夏春华

山西建筑 2024年6期

夏春华

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,江苏南京 211899)

0 引言

近几年以来,为了满足日益增长的客流量需求,隧道工程的数量逐渐增多,特长隧道[1-2]、特大断面隧道[3-4]、超深埋隧道[5-6]逐渐涌现。其中,由于特长隧道穿越地层距离较长,相较之下隧道洞身穿越地层条件更为复杂,施工面临的涌水[7]、岩爆[8]、软岩大变形[9]等不良地质更多,施工难度更大。与此同时,由于特长隧道掘进距离长,隧道内一氧化碳、二氧化碳、瓦斯等有毒有害气体更易积聚,当有毒有害气体浓度超标时,不仅会降低作业人员施工效率,影响工程进度,还会对作业人员生命安全造成严重威胁,为了确保施工安全,保障施工进度,研究隧道施工通风方案具有重要意义。

目前,国内外学者对隧道施工通风进行了大量研究,陈仲军[10]借助ANSYS有限元软件对广东省赤竹坪隧道通风进行了数值仿真模拟,对隧道需风量、风压等进行了计算,结合数值结果评价了隧道的通风效果;徐忠卫等[11]依托云南省某一螺旋隧道为工程背景,结合数值计算和室内模型试验,研究分析了隧道风筒布置位置以及风速对隧道的影响,研究结果表明,风速对隧道施工通风的影响大于风机布置位置的影响。朵生君等[12-13]研究了TBM特长隧道的施工通风控制标准,提出了特长隧道在压入式独头通风距离极限时可以通过增加风机台数的方式来增加单台压入式通风极限距离。Wang等[14]通过物理模型实验研究了互补式通风的可行性以及互换风量对隧道通风的影响。结果表明,双管互补通风的技术方案是可行的,下坡的新鲜空气通过横通道流入上坡隧道,使得上坡隧道内部的污染物浓度降低;污染空气通过横通道流入下坡隧道,使得隧道内的风速降低,从而得到良好的通风效果。

综上,国内外学者在隧道施工通风的通风效果、通风距离及风速对施工通风的影响方面做了大量研究,而对特长隧道多工作面施工通风的研究还较少。本文以新建深圳至深汕合作区铁路龙岗隧道为工程背景,通过对风量计算及设备选型完成了特长隧道施工通风方案设计,研究结果可为类似工程提供一定参考依据。

1 工程概况

新建深圳至深汕合作区铁路龙岗隧道位于深圳市龙岗区,隧道全长约18.2 km。其中,SSSG-7标段施工范围为DK93+283—DK103+590,总长10 307 m,标段内隧道采用矿山法+盾构法施工,其中矿山法段采用4座斜井(嶂背斜井、大福斜井、大与斜井、园山斜井)辅助施工;盾构段隧道外径为13.8 m,内径为12.6 m,片厚为0.6 m,管片环宽为2 m,项目平面图如图1所示。

根据设计图纸钻探结果显示,龙岗隧道有毒有害气体主要为二氧化碳,无其他有毒有害气体,为保证施工效率,隧道掘进时需保证作业空间二氧化碳体积分数低于0.5%。

2 斜井风机布置方案

根据相关规范和施工工作面安排,龙岗隧道施工采用各辅助坑道洞口独头压入式通风方式,最大通风长度2 279 m,最大通风面积152.4 m2。通过对风量、风压进行科学论证,合理选用通风设备,在满足通风效果的前提下,进行合理调配风机的数量,在隧道净空允许的情况下,采用大直径风管,减少能耗损失。

2.1 嶂背斜井风机布置

嶂背斜井与正洞交于DK93+330断面处,平面交角为51°6′45″,斜井长855 m,斜井坡度为10%,斜井井身共设置长30 m的缓坡道3处,利用缓坡段设置安全防撞装置,缓坡段坡度均为2%,斜井洞口标高79.057 m,斜井与正洞交接标高-5.36 m,高差84.317 m,斜井运营期间作为避难所使用,同时作为排水通道和养护维修通道,按永久工程设计,采用复合式衬砌。根据施工条件隧道采用压入式通风方式,风机布置如图2所示。

2.2 大福斜井风机布置

大福斜井与正洞交于DK96+020断面处,平面交角为135°12′24″,斜井长718 m,坡度为9.46%,大福斜井作为运营期的避难所,斜井井底设80 m长缓坡段,斜井井身设置长30 m缓坡段1处,利用缓坡段设置安全防撞装置,缓坡段坡度均为2%,斜井洞口标高53 m,斜井与正洞交接标高-14.755 m,高差67.755 m。根据施工条件隧道采用压入式通风方式,风机布置如图3所示。

2.3 大与斜井风机布置

大与斜井与正洞交于DK98+200断面处,平面交角为125°53′4.6″,斜井长764 m,坡度为10%,斜井井身共设置长30 m的缓坡段3处,利用缓坡段设置安全防撞装置,缓坡段坡度为2%,斜井洞口标高75.219 m,斜井与正洞交接标高-1.165 m,高差76.384 m,斜井运营期不予利用,后期C20混凝土封闭。根据施工条件隧道采用压入式通风方式,风机布置如图4所示。

2.4 园山斜井风机布置

园山斜井与正洞交于DK99 +600断面处,平面交角为134°6′37″,斜井长743 m,坡度为8.54%。园山斜井作为运输通道和养护维修通道,按永久工程设计,斜井采用复合式衬砌。根据施工条件隧道采用压入式通风方式,风机布置如图5所示。

3 风量计算及设备选型

3.1 需风量计算

隧道施工通风需风量大小应综合对比作业人员需风量Q人、最小风速需风量Q风、排烟需风量Q排、内燃机需风量Q内,取其中最大风量值为隧道需风量。

1)按照作业人数计算。工作面最多人数60人,作业人员供风量取4 m3/(人·min),由最低供风量确定的最小通风量为：

Q人=q×n=4×60=240 m3/min。

2)按照最小风速计算。工作面最小风速取0.15 m/s,隧道开挖断面面积为152.4 m2,由最小风速确定的最小通风量为：

Q风=60×s×v=60×152.4×0.15=1 371.6 m3/min。

3)按照隧道排烟量计算。隧道烟量计算公式见式(1)：

(1)

其中,t为爆破通风时间,取30 min;P为风管全程漏风系数;隧道采用大风量供风,采用软风管,考虑到实际使用过程中管理维护不善,百米漏风率平均值按1%进行计算,计算结果如下：

P=1/[(1-β)L/100)=1/[(1-0.01)×2 279/100]=1.25。

其中,G为一次爆破药量,按150 kg计算;φ为淋水系数,取0.3;b为炸药爆破时有害气体产生量,取40 m3/kg;A为隧道断面面积;L为隧道爆破临界长度,计算如下：

L=12.5×G×b×K/(A×P2)=211.7 m。

由此,可计算得隧道排烟量需风量为：

4)按内燃机械设备总功率需风量计算。

内燃机械设备总功率需风量计算公式如式(2)所示：

Q内=k×∑NiTi

(2)

其中,k为内燃机械单位功率供风量,取3 m3/(min·kW);Ni为各内燃机功率,kW;Ti为同时工作内燃机设备利用率系数。

隧道施工按计划只有开挖面装碴设备是内燃机械,包括1台挖掘机(额定功率为107 kW)、1台装载机(额定功率为81 kW)、3台出渣车(额定功率为160 kW),罐车处于炮烟的扩散长度外,不做考虑。柴油机设备工作时的利用率系数：挖机取0.5、装载机取0.65、出渣车取0.45,则：

Q内=k×∑NiTi=534.5 m3/min。

根据上述计算方法,各辅助坑道(单侧最大作业长度)对应通风风量计算如表1所示。

表1 施工通风风量计算一览表

综上,嶂背斜井口因配备通风量不小于1 714.5 m3/min的通风设备,大福斜井口因配备通风量不小于1 673.5 m3/min的通风设备,大与斜井口因配备通风量不小于1 632.2 m3/min的通风设备,园山斜井口因配备通风量不小于1 645.9 m3/min的通风设备。

3.2 管道压力损失及通风机全压

通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力,需满足h>h阻,按式(3)计算：

h阻=∑h动+∑h沿+∑h局

(3)

其中,h动为管口动压,一般考虑为50 Pa。

h沿=α×L×U×p×Q2×g/S3。

其中,α为风管摩擦阻力系数,取3×10-4;L为风管长度;U为风管周边长,U=πD=5.652 m;p为漏风系数;Q2为掌子面最大风量;g为重力加速度,取9.8 m/s2;S3为风管截面积,S3=πD2/4=2.54 m2;D为风管直径,1.8 m;h局为按照h沿的15%计算,取371 Pa。

根据上述公式计算得出嶂背斜井h阻=2 893 Pa,大福斜井h阻=2 460 Pa,大与斜井h阻=1 956 Pa,园山斜井h阻=1 650 Pa。

3.3 风机配置方案

通过计算可知,龙岗隧道各辅助坑道风机性能需求具体如表2所示,通过对比各种型号风机的性能与参数,考虑新购6台变频轴流风机,如表3所示。

表2 风机性能需求一览表

表3 风机设备一览表

3.4 风管配置方案

为了确保风管通风的气密性,风筒采用具有阻燃性PVC材质的柔性风筒,风筒直径1 800 mm,10 m/节。风管所有的接缝、接头采用全密封式焊接,焊接区域宽4 mm,接头采用拉链式接头。风筒两端均有拉链(塑料材质),为高强度PVC型,风筒接头处内外层均设置有密封保护层,当内部压力越高,接头处就越紧,以确保通风过程中不漏风。