深埋长引水隧洞TBM施工通风方案与装备研究

肖逸飞

(新疆水利发展投资(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

隧洞地质复杂，埋深大，地应力高。岩爆高风险洞段多，施工中岩爆频发，依靠传统的钻爆法进行掘进，施工极为艰难，施工人员面临严重的安全威胁[1]。采用全断面硬岩掘进机(下文简称：TBM)进行掘进施工可有效降低岩爆等对人员和设备的危害。同时，采用TBM施工需要解决深埋隧洞涌水、硬岩TBM掘进距离长、设备安全风险评估和卡机维修、施工安全通风等难题[2-4]。同时，隧洞超长深埋、山体宽厚，根据隧洞特有的地质水文特点“量身定制”的TBM施工，具有自动化程度高、作业环境较好、工人劳作强度低、施工速度快等优点，其掘进工效是传统钻爆法的3～10倍[5]。然而，隧洞施工过程中，通风距离超长，风管布置受限、漏风率大、风阻大等问题突出[6]，对此，本文进行了总体通风布置、施工通风风量计算与设备选取、施工通风安全措施等研究，提出了科学的对策建议，构建并应用了安全的施工通风模式。

1 工程基本情况

1.1 工程概述

新疆某水利工程是我国重点引水工程，主要向自治区工业园区、矿区及城市进行供水，属大(1)型工程。本次研究对象为其引水隧洞，隧洞全长20km，纵坡i=1/2580，最大流量40m3/s。

1.2 工程地质条件

洞身通过处山体的绝对高程1050～1250m，最大埋深720m。引水隧洞岩性以黑云二长片麻岩、斜长花岗岩为主，围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，局部受断层影响为Ⅴ、Ⅴ类。饱和抗压强度为多为90～150MPa，属坚硬岩。属长引水硬岩隧道。引水隧洞共发育大小断层89条，其中对洞室稳定有影响的较大断层有9条，对这9条做了专门加固处理。由于该引水隧洞所处地理位置岩体坚硬的特质，且埋深大，故洞身在开挖过程中存在不同程度的岩爆掉块，基本以Ⅲ、Ⅳ级岩爆为主，个别洞段为Ⅰ、Ⅱ级岩爆。该引水隧洞主洞长度20km，采用TBM分两个施工段进行掘进，具体见表1。

表1 工程掘进分段表 单位：m

TBM总掘进长度19.27km，TBM设备掘进开挖洞径7.1m。钻爆法开挖段长度0.73km。支洞末端与隧洞20+365m桩号处相交，进口布置在主洞左侧，与主洞夹角133°，纵坡6%，长度约3km，与主洞相交后继续前进施工250m用于TBM设备拆卸。采用TBM掘进机开挖，断面型式为圆形，开挖断面尺寸为8m。开挖掘进完成后，通过石方扩挖和回填混凝土型式改造纵坡，满足汽车运输。

2 总体通风布置

2.1 通风布置

本次分两阶段进行隧洞通风施工布置，第一阶段隧洞通风从支洞口进入，第二阶段转场从F1、F2竖井进入。因竖井未施工，TBM已通过竖井位置，结合现场施工实际，新增施工支洞在实现TBM通风的同时，还有利于出渣转运，施工速度快于竖井施工且难度较小，可加快主洞施工进度，因此，第二阶段隧洞通风从新增施工支洞进入。支洞口更换大功率风机，上下游洞内增加接力风机及附属装置，以满足洞内施工通风要求。

2.2 通风方式选取

参照类似工程TBM施工经验，长大隧洞施工对通风要求极高，且难度大。施工中常用扩散、射流、机械及利用辅助坑道等方式进行通风，本工程采用机械式通风。机械通风的基本布置形式有压入式、抽出式和混合式3种。本此支洞通风距离长度为3km，TBM洞段通风距离长度为20km，为保证施工通风，对比分析3种通风方式的优缺点进行优选，考虑经济性与实用性，结合TBM掘进工序要求，在有大量粉尘情况下，需采用压入式向隧洞内送入新鲜空气，故选用隧洞施工常用且通风效率高的压入式送风方式。

3 施工通风风量计算与设备选取

3.1 计算参数

TBM掘进段最大通风长度L为18470m，隧洞横断面积S断为38.5m2，洞内最多工作人数M取50人，风筒直径D取2.2m，风筒面积S风取3.8m2，过流面积S流取34.7m2。风管每100m漏风率P为0.15%，隧洞内燃机械功率W为540kW，通风备用系数k为1.2，空气密度ρ为1.24kg/m3。根据SL 378—2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》11.2.4要求，每一工作人员正常呼吸需要Qn为3m3/(人·min)，每千瓦动力空气需求量Q0为4m3/(min·kW)。SL 378—2007中11.2.5要求，断面风速不小于Vmin为0.15m/s，断面风速不大于4m/s。

3.2 主洞风量计算与风机选型

3.2.1 风量计算

主洞风量计算从3个方面考虑，具体为按洞内最多工作人数Q人、按洞内允许最小回风风速Q风、按稀释内燃机车废气稀释风量Q机，通过计算取并取Q需=max(Q风，Q人+Q机)作为隧洞控制风量。

(1)按洞内最多工作人数计算风量，同时工作的最多人数50人计算，则：Q人=q·m·k=3×50×1.2=180(m3/min)=3(m3/s)。

(2)按洞内允许最小回风风速计算，则：Q风=VminS流k=0.5×34.7×1.2=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(3)按稀释内燃机废气计算风量，则Q机=Q0∑W=270×4=1080(m3/min)=18(m3/s)。

(4)洞内需求风量，Q需=MAX(Q风，Q人+Q机)=MAX(20.82，3+18)=1260(m3/min)=21(m3/s)。

(5)风机供风量应为，Qj接力=PLQ需=1.3821=28.98(m3/s)=1739(m3/min)。

(6)风压计算

①动压计算：

h动=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②静压计算：

/3.83=5.81(N·s2/m8)。

管道风流沿程摩阻风压损失：

局部阻力：

h局≈0.1h摩=0.1×3541.941=354.19(Pa)。

系统静压：

h静=h摩+h局=3541.94+354.19=3896.13(Pa)。

系统风压：

H接力=h动+h静=18.96+3896.13=3915.09(Pa)。

根据上面计算结果，接力风机需要提供不低于3915.09Pa的风压和1739m3/min(28.98m3/s)的风量。

(7)风机功率计算

TBM接力风机全压计算结果见表2。

表2 TBM接力风机全压计算结果

3.2.2 风机选型

据上述计算结果，考虑施工距离、出渣方式及经济合理性，TBM接力风机选取T2.160.2×132通风机，风筒选择便于装卸和维修的Ф2200mmPVC拉链式软风筒，见表3—4。

表3 风机参数表

表4 风筒参数表

3.3 支洞口风量计算与风机选型

3.3.1 风量计算

支洞口新鲜风直接送至接力风机，具体为按洞内允许最小回风风速Q风、接力风机需风量Q接力，通过计算取并取Q需=max(Q风，Q接力)作为隧洞控制风量。

(1)按洞内允许最小回风风速计算

根据SL 378—2007《水工建筑物地下开挖工程施工规范》11.2.5：

Q风=VminS流k=0.5×34.7×1.2

=20.82(m3/s)=1249.2(m3/min)。

(2)接力风机需风量

根据第7.1.3节，配备的接力风机风量为45.4m3/s，接力风机运行功率为0.85则：

Q接力=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(3)洞内需求风量

Q需=max(Q风，Q接力)=max(20.82，38.59)

=2315(m3/min)=38.59(m3/s)。

(4)风机供风量

据此计算系统风筒漏风系数PL：

式中，L—通风距离，支洞口风机选取7767m；P100—，100m漏风率取P100=0.15%。

风机供风量应为：

Qj支洞口=PLQ需=1.1338.59

=43.61(m3/s)=2617(m3/min)。

(5)风压计算

①动压计算：

h动=1/2×ρ×v2=1/2×1.24×5.532=18.96(Pa)。

②静压计算：

h静=h摩+h局=4106.61+410.66=4517.27(Pa)。

系统风压：

H支洞口=h动+h静=18.96+4517.27=4536.23(Pa)。

根据上面计算结果，TBM施工选择风机，支洞口需要提供不低于4536.23Pa的风压和2617m3/min(43.61m3/s)的风量。

(6)风机功率计算

/(60×1000×85%)×1.15=267.69(kW)

式中，Q—风机供风量。

TBM支洞口风机全压计算结果见表5。

表5 TBM支洞口风机全压计算结果

3.3.2 风机选型

根据支洞口风量计算结果，本次TBM支洞口风机选取T2.160.2×250通风机，风筒选择Ф2200mmPVC拉链式软风筒，见表6—7。

表6 风机参数表

表7 风筒参数表

4 设备安装、防漏降阻及施工通风安全措施讨论

4.1 设备安装

风机支架底部施做混凝土基础，确保风机支架的牢固性。风机安装于支洞洞口或主洞洞室的钢结构支架上，要求风机安装必须做到牢固、稳定且不得妨碍其他设备的运行。支洞段风筒在TBM始发掘进之前一次性安装到位，TBM施工风筒延伸随TBM掘进向前延伸，风筒提前存储在风筒储存器内，放置在洞内TBM组装洞内备用。风筒每节长度为300m，折叠存储于储风筒内。机车牵引两辆平板车进洞，空板车在前部，储风筒的板车在后部。更换时，操作风筒吊机将空储风筒吊放在空平板车上，固定好，板车向前移动，储风筒板车驶入风筒吊机起吊范围，挂好吊钩起吊，拉出储风筒内风筒，就位并固定后和原风筒对接。对接完成后，恢复通风。空风筒运出，重新填装。

4.2 防漏降阻措施

风筒接头采用拉链式接头，为高强度PVC型。风筒接头处内外均有密封保护层，作用是管内压力越高，接头处密封越紧密，确保不漏风。施工管理上严格遵循定岗定人定责要求，定期检查，发现破损及时修补，确保风管始终处理良好的工作状态，以有效减少漏风。定期测试通风系统风量、风速、风压，改进和完善通风系统。采用拉链式接头，直径为Φ2.2m的加厚、加强风管，有效地降低阻力。喷混凝土作业时，采用湿喷机作业。同时，隧道施工人员要做好自我保护，佩戴防尘口罩。

4.3 TBM施工通风安全措施

高空作业：①在操作台上进行风筒的修补和安装时，必须佩带安全带。②操作台必须和平板车可靠连接，以防倾覆。③每班必须认真检查操作台的工作状态。

有轨运输安全：①操作台固定在有轨平板车上，其上必须安装警示灯，在工作时开启警示灯。②平板车停车脱钩前，必须在两侧轮对上设置阻车器，然后再脱离牵引机车。③对风筒进行修补，特别是占用运输轨道进行修补时，必须由运输调度统一调度。④修补完成后，通知运输调度安排牵引机车将操作平板车拖出隧洞，以免影响运输效率。严禁将车辆丢在隧洞轨线上。⑤在拖移操作平台时，操作台必须处于收缩状态。

用电安全：①通风设备的电气系统安装需符合相关规定要求。②风筒的安装与修补中用电设施的接电须由专业电工作业，完工后及时拆除，确保用电的安全。

隧洞防火安全：①所有台架采用钢构件。②易燃易爆物品不得在隧洞内长期存放，进洞后必须由专人看管。③通风筒采用防火材料制造。④每个台架上、火灾易发点配置灭火器，并培训使用方法。

5 结语

本文对新疆某水利枢纽工程长引水隧洞TBM施工通风计算与设备选取进行研究。洞内温度高、相对湿度大，施工环境差，施工过程中应严格按计算结果选取合理的通风设备，同时加大对隧道通风设备的检查力度，发现破损、爆裂、泄露、弯曲、褶皱等现象要及时维修处理。施工期间，做好通风系统管理，定期测风压、风量、风速，并做好记录，定期检查设备、按时养护、加强环境监测，使通风效果更加经济科学，规避因通风不畅威胁洞内人员安全的风险，保证工程顺利推进。