魏兆雷,李仲峰,張志磊

(中鐵四局集團(tuán)宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443001)

宜萬鐵路八字嶺長大隧道施工通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用研究

魏兆雷,李仲峰,張志磊

(中鐵四局集團(tuán)宜萬鐵路工程指揮部,湖北宜昌 443001)

通過對八字嶺隧道進(jìn)、出口通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施及在實(shí)施中對存在問題的解決方法進(jìn)行研究,對壓入式通風(fēng)、混合式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)在八字嶺隧道的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié),為類似長大隧道施工的通風(fēng)應(yīng)用提供參考。

宜萬鐵路;鐵路隧道;通風(fēng);施工

1 工程概況

宜萬鐵路八字嶺隧道Ⅰ線隧道全長5867m (ⅠDK103+253～ⅠDK109+120),Ⅱ線隧道全長6014m(ⅡDK103+065～ⅡDK109+079),Ⅱ線位于Ⅰ線右側(cè)30m,其中,Ⅱ線進(jìn)口3794m由Ⅰ線平導(dǎo)擴(kuò)挖而成,隧道Ⅰ線與平導(dǎo)之間共設(shè)置9個(gè)橫通道。隧道斷面為開行雙層集裝箱列車電氣化單線鐵路隧道,隧道開挖斷面70～75m2,平導(dǎo)開挖斷面12～14m2。各橫通道位置見表1。

隧道進(jìn)口由中鐵四局二公司施工,承擔(dān)八字嶺隧道Ⅰ線進(jìn)口3932m、平導(dǎo)3794m及Ⅱ線3794m擴(kuò)挖施工任務(wù),采用鉆爆法開挖有軌運(yùn)輸。隧道出口由中鐵四局四公司施工,承擔(dān)八字嶺隧道Ⅰ線出口1935m及Ⅱ線出口2220m施工任務(wù),采用鉆爆法開挖,無軌運(yùn)輸。

2 通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施

通風(fēng)方案是長大隧道施工方案重要的研究內(nèi)容之一。由于宜萬鐵路八字嶺隧道是中鐵四局集團(tuán)公司歷史上首次承擔(dān)的5km以上的長大隧道,施工通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)不足,為使通風(fēng)方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理,確保隧道施工的順利進(jìn)行,分階段對隧道通風(fēng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

表1 橫通道中線與平導(dǎo)和Ⅰ線正洞中線相交里程

2.1 洞內(nèi)風(fēng)量計(jì)算

施工通風(fēng)所需風(fēng)量按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)、洞內(nèi)允許最小風(fēng)速、一次性爆破所需要排除炮眼量和內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率分別計(jì)算,取其中最大值作為控制風(fēng)量。

2.1.1 正洞

(1)按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算

式中 3——每人每分鐘供應(yīng)新鮮空氣標(biāo)準(zhǔn),m3/min;

k——風(fēng)量備用系數(shù),取1.25;

m——同一時(shí)間洞內(nèi)工作最多人數(shù),取50人/工作面;

(2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算

式中 V——洞內(nèi)允許最小風(fēng)速,m/s;

S——最大斷面積,m2,取75m2;

Q工作面=V×S×60=0.15×75×60=675m3/min;

(3)爆破排除炮眼所需風(fēng)量

式中 A——同時(shí)爆破炸藥用量,kg。

按照Ⅲ～Ⅳ級圍巖,全斷面施工法計(jì)算每次爆破炸藥用量為

式中 q——每m3巖石爆破用藥量(1.1為實(shí)際施工用量);

s——坑斷面積,取75m2;

L——炮眼深度,取2.8m;

b——1kg炸藥爆炸時(shí)所產(chǎn)生的CO體積,一般b=40L。

t——通風(fēng)時(shí)間,為30min。

(4)按內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)計(jì)算

內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備作業(yè)供風(fēng)量3m3/(min·kW);

洞內(nèi)主要配備大宇220挖掘機(jī)及ZLM -50E裝載機(jī)各1臺,功率約為230kW;

經(jīng)比選,取最大值1540m3/min作為控制風(fēng)量。

2.1.2 平導(dǎo)

(1)按洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算

m取15人/工作面

(2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算

S取14m2;

(3)爆破排除炮眼所需風(fēng)量

式中,q取2.5kg;S取14m2;L取2.2m;b取40L;t取15min。

經(jīng)比選,取最大值1027m3/min作為控制風(fēng)量。

2.2 風(fēng)阻及風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算

式中 Q風(fēng)機(jī)——通風(fēng)機(jī)風(fēng)量;

Q工作面——工作面所需風(fēng)量;

P——風(fēng)阻。

式中 L——風(fēng)管管路長度;

β——管路平均百米漏風(fēng)率,參考鐵路工程技術(shù)手冊,取1.3%。

2.2.1 正洞

根據(jù)施工安排,為主要施工工作面,按送風(fēng)1.8 km設(shè)計(jì);

2.2.2 橫通道

根據(jù)施工安排,為輔助施工工作面,需送風(fēng)0.8km,通風(fēng)時(shí)間 t取 60min,推算出 Q工作面= 770m3/min。

2.2.3 平導(dǎo)

根據(jù)施工安排,主要施工工作面按送風(fēng)1.8km設(shè)計(jì);P=1.31。

2.3 風(fēng)機(jī)選型

常用軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2。

表2 常用軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果,正洞選擇 SDF(B)-NO12.5型通風(fēng)機(jī),平導(dǎo)選擇SDF(B) -NO11型通風(fēng)機(jī),橫通道選擇SDF(B)-NO10型通風(fēng)機(jī),風(fēng)管選擇了便于裝卸與維修的拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。

2.4 方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

2.4.1 隧道進(jìn)口通風(fēng)

隧道進(jìn)口通風(fēng)在隧道貫通前采用的通風(fēng)方式有壓入式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)及混合式通風(fēng),隧道進(jìn)口通風(fēng)方案共分為4個(gè)階段。

第一階段:平導(dǎo)和正洞均采用壓入式通風(fēng),平導(dǎo)采用1號軸流風(fēng)機(jī)(SDF(B)-NO1155kW×2)向洞內(nèi)供風(fēng),風(fēng)筒直徑1.0m,當(dāng)平導(dǎo)2號橫通道拐入正洞施工時(shí),在平導(dǎo)口增設(shè)2號軸流風(fēng)機(jī)(SDF(B ) -NO11 55kW×2)向橫通道內(nèi)掌子面供風(fēng),風(fēng)筒直徑1.0m;正洞采用3號軸流風(fēng)機(jī)(SDF(B)-NO12.5110kW×2)向洞內(nèi)供風(fēng),風(fēng)筒直徑1.5m;進(jìn)口第一階段通風(fēng)布置見圖1。

圖1 進(jìn)口第一階段通風(fēng)

第二階段:通風(fēng)采用巷道式通風(fēng),新鮮空氣由平導(dǎo)進(jìn)入,平導(dǎo)風(fēng)機(jī)1(SDF(B)-NO1155kW×2)及正洞風(fēng)機(jī)2(SDF(B) -NO1155kW×2)均設(shè)置在平導(dǎo)PDK103+800處分別向洞內(nèi)供風(fēng),當(dāng)平導(dǎo)3號橫通道拐入正洞施工時(shí),由4號軸流風(fēng)機(jī)(SDF(B) -NO10 37kW×2)為其供風(fēng),PDK103+900處設(shè)置25kW射流風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)5),防止污濁空氣回流,平導(dǎo)及橫通道污濁空氣通過2號橫通道進(jìn)入正洞后排出。隨著隧道的掘進(jìn)和新開橫通道的施工,風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)4、風(fēng)機(jī)5向洞內(nèi)前移,均按巷道式進(jìn)行通風(fēng)。進(jìn)口第二階段通風(fēng)布置見圖2。

第三階段:通風(fēng)采用巷道式通風(fēng)與混合式通風(fēng)相結(jié)合,2006年10月平導(dǎo)已施工完畢,隧道Ⅱ線開始擴(kuò)挖施工,Ⅱ線擴(kuò)挖通風(fēng)采用壓入式通風(fēng),采用風(fēng)機(jī)6 (SDF(B) -NO1155kW×2)通風(fēng),同時(shí)在PDK103+ 900處設(shè)置風(fēng)門,防止污濁空氣吸入洞內(nèi),洞內(nèi)新鮮空氣由Ⅰ線正洞通過2號橫通道進(jìn)入平導(dǎo),Ⅰ線正洞和8號橫通道風(fēng)機(jī)設(shè)置在平導(dǎo)PDK105+400處向掌子面供風(fēng),同時(shí)在正洞2號橫通道處設(shè)置3號軸流風(fēng)機(jī)(SDF(B)-NO12.5110kW×2)抽出洞內(nèi)污濁空氣,加速洞內(nèi)的空氣流通,見圖3。

圖2 進(jìn)口第二階段通風(fēng)布置

圖3 進(jìn)口第三階段通風(fēng)

2.4.2 隧道出口通風(fēng)

隧道出口通風(fēng)主要采用壓入式通風(fēng),因施工采用無軌運(yùn)輸,施工期間在距離隧道出口700m處增加了豎井,加強(qiáng)施工通風(fēng)。隧道出口通風(fēng)可分為2個(gè)階段。

第一階段:施工Ⅰ線正洞,采用壓入式通風(fēng),風(fēng)機(jī)選用SDF(B)-NO12.5型風(fēng)機(jī),風(fēng)筒直徑1.5m。見圖4。

圖4 出口第一階段通風(fēng)

第二階段:Ⅰ線正洞施工1000m后,采用從橫洞口壓入式通風(fēng),污濁空氣通過豎井排出,豎井直徑1.5m,豎井內(nèi)裝25kW射流風(fēng)機(jī)1臺。出口第二階段通風(fēng)見圖5。

圖5 出口第二階段通風(fēng)

2.4.3 隧道貫通后通風(fēng)

隧道Ⅰ線貫通后,在Ⅰ線隧道洞內(nèi)設(shè)置4臺25kW射流風(fēng)機(jī),加速洞內(nèi)空氣循環(huán),利用Ⅰ線隧道作為新鮮空氣及排污通道,組織隧道Ⅱ線施工,分別利用隧道進(jìn)口、5號、7號、12號、14號共4個(gè)工作面施工Ⅱ線隧道,污濁空氣通過豎井排出,見圖6。

3 通風(fēng)方案的實(shí)施效果驗(yàn)證

圖6 隧道貫通后通風(fēng)

該通風(fēng)方案在實(shí)施中,經(jīng)過集團(tuán)公司防疫部門對粉塵含量,CO氣體檢查、檢驗(yàn),空氣質(zhì)量符合要求,能滿足施工需要,并保證了隧道的順利施工。

4 施工通風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)及體會

4.1 通風(fēng)方案的制定依據(jù)

(1)從理論上講一定要科學(xué)、合理,如果通風(fēng)方案存在理論上的缺陷,就不能實(shí)施該方案。

(2)主要需考慮新風(fēng)采集、回流風(fēng)的的通道、一定功率的風(fēng)機(jī)有效供風(fēng)距離。新風(fēng)采集源在理論上不能有和回流風(fēng)重合的地帶,而功率一定的風(fēng)機(jī)有效供風(fēng)距離是設(shè)置風(fēng)機(jī)位置的重要依據(jù)。

(3)方案制定后的現(xiàn)場檢查:核對方案實(shí)施情況及實(shí)施效果,并根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度不斷做出局部調(diào)整,使其更能符合實(shí)際情況,方案的制定和實(shí)施不是一蹴而就,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。

(4)通風(fēng)方案的實(shí)施效果相關(guān)因素:包括通風(fēng)方案、風(fēng)機(jī)功率、風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家、風(fēng)筒質(zhì)量、風(fēng)筒維護(hù)、風(fēng)筒接口、橫通道封堵程度和出砟方式等,僅從某個(gè)方面查找通風(fēng)效果不好的原因是行不通的。

4.2 通風(fēng)方式選擇

在八字嶺隧道施工中先后采用了壓入式通風(fēng)、混合式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)3種方式。在某一階段內(nèi),這3種方式是并存的。對于獨(dú)頭隧道,只能采用壓入式通風(fēng)或者混合式通風(fēng),壓入式通風(fēng)距離不能過長,超出風(fēng)機(jī)的供風(fēng)最大距離后,就應(yīng)改為混合式通風(fēng),即將壓入風(fēng)機(jī)往掌子面方向移動(dòng),移動(dòng)的距離以該風(fēng)機(jī)的有效通風(fēng)距離為標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)在洞內(nèi)安裝吸出式風(fēng)機(jī)(風(fēng)筒接到洞外),如果隧道長度超出壓入風(fēng)機(jī)有效通風(fēng)距離不大,可以考慮采用斷開式串接風(fēng)機(jī)壓入通風(fēng)方式。

對于有平導(dǎo)及橫通道的隧道,應(yīng)采用巷道通風(fēng)方式,局部采用混合式通風(fēng)。八字嶺隧道進(jìn)口在施工中一直以巷道通風(fēng)方式(平導(dǎo)進(jìn)入新鮮空氣,主洞作為排出污濁空氣通道)為主。

4.3 機(jī)械選型

通風(fēng)機(jī)械的問題主要來源于風(fēng)機(jī)制造廠,在八字嶺進(jìn)口共選用了3家生產(chǎn)廠生產(chǎn)的風(fēng)機(jī),其實(shí)際使用效果差異極大,如采用南昌產(chǎn)某風(fēng)機(jī)、咸陽產(chǎn)某風(fēng)機(jī)及山西產(chǎn)某風(fēng)機(jī),在功率相同情況下就存在很大差異,致使方案設(shè)計(jì)后在使用中達(dá)不到預(yù)期效果。后期購入的風(fēng)機(jī)就選用了效果好的山西產(chǎn)某風(fēng)機(jī),使用效果存在明顯區(qū)別。

4.4 通風(fēng)管理

主要要做好風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒的安裝及維護(hù)、風(fēng)墻的設(shè)置、通風(fēng)時(shí)間控制幾個(gè)方面工作,這是通風(fēng)方案實(shí)施效果的重要保障。在實(shí)際操作中我們也因不夠重視這一基礎(chǔ)工作,使得洞內(nèi)空氣質(zhì)量一度變得很差。

4.4.1 風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒的安裝

風(fēng)機(jī)的安裝:風(fēng)機(jī)支架要穩(wěn)固結(jié)實(shí),減少運(yùn)行中的振動(dòng)現(xiàn)象,風(fēng)機(jī)出口段最好設(shè)置一段加強(qiáng)型柔性風(fēng)管,風(fēng)管與風(fēng)機(jī)聯(lián)結(jié)處應(yīng)多道綁扎,減少漏風(fēng)。風(fēng)機(jī)的安裝應(yīng)有一定的高度,使其和風(fēng)管連接平順,減少吸風(fēng)或者壓風(fēng)的壓力損失。

風(fēng)管的安裝:風(fēng)管是整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中使用最多、影響最大的消耗材料,一般分為柔性風(fēng)管和剛性風(fēng)管,剛性風(fēng)管有“成本高、質(zhì)量大、搬運(yùn)難、接頭多,加工誤差大、變形恢復(fù)難”等缺點(diǎn),因此使用柔性風(fēng)管居多。掛設(shè)風(fēng)管要做到平直順暢,尤其穿越襯砌臺車時(shí),更要注意這一問題。使用PVC拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)管時(shí),應(yīng)注意以下事項(xiàng):

(1)應(yīng)使其內(nèi)反邊與風(fēng)向一致,以減小風(fēng)阻;

(2)為減少掌子面處因爆破帶來的風(fēng)管消耗,在風(fēng)管末端可以安裝40m長舊風(fēng)管,其出口離掌子面保持30～40m距離;

(3)為防止運(yùn)輸機(jī)械掛壞風(fēng)筒,風(fēng)筒的掛設(shè)必須保證一定高度;

(4)平導(dǎo)空間有限時(shí),風(fēng)筒盡量靠近拱頂布設(shè),并利用舊風(fēng)管制成的繩條每間隔一定距離將風(fēng)筒兜住,避免風(fēng)筒的懸垂被運(yùn)輸車輛掛壞;

(5)及時(shí)粘補(bǔ)破損的風(fēng)筒,防止漏氣。

4.4.2 風(fēng)門的設(shè)置

在巷道通風(fēng)方式中,橫通道必須設(shè)置風(fēng)門,風(fēng)門對通風(fēng)的影響十分明顯,八字嶺隧道進(jìn)口在采用巷道通風(fēng)方式后,在一定時(shí)期內(nèi)沒有設(shè)置風(fēng)門或沒有能及時(shí)設(shè)置風(fēng)門、設(shè)置風(fēng)門后無人管理使其形同虛設(shè)。在隧道掘進(jìn)深度不大時(shí)(6通貫通前),對通風(fēng)效果影響不明顯,而在6通輔助掘進(jìn)工作面與主洞工作面貫通后,由于風(fēng)門漏風(fēng)影響,大量污濁空氣回流到平導(dǎo),再次被風(fēng)機(jī)吸入,形成內(nèi)循環(huán)風(fēng),造成主洞大部分位置污濁空氣滯留洞內(nèi)。經(jīng)過簡單試驗(yàn)證明,一個(gè)密封不嚴(yán)的風(fēng)門,使得主洞空氣風(fēng)速在風(fēng)門前后降低一半,致使巷道通風(fēng)效果變差。

因此尤其要重視風(fēng)門的設(shè)置和密閉問題,做到有專人管理風(fēng)門的開關(guān)和維護(hù),保證巷道通風(fēng)流向的形成。

4.4.3 通風(fēng)時(shí)間的控制

應(yīng)制定科學(xué)的通風(fēng)時(shí)間,控制及相應(yīng)的通風(fēng)強(qiáng)度。如放炮后通風(fēng)強(qiáng)度、通風(fēng)開啟和持續(xù)時(shí)間,打鉆、無軌出砟通風(fēng)時(shí)間及通風(fēng)強(qiáng)度。

5 結(jié)語

八字嶺隧道是我集團(tuán)公司2004年承擔(dān)的第一個(gè)長大隧道,施工通風(fēng)對于長大隧道來說是一項(xiàng)重要難題之一。施工前,對隧道通風(fēng)方案進(jìn)行了計(jì)算、設(shè)計(jì)并組織進(jìn)行了評審,施工中,根據(jù)通風(fēng)的效果、通風(fēng)存在的問題對通風(fēng)方案進(jìn)行了完善、優(yōu)化,較好地解決了八字嶺長大隧道施工通風(fēng),保證了隧道正常順利的施工。

[1] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊·隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1981.

[2] TB10003—99,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB10204—2002,鐵路隧道施工規(guī)范[S].

[4] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路宜昌至萬州段八字嶺隧道設(shè)計(jì)圖[Z].武漢:2004.

[5] 中鐵四局集團(tuán)宜萬鐵路工程指揮部.新建鐵路宜昌至萬州段八字嶺隧道Ⅱ線設(shè)計(jì)圖[Z].湖北宜昌:2006.

[6] 中鐵四局集團(tuán)宜萬鐵路工程指揮部.宜萬鐵路八字嶺隧道實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)[Z].湖北宜昌:2004.

[7] 中鐵四局集團(tuán)宜萬鐵路工程指揮部.宜萬鐵路八字嶺隧道Ⅱ線實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)[Z].湖北宜昌:2006.

U453.5

A

1004 -2954(2010)08 -0141 -04

2010 05 17

魏兆雷(1964—),男,工程師,1999年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè),E-mail:weizhaolei1@163.com。