劉 生,周 飛,李鵬舉

1 概述

隧道施工中通風方式的選擇不僅對輔助坑道的設(shè)置有影響,還決定施工速度及工程費用,尤其是以無軌運輸為主的機械化施工的長大隧道,通風方案的選擇尤為重要。在無軌運輸作業(yè)條件下,內(nèi)燃機設(shè)備廢氣排放量大,污染源分散在隧道沿程,稀釋比較困難,其施工通風技術(shù)難度遠大于有軌運輸作業(yè)。目前國內(nèi)有軌運輸鉆爆法施工時獨頭通風最長達7500 m,TBM施工最長超過 10 km。但在無軌運輸鉆爆法施工條件下,國內(nèi)已建隧道獨頭掘進通風最長為 3600 m,目前公路隧道獨頭通風超過 3000 m的還沒有[1～6]。在國外,法國鐵路新干線隧道采用壓入式通風獨頭通風最長的為 3400 m。

麥積山隧道為一座上、下分離的四車道高速公路特長隧道,寶雞端洞口位于天水市北道區(qū)東岔鎮(zhèn)境內(nèi),穿越秦嶺主脊,散岔端洞口位于甘肅省天水市北道區(qū)利橋鄉(xiāng)境內(nèi)。隧道左線全長 12286 m,右線全長 12290 m,是目前國內(nèi)第二長高速公路隧道,洞口位于平曲線上,曲線半徑 R=4000 m,其余為直線段,隧道縱坡為 1.58%。隧道施工采用新奧法,本標段獨頭掘進隧道范圍為右線 YK29+000～YK34+808,全長 5808 m,是目前世界上獨頭掘進最長的公路隧道。

2 施工通風方案

2.1 不利通風時段的組合

第一組合:掌子面開挖放炮時,第二臺襯砌臺車最遠距掌子面距離為 270 m,襯砌混泥土初凝時間110 min,混凝土罐車運輸時間最長為 40 min,炮煙必須在 30 min內(nèi)通過第二臺襯砌臺車。第二臺車工作人員按照 40人計,洞內(nèi)其他工作人員 20人計,燃油設(shè)備按照 100 kW計。

第二組合:隧道出渣和襯砌混凝土同時施工時需要的風量。

2.2 風量計算[7]

2.2.1 第一組合通風量計算

(1)每次爆破需用炸藥量 g計算

開挖斷面 (按照 S3支護形式)面積為 80.13 m2,每次開挖進尺最大 3.5 m計,根據(jù)鉆爆設(shè)計,單位用藥量為 1.44 kg/m3,則:

g=80.13×3.5×1.44=404 kg

(2)通風時間 t按照 30 min計算;

(3)通風區(qū)段長度 L按照 L=270 m計;

(4)人員 m按 60人計,設(shè)備功率 w按 100 kW計,每個人員和設(shè)備每千瓦需風量 q按 3 m3/min計;

(5)通風斷面 S3開挖支護后凈空 80.13-2.3-1.03=76.8 m2計。

2.2.1.1 爆破排煙用風量 Q1計算

2.2.1.2 排煙區(qū)段內(nèi)人員設(shè)備用風量計算

風量設(shè)備系數(shù)按 1.5計。

2.2.1.3 第一組合需風量 Q計算

Q=Q1+Q2=1451+720=2171 m3/min

2.2.2 第二組合通風量計算

出渣設(shè)備在掌子面同時施工的機械按照 184 kW裝載機 2臺,135 kW紅巖自卸車按照 2.5臺計;施工人員比第一組增加風水管處理人員 15個,道路維護人員 4個,第一組臺車定位 22人,合計按 101人計。

通過計算,第一組合單位用風量為 2171 m3/min,第二組合單位用風量 2617 m3/min。

2.3 通風方案

計劃采用分段綜合式通風方式供風,具體布設(shè)見圖 1～3。

2.3.1 第一階段 2000 m內(nèi)通風量計算

Q供=Q/(1-β)L/100

圖1 第一階段通風布置示意圖

圖2 第二階段通風布置示意圖

圖3 第三階段通風布置示意圖

式中:β——綜合漏風率,取 0.015;L——最不利長度,2000 m,Q——第一組合用風量,2171 m3/min。

Q供=2171÷(1-0.015)2000/100=2937 m3/min

第一階段通風設(shè)計滿足第一用風組合的要求,同時滿足第二用風組合的用風量要求。

2.3.2 第二階段 2000～3000 m段通風量計算

第二階段采用抽排結(jié)合的方法綜合通氣,通風前應(yīng)對前 2000 m的風帶進行部分更換,中間通風機將影響到 1000 m的,將該段風管更換為鐵皮通風管,鐵皮通風管的 100 m漏風率為 0.01,考慮到第二組風機安裝后,將產(chǎn)生區(qū)段的負壓影響,風機前端200 m的漏風率按 0計。

根據(jù)隧道內(nèi)稀釋原理計隧道通風時,可在第二臺車算后增加一組風機,向外排風,達到施工區(qū)段內(nèi)的對空氣質(zhì)量的規(guī)范要求。計劃在進洞 1500 m左右安裝向外排風組,確保施工段的空氣達標。

通風帶按照風機進行配置,選用 150 cm的軟、鋼絲和鐵質(zhì)通風帶。

2.3.3 3000 m以后的通風設(shè)計

隧道施工到 2770 m后,4號豎井可以進行排風工作,整個隧道按照豎井的安設(shè)分為兩段。在 4號豎井聯(lián)絡(luò)風道設(shè)置一臺射流風機進行排風。

3 數(shù)值模擬驗證

隧道內(nèi)氣體作低速流動,在許多部位都存在紊流流態(tài) (雷諾數(shù) Re的數(shù)量級一般為 106),可采用不可壓縮均勻紊流對隧道通風進行數(shù)值模擬。數(shù)學(xué)模型為 K-ε雙方程模型,其基本控制方程見文獻[8]?？砂阉鼈儗懗扇缦碌耐ㄓ眯问?

對于穩(wěn)態(tài)控制方程,可以用差分法離散,最終方程用矩陣表示為:

式中:Aij——對流項和擴散項離散后形成的剛度矩陣;uj——待求變量;Fi——源項離散后的矩陣。

采用流體力學(xué)有限元 FLUENT計算軟件,其中代數(shù)方程的求解為 TDM(Tri-Diagonal Matrix Algorithm)法,計算模型見圖 4。對施工通風進行數(shù)值模擬驗證通風方案,防止出現(xiàn)煙霧回流現(xiàn)象。

圖4 計算模型平面示意圖

各個方案下的速度分布云圖見圖 5～7,由以上各階段施工通風模擬所得云圖可知,洞口方向流態(tài)較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)渦流區(qū),不會發(fā)生煙霧回流,故施工通風設(shè)計所得成果滿足實際工程需要。

圖5 第一階段風速分布云圖

圖6 第二階段風速分布云圖

圖7 第三階段風速分布云圖

4 實施效果驗證

由于仿真模擬參數(shù)均采用規(guī)范要求或已有經(jīng)驗取值,兩者存在一定差異,故應(yīng)根據(jù)實測值來驗證模擬施工通風效果。當隧道掘進 1800 m時,施工作業(yè)環(huán)境中氧氣體積含量為 23%,粉塵濃度為每立方米空氣中含 2.1 mg,游離二氧化硅 (Si O2)的粉塵為1.3 mg,有害氣體一氧化碳 (CO)濃度為 87 ppm。當隧道掘進 3600 m時,施工作業(yè)環(huán)境中氧氣體積含量為 21%,粉塵濃度每立方米空氣中含 2.3 mg,游離二氧化硅 (SiO2)的粉塵為 1.5 mg,有害氣體一氧化碳 (CO)濃度為 96 ppm。測試表明各階段隧道施工作業(yè)滿足衛(wèi)生標準[7]。

5 結(jié)語

(1)隧道施工通風問題與施工的安全和效率有著直接的關(guān)系,所以,隧道施工 (特別是特長隧道)首要解決的是通風設(shè)置的合理性和有效性,以創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

(2)通風方式的布置不但考慮通風效果,還要考慮能耗節(jié)約,盡可能做到低能耗高效率。對于長大隧道而言,軸流風機的應(yīng)用不但解決了通風難和通風時間長的問題,還在一定程度上降低了能耗,基本達到了低能高效。

(3)合理通風方式的選擇固然重要,通風的管理也是重中之重。一般情況下施工隊伍都忽視對通風系統(tǒng)的有效管理,這對于一般小隧道施工而言其不良效果反映不明顯,但對于長大隧道而言,其弊端就暴露得非常明顯。所以,施工中要成立專門的通風管理小組,實施科學(xué)有效的通風管理。這不但涉及到對通風系統(tǒng)本身硬件的有效維護,還要做好交通引導(dǎo),使各機械車輛按照預(yù)定的線路行走,避免造成風路紊亂,讓通風系統(tǒng)充分發(fā)揮效用,這樣才能取得良好的通風效果為施工創(chuàng)造舒適高效的工作環(huán)境。

[1] 王毅才.隧道工程[M],北京:人民交通出版社,2003.

[2] 關(guān)寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民教育出版社,2003.

[3] 羅春如.干溪溝隧道通風技術(shù)[J],鐵道建筑,2005,(7):55-56.

[4] 胡天國.長距離小斷面隧道獨頭掘進中的施工通風設(shè)計[J].鐵道建筑,2002,(9):39-40.

[5] 唐金仕.長大隧道獨頭掘進施工通風技術(shù)[J].山西建筑,2009,35(28):331-332.

[6] 楊家松.隧道無軌運輸獨頭掘進超 9600 m施工通風技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(10):66-70.

[7] JTJ 026.1-1999,公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范[S].

[8] 李玉柱,范明順.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1998.