張忠偉，周洪波，楊安林

(二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610051)

錦屏水電站樞紐工程由一級、二級兩個梯級水電站組成。為滿足對外交通及二級水電站引水隧洞地質(zhì)勘探、科研試驗(yàn)、施工和運(yùn)行管理的需要，需穿越錦屏山修建17.5 km的輔助洞。輔助洞分為A、B兩洞，全長約為17.5 km，一 般 埋 深1 500～2 000 m，由兩條相互平行、中心距35 m，洞 斷 面 分 別 為5.5 m ×5.7 m(寬 × 高)、6 m ×6.25 m的單車道組成?？v斷面呈“人”字坡，最大縱坡為2.5%，最小縱坡為0.12%。西端由中鐵二局施工，采用無軌運(yùn)輸方式。輔助洞已于2008年8月8日貫通，其中西端開挖約9.7 km。

1 巷道式射流通風(fēng)技術(shù)原理

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

錦屏水電站輔助洞是非常典型的上下行隧道，正好構(gòu)成巷道式通風(fēng)條件，而且洞內(nèi)需風(fēng)可直接從洞口進(jìn)入(有露頭)，將隧道作為大風(fēng)道，既加大了風(fēng)量，又減少了風(fēng)阻損失。西端自第三個橫向通道形成后便改變通風(fēng)方案，即掌子面采取軸流通風(fēng)。軸流所需風(fēng)量及巷道內(nèi)的需風(fēng)和污濁空氣的排除全部由射流風(fēng)機(jī)提供[1]。具體特點(diǎn)如下:

(1)在排除污濁空氣的隧道洞口附近設(shè)置風(fēng)門，方便了進(jìn)出車輛，提高了運(yùn)行速度;

(2)把巷道作為主風(fēng)道，斷面大，減少了風(fēng)阻，提高了通風(fēng)效果;

(3)加大了無軌施工的獨(dú)頭通風(fēng)距離，減少了輔助坑道工程量;

(4)可開展洞內(nèi)多工序平行作業(yè)，減少施工干擾，施工組織相對有軌運(yùn)輸更加方便靈活;

(5)以射流風(fēng)機(jī)為主，在開挖工作面附近布置風(fēng)管作局部通風(fēng)，避免了在隧道內(nèi)全程布設(shè)風(fēng)管，減少了對施工的干擾。

1.2 操作要點(diǎn)

充分利用兩個(A、B)相鄰隧道相互構(gòu)成平行導(dǎo)洞的特點(diǎn)，將公路隧道運(yùn)營通風(fēng)原理和理念大膽地運(yùn)用到隧道(洞)施工通風(fēng)中來，采用射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)構(gòu)成混合式通風(fēng)方式，可有效解決無軌運(yùn)輸洞通風(fēng)的技術(shù)問題。

具體內(nèi)容:當(dāng)互為平行導(dǎo)洞的兩隧道(洞)第二個橫向通道貫通后(一般橫向通道間隔500 m)，在A、B線內(nèi)布置一定數(shù)量的射流風(fēng)機(jī)向洞內(nèi)分別供入新鮮風(fēng)和排除污濁空氣;在進(jìn)入新鮮風(fēng)的A線或B線距開挖工作面最近的橫向通道后方約80～100 m位置布置軸流風(fēng)機(jī)，通過軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)管將其后方的新鮮空氣直接壓入到A線或B線的開挖工作面。巷道式通風(fēng)原理見圖1。

圖1 巷道式通風(fēng)原理圖

2 施工通風(fēng)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

正確選擇風(fēng)機(jī)是通風(fēng)中最為重要的環(huán)節(jié)，要求在等功率條件下供風(fēng)量大，壓力大，噪聲低，節(jié)能。

軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)距離僅需考慮1 000～1 200 m即可，一般選擇2×110 kW、2×135 kW變頻風(fēng)機(jī)足矣，不需要進(jìn)行計(jì)算;而風(fēng)管直徑則不小于1.5 m。軸流風(fēng)機(jī)移動同步進(jìn)行，即每隔1 000～1 200 m同步移動一次。

射流風(fēng)機(jī)偏向于選擇大功率。射流風(fēng)機(jī)最重要的性能參數(shù)是風(fēng)機(jī)所能產(chǎn)生的推力值與出風(fēng)口速度。為了增加射流風(fēng)機(jī)的推力，可以增加風(fēng)機(jī)的葉片角度以及相應(yīng)的電機(jī)功率，以達(dá)到更高的風(fēng)機(jī)出口流量與風(fēng)速。在錦屏輔助洞施工實(shí)際應(yīng)用中，采用了強(qiáng)力射流風(fēng)機(jī)QSF－1260，其功率為75 kW，風(fēng)機(jī)出口平均風(fēng)速在40 m/s以上。

射流風(fēng)機(jī)數(shù)量計(jì)算較復(fù)雜，在設(shè)備配備時一般可參考公式計(jì)算考慮，而在實(shí)際使用時則是以保證現(xiàn)場通風(fēng)質(zhì)量為前提，根據(jù)試驗(yàn)確定。它與射流風(fēng)機(jī)的功率、效率、通風(fēng)質(zhì)量、隧道斷面等直接相關(guān)。

根據(jù)通風(fēng)原理圖1簡化得到的等效計(jì)算簡圖見圖2。

圖2 射流通風(fēng)計(jì)算簡圖

圖2中，△pj為射流通風(fēng)升壓力;△pt為交通通風(fēng)力;△pr為通風(fēng)阻力，單位均為Pa。計(jì)算中，交通通風(fēng)力△pt可以忽略不計(jì)，計(jì)算射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)時只考慮通風(fēng)阻力△pr。

通風(fēng)阻力計(jì)算公式如下[2、3]:

式中 △pr為通風(fēng)阻力，Pa;Σξ為局部阻力系數(shù)(對特長隧道而言，每500～600 m設(shè)置橫通道一處，局部阻力相對沿程摩擦阻力較小，計(jì)算時可以忽略);λi為隧洞內(nèi)沿程摩擦阻力系數(shù);Li為隧洞的長度，m;di為隧洞內(nèi)的水力直徑，m;vi為隧洞內(nèi)的風(fēng)速，m/s;ρ為空氣容重，取 1.2 kg/m3。

隧洞內(nèi)沿程摩擦阻力系數(shù)的計(jì)算公式:

式中 △為隧道壁面粗糙度，mm。比較光滑的混凝土標(biāo)準(zhǔn)斷面在一般情況下λi＜0.1，可參考相關(guān)資料取值計(jì)算;然而施工期間洞身一般為錨噴支護(hù)。由于超挖存在，既便經(jīng)臨時噴護(hù)后，表面粗糙度平均達(dá)到200～500 mm。因此，將按式(2)計(jì)算得到的沿程摩擦阻力系數(shù)λi代入公式計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)數(shù)量與實(shí)際情況相差較大，取值時僅供參考。

根據(jù)錦屏輔助洞前9 000 m每階段實(shí)際風(fēng)機(jī)布置與測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與回歸分析，洞內(nèi)在達(dá)到施工安全的臨時噴護(hù)后，λi取值按0.1～0.2考慮比較符合實(shí)際情況。

式中 C為隧道斷面周長，m。

式中 Q需為洞內(nèi)需要的風(fēng)量，m3/min。需風(fēng)量應(yīng)根據(jù)通風(fēng)技術(shù)規(guī)范或隧道施工規(guī)范的要求確定，或根據(jù)洞內(nèi)帶負(fù)荷工作的內(nèi)燃設(shè)備功率和工作人員計(jì)算。錦屏輔助洞洞內(nèi)行駛重載車輛較多，如果按照設(shè)備功率反算風(fēng)速，將達(dá)到4 m/s以上，但是，通過現(xiàn)場觀察，不需要過大的風(fēng)速仍能滿足通風(fēng)質(zhì)量要求，故在計(jì)算中，過風(fēng)斷面≤40 m3按風(fēng)速2～2.5 m/s計(jì)算需風(fēng)量，過風(fēng)斷面＞40 m3按風(fēng)速1.5～2 m/s計(jì)算需風(fēng)量。

射流通風(fēng)升壓力計(jì)算如下:

式中 K為噴流系數(shù)，取0.85;vj為射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s;φ為面積比，φ=Fj/Fs;Fj為射流風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口面積，m2;Fs為隧道橫斷面積，m2;ψ為速度比，ψ=vi/vj;vj為射流風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口風(fēng)速，m/s;vi為隧道內(nèi)風(fēng)速，m/s

根據(jù)隧道內(nèi)的壓力平衡關(guān)系:

在滿足隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速的條件下，射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)可按下式計(jì)算:

根據(jù)式(1)～(7)，計(jì)算得到錦屏水電站輔助洞不同通風(fēng)距離的射流風(fēng)機(jī)數(shù)量見表1。通過實(shí)際驗(yàn)證，射流風(fēng)機(jī)計(jì)算數(shù)量與實(shí)際使用數(shù)量僅相差2臺。

表1 錦屏水電站輔助洞不同通風(fēng)距離的射流風(fēng)機(jī)理論計(jì)算和實(shí)際布置數(shù)量表

3 巷道式射流通風(fēng)布置與施工

3.1 風(fēng)機(jī)平面布置

風(fēng)機(jī)平面位置布置原則:進(jìn)風(fēng)洞數(shù)量相對排風(fēng)洞要少，基本上按3∶7分布可達(dá)到較好的通風(fēng)效果。若射流風(fēng)機(jī)靠近橫向通道附件時，風(fēng)機(jī)要布置在靠風(fēng)流方向的上方并離通道邊壁位置5～7 m，如圖3。

3.2 風(fēng)機(jī)安裝

射流風(fēng)機(jī)施工期間設(shè)置緊靠隧道(洞)邊墻一側(cè)，高度不低于1.2 m，離洞壁保證有0.3 ～0.5 m間距。

軸流風(fēng)機(jī)設(shè)置在進(jìn)入新鮮空氣的隧道(洞)中，其位置在緊靠掌子面的第一個橫向通道的后方80～100 m位置。

圖3 錦屏水電站輔助洞風(fēng)機(jī)平面布置示意圖

3.3 軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)管安裝

風(fēng)管安裝在拱頂和邊墻位置。當(dāng)無軌運(yùn)輸?shù)膬艨諠M足要求時，為便于維修方便，一般設(shè)置在邊墻，其懸掛高度不低于2.5 m;當(dāng)凈空受限時，則安裝在拱頂位置，懸掛順直牢靠。

風(fēng)管彎管使用特制的軟管制作，并用拉鏈與主風(fēng)管相連接。

3.4 風(fēng)門的封堵

當(dāng)不需要利用橫向通道進(jìn)入進(jìn)行其它工序作業(yè)時，將橫向通道全部封堵。封堵使用角鋼、方木和竹制材料，預(yù)留進(jìn)人孔。

4 巷道式射流通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用效果

通過采用巷道式射流通風(fēng)技術(shù)，錦屏水電站輔助洞在貫通之前的空氣質(zhì)量問題得到了有效的解決。

當(dāng)隧道掘進(jìn)至9 300 m時，請專業(yè)部門對通風(fēng)質(zhì)量進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表2。通風(fēng)的質(zhì)量滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTJ042－94與《鐵路隧道施工規(guī)范》TB10204－2002和J163－2002 的規(guī)定[4、5]。

表2 錦屏水電站輔助洞2008年3月20日通風(fēng)質(zhì)量檢測結(jié)果表

5 結(jié)語

錦屏水電站輔助洞全長17.5 km，西端開挖約9.7 km。根據(jù)輔助洞為非常典型的上下行隧道、互為平行導(dǎo)洞的特點(diǎn)，通過理論分析與試驗(yàn)研究，最終采用巷道式射流通風(fēng)技術(shù)，成功的解決了特長隧洞施工期通風(fēng)的難題。文中的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式可以為特長隧洞施工通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)所借鑒。

[1]公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范，JTJ0261－1999[S].

[2]陸懋成.鷓鴣山高原隧道(東口)施工通風(fēng)設(shè)計(jì)與實(shí)施[C].國際隧道研討會暨公路建設(shè)技術(shù)交流大會論文集.北京:人民交通出版社，2002.

[3]楊家松.特長隧道采用巷道式射流施工通風(fēng)技術(shù)與工程應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2008，28(4):456－459.

[4]鐵路隧道施工規(guī)范，TB10204－2002[S].

[5]公路隧道施工技術(shù)規(guī)范，JTJ042－94[S].