黎愛清,劉世杰

(中鐵十六局集團第五工程有限公司,河北唐山 063030)

1 工程概況

新建西格二線關(guān)角隧道位于青海省天峻縣境內(nèi)既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候，年平均氣溫-5 ℃，極端最低氣溫-35.8 ℃，最大積雪厚度21 cm，最大凍結(jié)深度299 cm。其中關(guān)角隧道6號斜井海拔為3 766 m，氣候惡劣，空氣稀薄，大氣中氧氣含量平均為平原地區(qū)的60%～70%。

關(guān)角隧道為2座平行的單線隧道，設計時速160 km，線間距40 m。隧道全長32.645 km。6號斜井平距長2 808 m，坡度為10.3%。斜井洞口與正洞隧底高差為288.18 m。斜井進入正洞后，向進口方向(格爾木)施工1 435 m，向出口方向(西寧)施工1 812 m，6號斜井合計承擔6 469 m的正洞開挖施工任務。施工中采用鉆爆法和無軌運輸。

2 隧道施工的難點

由于地處高原，關(guān)角隧道6號斜井的施工通風難點主要有以下幾方面。

(1)隧道地處高原，海拔為3 766 m，高寒缺氧，大氣氧氣含量平均為平原地區(qū)的60%～70%，影響施工人員和設備的工作效率。

(2)斜井洞身過長，且斷面面積小，隧道內(nèi)施工環(huán)境差，存在較大的安全生產(chǎn)風險。

(3)斜井進入正洞后，分別在Ⅰ、Ⅱ線正洞向進、出口方向施工，共4個工作面，通風循環(huán)路線復雜。

(4)隧道埋深均在700 m以上，水量大，無法設置豎井，隧道內(nèi)溫度、濕度較高。

隧道內(nèi)良好的施工環(huán)境是施工人員身體健康、安心工作的必要前提，是隧道施工安全的需要，也是充分發(fā)揮人員設備工作效率，保證施工進度的需要，因此以青藏鐵路關(guān)角隧道6號斜井為例對高原鐵路特長隧道通風方案進行了研究。

3 隧道通風設計原則

關(guān)角隧道6號斜井通風設計的總體思路為：由于受隧道內(nèi)外溫差的影響作用，斜井產(chǎn)生“煙囪”效應，將隧道內(nèi)污濁的氣體排出，另利用通風機將新鮮空氣壓入到工作面，形成空氣對流?？紤]到隧道斜井長，風阻大，沿途損耗大，如果采用通風帶壓入新鮮空氣，會受通風帶直徑和斜井長度的影響，需增加通風機組才能使洞內(nèi)空氣達到施工條件。為保護環(huán)境，控制能源消耗，將斜井橫斷面分隔成上下兩部分，上部為進風通道，下部為出風及交通通道，減小風阻，加快隧道內(nèi)外的空氣循環(huán)，以達到良好通風效果[1-5]。具體做法如下。

關(guān)角隧道6號斜井全長2 808 m，凈斷面(寬×高)6.6 m×7.3 m，面積48.18 m2，進入正洞后將分別在Ⅰ、Ⅱ線向進、出口方向施工，共4個工作面。利用中隔板將斜井橫斷面分隔為上、下兩部分，上部為半徑為3.3 m半圓形，作為進風通道，然后在斜井底部與正洞交匯處安裝4臺風機，與通風管形成壓入式通風系統(tǒng)，分別向4個工作面供風。所有污濁空氣經(jīng)斜井下部(寬×高)6.6 m×4.0 m矩形通道排出洞外。

4 通風量計算

由于斜井內(nèi)的通風量為4個正洞工作面的通風量之和，所以通風量計算只考慮單工作面。設計控制風量考慮以下4種情況，取其中最大值[6-12]。

4.1 按單工作面同時作業(yè)人數(shù)計算

Q1=qmk

式中q——洞內(nèi)每人每分鐘所需新鮮氧氣標準，取3 m3/min；

m——掌子面同時工作的最多人數(shù)，取25人；

k——風量備用系數(shù)，取1.1～1.25。

4.2 按單工作面同一時間爆破使用最大炸藥量計算風量

Q2=[7.8(A·S2·L2)1/3]/t

式中t——爆破后氣體達到允許濃度的通風時間，min；

A——同時爆破耗藥量，kg；

S——工作面斷面積，m2；

L——巷道長度，m。

4.3 按內(nèi)燃機作業(yè)廢氣稀釋的需要計算

Q3=(∑Nj·Ki·α/60)·δ·η

式中N——同時使用內(nèi)燃機功率，kW；

K——同時使用內(nèi)燃機單位耗油量，kg/(kW·h)；

α——燃燒1 kg油料所需供應空氣量，可按20.83 m3計算；

δ——稀釋系數(shù)；

η——安全系數(shù)(1.5～2.5)。

4.4 按洞內(nèi)允許最小風速計算

Q4=60vS

式中v——洞內(nèi)允許最小風速；

S——巷道面積。

通過計算，Q1=85 m3/min，Q2=1 012 m3/min，Q3=1 800 m3/min，Q4=1 080 m3/min，于是Qmax=1 800 m3/min。正洞4個工作面同時施工時所需的總風量為7 200 m3/min，即為斜井內(nèi)需要輸送的設計控制風量。以上風量計算均已考慮高原大氣氧氣含量為平原地區(qū)的60%～70%的狀況，進行了修正。

按漏風公式

Q需=PQ(m3/min)

式中Q需——洞內(nèi)實際所需總風量；

P——漏風系數(shù)；

Q——設計控制風量。

計算得出Q需=7 920 m3/min。

5 通風阻力計算

5.1 斜井內(nèi)風道風阻計算

斜井上部進風道斷面積17.1 m2，半圓形周長16.96 m，當量直徑4.03 m；斜井下部排風道因交通用車輛需占用面積，不考慮其形成的風流阻力時，高取3.34 m，寬度不變，則斷面積22.0 m2，矩形周長19.88 m，當量直徑4.43 m。

5.1.1 斜井上部進風道的風阻

地面為無軌運輸車輛路面條件，取壁面摩阻系數(shù)α=80×10-4kg/m3，計算上部沿程風阻系數(shù)

0.076(N·s2/m8)

斜井上部進風道的局部阻力系數(shù)包括進風口局部ξ1=0.6，井底與正洞交匯處分岔ξ2=1.5，總局部阻力系數(shù)∑ξ=2.1。

風流在斜井上部進風道的阻力損失

2.1×1.2/2×7.02≈1 094+62=1 156 Pa

5.1.2 斜井下部出風道的風阻

沿程風阻系數(shù)

0.042(N·s2/m8)

斜井下部排風道的局部阻力系數(shù)包括井底部匯流局部阻力系數(shù)ξ1=0.5；中部會車洞局部阻力系數(shù)10處取10×0.5=5.0；洞口局部阻力系數(shù)ξ3=1.0，總的局部阻力系數(shù)∑ξ=6.5。

風流在斜井下部排風道的阻力損失

6.5×1.2/2×5.452≈605+116=721 Pa

5.2 正洞內(nèi)風道風阻計算

進口段方向施工長度1 435 m，配用風管直徑φ1.5 m，管道風阻系數(shù)

1.69(N·s2/m8)

通風管道沿程阻力損失(漏風系數(shù)取1.2)

出口段Ⅰ、Ⅱ線正洞施工長度1 812 m，配用風管直徑φ1.6 m，管道風阻系數(shù)

2.34(N·s2/m8)

通風管道沿程阻力損失(漏風系數(shù)取1.8)

6 通風機的選擇

根據(jù)通風風量和風阻要求選用以下通風機：風機額定通風量不應小于Q需，且隧道內(nèi)為24 h全天施工，風機工作強度大，風機性能一定要滿足要求[5]。隧道內(nèi)通風機配置見表1。

7 通風方案實施

7.1 中隔板施作

本方案的關(guān)鍵之一為中隔板施作，首先中隔板的剛度能夠承受通風風壓，且在外力作用下不能產(chǎn)生明顯變形。隧道中隔板施作采用材料為：板材為1 m×4 m×1 mm(寬×長×厚)彩鋼板，骨架梁為4 cm×4 cm×3 mm(寬×長×厚)空心方鋼。骨架梁橫向設置，間距為1.2 m/根，安裝前對骨架梁安裝點進行放線定位，以確保中隔板水平順直。然后在安裝點處安裝膨脹螺栓，將空心方鋼與膨脹螺栓焊接牢固形成骨架梁。骨架梁安裝完成后進行板材吊裝，板材之間采用折邊扣裝方式拼裝，并用錨釘進一步加固確保整體牢固性。

表1 隧道內(nèi)通風機配置

另中隔板應該具有良好的密封性，防止漏風，確保進、出通風循環(huán)線路相互分離，減少紊亂氣流，以達到優(yōu)良的通風效果。為達到良好的密封性，在安裝板材之前應將巖層基面處理平整，本隧道6號斜井為永久性建筑，已全部進行了襯砌支護，方便了密封處理。板材之間采用灌膠粘接密封，板材與基巖交接處用107膠與粘子粉混合密封。通過實用檢驗，經(jīng)該方法處理后密封性滿足通風要求。

中隔板結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為斜井內(nèi)中隔板實圖。

圖1 中隔板結(jié)構(gòu)示意 (單位:mm)

圖2 斜井內(nèi)中隔板

7.2 通風機安裝布置

整個通風系統(tǒng)分為2個通風機組：斜井機組和正洞機組。風機分布如圖3所示，斜井口風機布置狀況[6-12]如圖4所示。

圖3 風機分布示意

圖4 斜井口風機布置

7.2.1 斜井機組

斜井通風機組承擔的作用為將隧道外的新鮮空氣通過斜井上部的進風通道壓入隧道正洞。首先在斜井口安裝2臺軸流風機，具體型號參見表1中斜井-1，因考慮到斜井過長，另在斜井內(nèi)安裝設置2組接力風機，風機型號參見表1中斜井-2、斜井-3。風機均安裝在中隔板上側(cè)，與支架焊接牢固，防止運行時振動移位。

斜井內(nèi)中隔板下方的出風通道，會因季節(jié)不同而使隧道內(nèi)外的溫差發(fā)生變化，從而造成出風通道內(nèi)的外排氣流發(fā)生阻滯，甚至形成霧氣團，影響通風效果的同時還給交通運輸安全造成隱患。為消除該問題，在隧道斜井內(nèi)安裝了3臺射流風機，在隧道內(nèi)外溫差小時，進行助力排煙，射流風機型號參見表1中斜井-4、斜井-5、斜井-6。

7.2.2 正洞機組

正洞內(nèi)通風機組負責將從斜井內(nèi)壓入的新鮮空氣分配到4個工作面。分別在斜井與Ⅰ、Ⅱ線交接處的4個方向安裝軸流風機，風機型號參見表1中正洞-1、正洞-2、正洞-3、正洞-4，風機同樣與支架連接牢固，安裝完風機后，將斜井內(nèi)的中隔板向正洞內(nèi)延伸，直至將各個風機的尾部包裹嚴密，避免新鮮空氣發(fā)生泄漏，影響循環(huán)效果。

隨隧道長度增加，輸送到工作面的新鮮空氣會逐漸減少，當輸入到工作面的空氣量小于工作面實際所需風量時，就應加設接力風機。該隧道選用的風機的作用范圍為1 000 m左右，由經(jīng)驗總結(jié)得出，受高原大氣稀薄及漏風影響，風機的作用范圍為900 m左右，當通風距離達到該值時就應加設接力風機。接力風機型號與正洞交接口處相同。將風機與支架連接牢固后，然后用中隔板將風機包裹形成一個封閉的空間，尾部與進風軟管連接，頭部與接力風機尾部連接，形成新鮮空氣中轉(zhuǎn)站，如圖5所示。

圖5 隧道內(nèi)空氣中轉(zhuǎn)站設置

7.3 管理維護

管理維護是通風系統(tǒng)運轉(zhuǎn)好壞的關(guān)鍵因素之一，為達到持續(xù)良好的通風效果必需加強日常管理工作。中隔板和通風軟管應定期檢查，如有破損須及時修補，減少漏風。中隔板拼裝縫和通風軟管的接頭為重點檢查對象。特別注意的是中隔板安裝前，下部通道的高度一定要符合通車要求，如高程過低中隔板將會經(jīng)常被行駛車輛損壞，增加維護難度。通風機應定期進行電路維護和保養(yǎng)，確保其正常運轉(zhuǎn)[6-12]。

8 結(jié)語

經(jīng)過研究分析，借鑒國內(nèi)外隧道通風的先進技術(shù)，確定了此方案。利用中隔板將斜井分隔成上下兩部分風道，降低了風阻，加快了隧道內(nèi)外的空氣循環(huán)，通風效果良好。關(guān)角隧道6號斜井已施作1年有余，完成2 100 m的掘進施工，施工統(tǒng)計顯示，開挖爆破后，掌子面廢氣20 min左右便可排凈達到施工條件，機械設備在隧道內(nèi)運行正常，且尾氣排放達標，為施工人員創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。通過檢驗該通風方案完全能夠滿足高原長大隧道的施工要求，確保了隧道施工的有序進行。

[1] 王強.終南山特長隧道通風豎井反井法施工技術(shù)[J].鐵道標準設計，2008(9)：77-78．

[2] 謝勇濤，丁祥.香山特長隧道運營通風及防災救援方案設計研究[J].鐵道標準設計，2010(4)：81-84.

[3] 覃仁輝，王成，楊其新.隧道工程[M].重慶：重慶大學出版社，2002．

[4] 仇玉良，李寧軍，楊忠.秦嶺特長多豎井深埋隧道氣溫測試研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(3):35-39．

[5] 胡自林.深埋地鐵隧道通風設計計算[J].城市軌道交通研究，2006(7)：31-33．

[6] 何磊.南梁隧道出口段施工通風技術(shù)[J].鐵道標準設計，2007(4)：65-66．

[7] 鐵道部建設管理司.TLEJGF—97，98—27 長隧道獨頭壓入式施工通風工法[S].北京：鐵道部建設管理司，1998．

[8] 徐振昌.隧道通風與排煙[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1996(1)：38-45.

[9] 陳建平，吳立.地下建筑工程設計與施工 [M].中國地質(zhì)大學出版社，2000．

[10] 羅寧寧.大梁子隧道通風施工技術(shù)方案設計[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2007(12)：15-17.

[11] 程正旺，王永亮.隧道施工的通風技術(shù)和防塵治理方法[J].山西建筑，2007(26)：328-329．