李 洲

(中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通公司,上海 200135)

對(duì)螺旋曲線公路隧道施工通風(fēng)的研究

李 洲

(中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通公司,上海 200135)

通過(guò)全長(zhǎng)2 332 m的老店子1#螺旋曲線公路隧道施工中的通風(fēng)方案的比選,揭示了在長(zhǎng)大隧道無(wú)軌運(yùn)輸施工方案中,計(jì)算通風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量方法,并大膽進(jìn)行了高壓送風(fēng)的設(shè)想,在這一領(lǐng)域進(jìn)行了一些探討。

隧道; 無(wú)軌運(yùn)輸; 通風(fēng)

云南省水富至麻柳灣高速公路老店子1#螺旋曲線隧道位于云南省水富縣境內(nèi),全長(zhǎng)2 332 m,為上下行分離式雙線公路隧道,隧道有效凈寬9.75 m,有效凈高5.0 m。其右幅隧道起止樁號(hào)為K40+025～K41+ 153,全長(zhǎng)1 128 m,右幅位于R=537.818 m和R=253.977 m的卵形曲線上,縱坡采用+0.72%單向坡,最大埋深約為349 m;左幅隧道起止樁號(hào)為K40+125～K41+329,全長(zhǎng)1 204 m,左幅位于R=561.902 m和R=312.531 m的卵形曲線上,縱坡采用+0.44%單向坡,最大埋深約為335 m。隧道出口端與該合同段控制工期性工程的一座大橋相連,且出口施工場(chǎng)地狹小,無(wú)法進(jìn)行橋隧共同作業(yè),故該隧道只能在進(jìn)口端進(jìn)行單口作業(yè)施工。

由于既有設(shè)備、工期及投資等諸多因素的影響,該隧道施工組織設(shè)計(jì)采用無(wú)軌運(yùn)輸施工方案。由于該隧道獨(dú)頭掘進(jìn)1 km以上,且又位于卵形曲線上,因此,隧道的通風(fēng)排煙問(wèn)題便成為首要解決的難題。

1 總供風(fēng)量的計(jì)算

1.1 隧道內(nèi)有害氣體的構(gòu)成及通風(fēng)排煙衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料表明,采用無(wú)軌運(yùn)輸掘進(jìn)方案施工中,隧道內(nèi)有害氣體的主要來(lái)源有兩個(gè),即鉆爆掘進(jìn)時(shí)爆破作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體及出碴時(shí)工程機(jī)械不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的有害氣體,其余的污染主要來(lái)自于工程機(jī)械作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的有害氣體。隧道內(nèi)有害氣體的主要成分為一氧化碳、氧化氮、碳化氫、氧化硫、醛等,同時(shí),柴油機(jī)械還排出大量的煤煙,再加上隧道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵,相互影響,嚴(yán)重威脅人體健康。迄今為止,解決隧道施工作業(yè)中有害氣體的唯一辦法仍然是加強(qiáng)通風(fēng)排煙。

1.2 不同的供風(fēng)總量計(jì)算理論

長(zhǎng)期以來(lái),隧道作業(yè)中所需要的通風(fēng)總風(fēng)量,全世界尚無(wú)合適的公式可計(jì)算,始終停留在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)推斷,或采取不同的公式計(jì)算后取最大值作為通風(fēng)量選擇的依據(jù)。

1)按隧道內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量

鐵路部門常采用“在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將同一時(shí)間爆炸的最多炸藥產(chǎn)生的有害氣體降低到允許濃度之下”的計(jì)算理念來(lái)計(jì)算風(fēng)量,即Q≥VminS。

該種計(jì)算方法在衡廣鐵路復(fù)線大瑤山隧道、成昆鐵路烏斯河隧道等長(zhǎng)大鐵路隧道施工中取得成功,但上述幾座隧道均采用有軌運(yùn)輸,隧道掘進(jìn)時(shí)爆破作業(yè)產(chǎn)生的有害氣體占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)。隨著隧道掘進(jìn)方式方法及隧道施工機(jī)械的進(jìn)步更新,越來(lái)越多的隧道(尤其是斷面較大的公路隧道)將無(wú)軌運(yùn)輸作為首選方法。由工程機(jī)械在施工過(guò)程中不完全燃燒產(chǎn)生的有害氣體已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)隧道爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的有害氣體,占據(jù)隧道內(nèi)有害氣體總量的主體,采用上述方法驗(yàn)算所得出的結(jié)論顯然不符合施工現(xiàn)場(chǎng)的客觀實(shí)際,明顯偏小。

2)按隧道內(nèi)作業(yè)的最多總?cè)藬?shù)所需的新鮮空氣計(jì)算風(fēng)量

廣大鐵路施工部門長(zhǎng)期實(shí)踐證明,當(dāng)每分鐘供應(yīng)新鮮空氣滿足3 m3/(人·min),即可保證工人的身體健康,即總供風(fēng)量為Q總≥3S。

隨著隧道掘進(jìn)方法、施工科技的進(jìn)步,直接在現(xiàn)場(chǎng)從事施工作業(yè)的一線員工日益減少,而機(jī)械設(shè)備作業(yè)所排放的有害氣體及機(jī)械自身耗費(fèi)的氧氣越來(lái)越多,仍按隧道中施工人員的數(shù)量計(jì)算所需新鮮空氣的數(shù)量,顯然偏少。

3)按施工中坑道內(nèi)空氣的最小流速來(lái)計(jì)算風(fēng)量

施工坑道內(nèi)空氣的流動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程,不僅涉及到通風(fēng)空間的大小、斷面形式,還涉及到隧道內(nèi)作業(yè)車輛往來(lái)造成的“活塞風(fēng)”、隧道內(nèi)外溫度差引起的氣壓差,從而直接影響到隧道內(nèi)外空氣的自然對(duì)流速度。因此,縱然嚴(yán)格按計(jì)算的風(fēng)量提供新鮮空氣,但隧道內(nèi)空氣的實(shí)際流速與計(jì)算流速相差甚遠(yuǎn),該理論的前提條件完全建立在一個(gè)與事實(shí)差別較大的假設(shè)的基礎(chǔ)上,僅可供參考。

4)按內(nèi)燃機(jī)作業(yè)的總功率計(jì)算所需的風(fēng)量

在無(wú)軌運(yùn)輸施工方案中,由工程機(jī)械在出碴時(shí)產(chǎn)生的廢氣約占整個(gè)隧道全部廢氣總量的75%,通常,采用每千瓦功率機(jī)械設(shè)備的供應(yīng)風(fēng)量不少于3 m3/min來(lái)計(jì)算總供風(fēng)量。公式為:Q=μ1∑qi。

顯然,對(duì)于長(zhǎng)大隧道的無(wú)軌運(yùn)輸方案來(lái)講,利用該方法得出的結(jié)論相對(duì)而言比較切合實(shí)際。但由于工程機(jī)械發(fā)展的不均衡性,不同種類和同一種類的工程機(jī)械在新舊不同時(shí)期以及機(jī)械設(shè)備在不同的保養(yǎng)狀態(tài),其做相同功所排放的有害氣體截然不同,必須進(jìn)行調(diào)整;同時(shí),機(jī)械設(shè)備在隧道施工中,決不是始終處于滿負(fù)荷工作狀態(tài),決不能僅依靠機(jī)械設(shè)備的額定總功率來(lái)計(jì)算所需要的供風(fēng)量,而應(yīng)引入機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)系數(shù)μ2及同時(shí)工作系數(shù)μ3的概念,具體情況具體分析,才能得出最切合實(shí)際的數(shù)據(jù)。

從表1可以得出,采用前三項(xiàng)計(jì)算所得的總風(fēng)量結(jié)果明顯偏小,與該方案理論上存在的誤差相吻合,上三項(xiàng)只能作為總需供風(fēng)量的下限;第四項(xiàng)由于未采用系數(shù)進(jìn)行折減,因此計(jì)算結(jié)果偏大,只能作為總需求供風(fēng)量的上限;而第五項(xiàng)采用系數(shù)折減后,計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際情況,應(yīng)作為選擇通風(fēng)機(jī)的重要依據(jù)。

2 風(fēng)壓計(jì)算

在進(jìn)行通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)時(shí),常常有一個(gè)誤區(qū),認(rèn)為只要所選擇通風(fēng)機(jī)的總供風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求即可,事實(shí)上,通風(fēng)機(jī)所提供的供風(fēng)量?jī)H僅是在未接風(fēng)管時(shí)的理論進(jìn)風(fēng)量(相當(dāng)于機(jī)械設(shè)備的空載狀態(tài)),通風(fēng)機(jī)在接通風(fēng)管后,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送后,實(shí)際到達(dá)作業(yè)面的風(fēng)量是經(jīng)過(guò)漏風(fēng)折減并克服沿途各種阻力后出口數(shù)值。

沿途風(fēng)壓損失:hf=9.8λu LQ2/S3

計(jì)算風(fēng)量:Q=PQ計(jì),

其中,L為通風(fēng)管長(zhǎng)度(m);d為通風(fēng)管直徑(m);u為通風(fēng)管周邊長(zhǎng)度;S為通風(fēng)管過(guò)流斷面積(m2);λ為沿途阻力系數(shù),取3×10-4;P為漏風(fēng)系數(shù),取1.85;Q計(jì)為設(shè)計(jì)供風(fēng)量(m3/s)。

3 隧道通風(fēng)方案實(shí)施情況及優(yōu)化方案的設(shè)想

該方案初步實(shí)施階段,隧道通風(fēng)效果較好,洞內(nèi)空氣質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,但隨著隧道掘進(jìn)尺度的不斷增加,洞內(nèi)空氣狀況不斷惡化,掘進(jìn)深度達(dá)到800 m以后,洞內(nèi)空氣質(zhì)量已明顯不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。要徹底改善隧道掘進(jìn)時(shí)隧道內(nèi)的空氣狀況,及時(shí)有效地排出工程內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的廢氣及爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的有害氣體,必須進(jìn)一步增大作業(yè)面的總供風(fēng)量。

3.1 加大通風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量的常規(guī)方法

增大通風(fēng)機(jī)總供風(fēng)量的方法有:增大主機(jī)功率;加大通風(fēng)管直徑;改變風(fēng)管的材質(zhì)與結(jié)構(gòu),以減少風(fēng)管漏風(fēng)率及阻力系數(shù)等。

3.2 采用高壓供風(fēng)的設(shè)想

鑒于空氣具有可高度壓縮的特征,參照遠(yuǎn)距離供電的做法,先采用空氣壓縮機(jī),將新鮮空氣高度壓縮,并采用無(wú)縫鋼管輸送到作業(yè)面附近,然后,再采用壓力容器,將高壓空氣降為常壓,并通過(guò)消聲處理后,釋放到作業(yè)面(主要出口處風(fēng)速不大于10 m/s即可)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技進(jìn)步,地下工程及公鐵路隧道的長(zhǎng)度不斷延伸,施工過(guò)程中的通風(fēng)這一古老的難題,越來(lái)越制約著人們前進(jìn)的步伐,僅僅依靠常規(guī)方法已無(wú)法徹底有效地改變這一局面,必須引入全新的方法和觀念。該文通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中常規(guī)通風(fēng)理念及通風(fēng)方式的詳盡分析,提出了高壓供風(fēng)的設(shè)想,值得今后在施工生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)一步研究與探討。

[1] 王海峰,張春雨,張吉釗.楊家壩隧道無(wú)軌運(yùn)輸長(zhǎng)獨(dú)頭施工通風(fēng)技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2002,5(增):39-40.

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Research on Construction Ventilation in Spiral Curve of Road Tunnels

LI Zhou
(China Railway 17th Bureau Group Co Ltd,Shanghai 200135,China)

The comparison between the ventilation schemes of old 1#spiral curve in high tunnel construction of fulllength 2 332 m revealed the total computation fan air supply method in the tunnel without rail transport construction scheme,and proposed a possible thought of high pressure air supply.Some discussions on tunnel construction ventilation are also carried out.

tunnel; trackless transport;ventilation

2014-04-18.

李 洲(1979-),工程師.E-mail:drzhouqiang@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.021