王 新，劉波波

（陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

1 工程概況

通風(fēng)問題是長大隧洞施工中需要解決的重要問題之一。合理的通風(fēng)系統(tǒng)和理想的通風(fēng)效果是實現(xiàn)長隧洞快速施工和保障施工人員身心健康的關(guān)鍵。設(shè)計科學(xué)、先進、合理的通風(fēng)系統(tǒng)和部署高效的通風(fēng)設(shè)備是解決長大隧洞施工中通風(fēng)問題的根本。

近年來，許多學(xué)者針對長大隧洞施工通風(fēng)問題進行了研究[1-4]。陳進明[5]結(jié)合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞的實際情況,研究了洞內(nèi)施工通風(fēng)、高壓供風(fēng)方案和通風(fēng)機械設(shè)備選型以及配套方案，取得了不錯的效果；朱齊平等人[6]以遼寧大伙房水庫輸水隧洞工程為背景，通過計算風(fēng)量、風(fēng)壓、通風(fēng)功率等參數(shù)，通風(fēng)設(shè)備及其布局得到了優(yōu)化，并實現(xiàn)了更好的通風(fēng)。沈熙智等[7]結(jié)合引大濟湟工程項目，對引水隧洞的通風(fēng)降溫問題進行了分析。此外，還有一些學(xué)者對長大隧洞通風(fēng)進行了數(shù)值模擬研究[8-9]，從理論研究的角度得出科學(xué)結(jié)論，指導(dǎo)洞內(nèi)通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計。

許多學(xué)者根據(jù)不同的工程實踐，從不同的角度研究了水工隧洞的通風(fēng)設(shè)計。但是針對主洞、支洞交叉，且超長洞線的水工隧洞工程通風(fēng)研究較少。本文結(jié)合秦嶺隧洞嶺北TBM施工通風(fēng)的技術(shù)難題，通過分析研究，制定合理的處置方案。

引漢濟渭工程嶺北TBM由2條主洞、2條支洞組成，具體為TBM主洞、6號主洞以及5號支洞、6號勘探試驗洞。

其中5號支洞全長4595m，位于TBM施工段落中部，主要用來解決TBM長段落施工通風(fēng)、出渣、檢修等問題，是目前國內(nèi)建成第二長的斜井支洞。

6號勘探試驗洞全長2470m，斷面為圓拱直墻型，凈空高6.75m，寬7.7m，支洞內(nèi)縱坡為-9.1%和-3%的單面下坡，綜合坡度8.23%。

6號主洞延伸段工程合同段為隧道單洞4414.5 m（樁號K63+050～K67+464.5）。該洞襯砌后斷面為 6.76 m×6.76 m，為馬蹄形斷面。

TBM主洞全長16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主機組裝洞82 m，步進洞245 m，TBM接應(yīng)洞918 m，檢修洞60 m，兩個始發(fā)洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一階段6788 m，第二階段8377 m）。5號支洞和TBM配套洞進行鉆孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m開敞式硬巖掘進機施工。TBM通過6號勘探試驗洞運至組裝洞室，在洞內(nèi)組裝并完成調(diào)試后向三河口方向掘進，第一階段貫通后，TBM在檢修洞內(nèi)檢修，TBM出渣、通風(fēng)系統(tǒng)以及輔助設(shè)備的供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)場至5號支洞，TBM轉(zhuǎn)場檢修完畢后，開始第二階段掘進施工。施工平面布置見圖1。

圖1 TBM施工平面布置圖

2 通風(fēng)設(shè)計難點

從圖1可以看出，本工程通風(fēng)設(shè)計要全面考慮TBM從6號勘探試驗洞運至組裝洞室開始，向三河口方向掘進至樁號K46+360為止全過程的通風(fēng)。在進行通風(fēng)設(shè)計時，不僅要考慮支洞和主洞工程交叉通風(fēng)設(shè)計，還要綜合考慮TBM轉(zhuǎn)場維修，不同施工段落銜接過渡時的通風(fēng)問題。本工程通風(fēng)設(shè)計的主要難點在于：

（1）克服超長送風(fēng)線路（13.5 km）的困難，及時高效地排除洞內(nèi)污濁氣體，還要將足夠的空氣輸送至掌子面，是設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)的最大難點；

（2）設(shè)計科學(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)，選擇既經(jīng)濟節(jié)能，又能滿足TBM施工兩階段通風(fēng)需求的風(fēng)機、風(fēng)管等也是通風(fēng)設(shè)計面臨的主要問題；

（3）長距離通風(fēng)常出現(xiàn)因漏氣、沿程阻力大造成供風(fēng)效率低下、供風(fēng)量不足等問題，同時，風(fēng)管的彎折變形、出渣造成的機械摩損都是長距離通風(fēng)必須面對的問題，如何防止泄露和減少阻力是實現(xiàn)遠距離通風(fēng)的關(guān)鍵；

（4）隧洞通風(fēng)效果除受到通風(fēng)系統(tǒng)布局、設(shè)備匹配等技術(shù)原因影響外，還受通風(fēng)管理水平的影響，通風(fēng)管理水平是保證通風(fēng)質(zhì)量的重要因素之一。

3 通風(fēng)設(shè)計方案

3.1 設(shè)計原則和通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件

基于該項目在通風(fēng)設(shè)計中遇到的實際困難，設(shè)計時應(yīng)以“布局合理，優(yōu)化匹配，防漏降阻，加強管理，保證效益”為基本原則，優(yōu)化設(shè)計，強化管理。同時，由于隧洞施工通風(fēng)用電占隧洞施工用電相當(dāng)高的比重，還要考慮優(yōu)先選用節(jié)能型風(fēng)機以降低功耗，確保在滿足通風(fēng)效果的前提下，風(fēng)機的型號和數(shù)量合理。

針對秦嶺隧洞的實際情況，TBM段施工通風(fēng)設(shè)計需滿足施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件，即：CO含量不超過30 mg/m3，洞內(nèi)最低風(fēng)速0.5 m/s，每人每分鐘新鮮空氣供應(yīng)量不低于4 m3，每100 m風(fēng)道漏風(fēng)率不超過0.35%，風(fēng)機數(shù)量n用1備。

3.2 具體設(shè)計方案

3.2.1 總體設(shè)計

根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況及本工程特點，施工期間的通風(fēng)設(shè)計分三個階段進行考慮：

第一階段為TBM組裝期間的通風(fēng)，從經(jīng)濟效果考慮，組裝期間的通風(fēng)采用組裝洞開挖時的通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)機設(shè)置在6號洞口，通過6號支洞和6號主洞，將新鮮風(fēng)送至TBM施工區(qū)。

第二階段（TBM掘進第一階段），主要是TBM掘進期間，滿足掘進施工通風(fēng)，由TBM供貨商提供的壓入式風(fēng)機具有獨立的壓入式通風(fēng)裝置。利用5號支洞、6號支洞以及TBM第一階段施工段落形成的自然通風(fēng)，將通風(fēng)機設(shè)置在5號主洞和TBM第一階段施工段貫通面向上游300m的位置，通風(fēng)機通過主隧道向TBM施工區(qū)輸送新鮮空氣，臟污回風(fēng)通過5號支洞排放到洞外。

第三階段（TBM掘進第二階段），由于TBM段第二階段掘進總長度8920 m（包括TBM掘進8377 m，鉆爆法掘進543 m），且需要通過5號支洞（長4595 m）洞口進行通風(fēng)，第三階段最大通風(fēng)長度達13.5 km。也是本次通風(fēng)設(shè)計的重難點。

根據(jù)隧道工程的施工技術(shù)和經(jīng)驗，隧道施工的通風(fēng)方式分為巷道通風(fēng)[10]、自然通風(fēng)和管道通風(fēng)。TBM隧洞的第二階段是單洞布局，沒有進行巷道通風(fēng)的條件；單獨自然通風(fēng)不適合長隧道施工通風(fēng)。有三種基本類型的管道通風(fēng)：壓入式，吸出式和混合式。各有其優(yōu)缺點，適用的條件不同，布置形式不盡相同。如表1所示。

表1 管道通風(fēng)的優(yōu)缺點比較

考慮到污濁空氣的排除，在6號洞至5號接應(yīng)洞下游K55+690處采用自然通風(fēng)，風(fēng)機設(shè)置于K55+690處，自此里程開始進行軸流風(fēng)機壓入式通風(fēng)。壓入式通風(fēng)最大通風(fēng)距離9280 m（5號支洞接應(yīng)洞903 m＋TBM掘進主洞8337 m）。同時，在5號支洞設(shè)置兩個接力軸流風(fēng)機（分別設(shè)置在斜900和斜2300附近），進行洞內(nèi)污濁空氣的排除。具體布置見圖2。

圖2 TBM通風(fēng)系統(tǒng)第二階段總體布置

3.2.2 風(fēng)量計算和風(fēng)機參數(shù)核算

在通風(fēng)系統(tǒng)中，一般由通風(fēng)機提供風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)量由風(fēng)點決定的。通風(fēng)機風(fēng)壓除要考慮把風(fēng)送到掌子面的壓力外，還要考慮管路漏風(fēng)的影響，以及克服在管路中的風(fēng)流阻力。因此，應(yīng)對需風(fēng)量、風(fēng)機參數(shù)進行核算。

1）需風(fēng)量

隧道施工掌子面要求的風(fēng)量按照同時在洞內(nèi)工作的最大人數(shù)，洞內(nèi)最低允許風(fēng)速，風(fēng)道內(nèi)除塵散熱所需風(fēng)量計算，經(jīng)高程修正后，將最大值作為控制風(fēng)量。計算過程如下所示：

式中：Q1為根據(jù)洞內(nèi)工人的最大數(shù)量計算所需風(fēng)量；k為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2；m為洞內(nèi)同時最高工作人數(shù)，取m=150；q為每人每分鐘最少需要的空氣量，取4 m3/min。經(jīng)計算，Q1=720 m3/min。

式中：Q2為根據(jù)洞室平均風(fēng)速計算的風(fēng)量；ν為確?？變?nèi)風(fēng)速穩(wěn)定的最小風(fēng)速，取ν=0.5 m/s；A為開挖最大斷面積，本工程中A=π×（8.02÷2）2=50.5 m2。經(jīng)計算，Q2=1525 m3/min。

TBM隧洞施工中，洞內(nèi)和掌子面要求的風(fēng)速，除了要滿足排塵的要求外，還要綜合考慮TBM設(shè)備機組散熱、冷卻、工人工作舒適性等要求。目前，TBM施工通風(fēng)風(fēng)量計算基本沿用《建筑工業(yè)中隧道開挖作業(yè)安全實用規(guī)程》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按最低風(fēng)速0.5 m/s確定。

根據(jù)國內(nèi)實用掘進機的一些資料：秦嶺隧道Ⅰ線采用直徑為8.8 m的TBM，后配套系統(tǒng)配備1800 m3/min的風(fēng)量，隧洞內(nèi)風(fēng)速為0.5 m/s；在大伙房輸水隧洞工程中，使用了直徑8.0 m的TBM，實際采用風(fēng)量為1500 m3/min，洞內(nèi)風(fēng)速0.5 m/s；在天生橋水電站項目中，隧洞采用直徑10.8 m的TBM，洞內(nèi)風(fēng)量為1812.3 m3/min，風(fēng)速為0.33 m/s。經(jīng)過對比可見，本工程計算隧洞內(nèi)風(fēng)速0.5 m/s，隧洞TBM供風(fēng)量取1525 m3/min是合適的。

2）風(fēng)機選型及參數(shù)核算

通過以上計算，結(jié)合對國內(nèi)類似項目的通風(fēng)情況分析，經(jīng)過綜合考慮，嶺北TBM第二施工段將采用自然通風(fēng)結(jié)合獨頭壓入式通風(fēng)。洞口風(fēng)機采用法國進口T2.160.3×200.4軸流風(fēng)機，風(fēng)量57.6 m3/s（即3456 m3/min），最大風(fēng)量可達68 m3/s（4080 m3/min），風(fēng)筒直徑為 2.2 m，風(fēng)機功率：3×200kW，整機長度9.6 m，進風(fēng)口直徑2.04 m，出風(fēng)口直徑1.82 m。洞內(nèi)接力風(fēng)機為 T2.180.2×315 軸流風(fēng)機，風(fēng)量 72 m3/s（4320 m3/min），最大風(fēng)量可達88 m3/s（5280 m3/min），電機功率2×315 kW。兩個風(fēng)機可供風(fēng)量均大于所需的最大風(fēng)量，能滿足通風(fēng)需求。

主洞風(fēng)管選擇從挪威進口的Φ2.2 m通風(fēng)軟管。風(fēng)管直徑計算：風(fēng)阻較大時，容易導(dǎo)致風(fēng)管破裂，因此，風(fēng)速應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，本工程取不超過20 m/s。需風(fēng)量按最大額定風(fēng)量的85%確定。則TBM主洞風(fēng)筒直徑：

Φ=2×((0.85×Qmax額)/(3.14×60×V))^(1/2)=2×（0.85×5280/(3.14×60×20）)^(1/2)=2.18 m，主洞風(fēng)管直徑 2.2 m，符合要求。3.2.3 防漏降阻措施

將每段軟風(fēng)管的長度由增加到200 m以上，同時減少各管段之間的接頭數(shù)量，達到降低漏風(fēng)率的目的；在隧洞斷面凈空允許的前提下，使用大直徑（Φ2.2 m）的軟風(fēng)管。通過這種在控制風(fēng)管長度上“以長代短”，在風(fēng)管直徑選用上“以大代小”的方式，達到降低漏風(fēng)率，降低通風(fēng)阻力，提高送風(fēng)效率的目的。

在運輸和儲存過程中要注意保護風(fēng)管，避免人為造成損傷和機械磨損，降低漏風(fēng)量；還要加強對風(fēng)管的定期檢修，經(jīng)常檢查風(fēng)管各段接頭連接情況、懸掛是否完好、有無破損等，及時記錄并處理發(fā)現(xiàn)的問題。

3.2.4 配套措施

1）做好對塵源所產(chǎn)生的粉塵的控制，考慮在采用機械通風(fēng)、濕式鑿巖、出渣灑水、沖洗巖面等多措施并舉的綜合治理方法的基礎(chǔ)上，輔以局部凈化；

2）推廣使用低污染柴油車輛，同時盡量減少進洞的內(nèi)燃車輛的數(shù)量和次數(shù)，降低洞內(nèi)廢氣排放量。

3.3 通風(fēng)效果

在嚴格按照設(shè)計方案布置通風(fēng)系統(tǒng)，配備風(fēng)機風(fēng)管后，TBM在掘進過程中，洞內(nèi)通風(fēng)狀況始終保持良好，各項氣體指標(biāo)均優(yōu)于施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)條件。

4 結(jié)論

（1）本文以引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM施工段為例，對水工隧洞長距離通風(fēng)設(shè)計普遍性技術(shù)難題進行了研究，依據(jù)工程實際及TBM掘進不同段落進行三階段通風(fēng)設(shè)計，每段結(jié)合自身特點進行具體、細化設(shè)計，提出了一套科學(xué)、合理、節(jié)能、高效的長距離通風(fēng)方案，取得了良好的效果，可為類似工程通風(fēng)設(shè)計提供參考。

（2）本文的初步研究結(jié)果表明，對于超長隧洞施工通風(fēng)，分段通風(fēng)是合理可行的解決方案。但是，尚缺少對這種方案的節(jié)能效果進行定量分析和評價，在后續(xù)研究和應(yīng)用中，結(jié)合各自工程實際，如何合理利用好配套設(shè)施，加強通風(fēng)效果，也值得進一步研究和探討。