張哲寧， 祁海峰， 李小慶

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

隨著城市化的快速發(fā)展，各個(gè)城市均出現(xiàn)城市隧道及地下交通建設(shè)。暗挖法施工頗受歡迎，并在城市隧道及地下交通工程施工中應(yīng)用較廣。高瓦斯、淺覆土城市地鐵暗挖隧道具有施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、瓦斯監(jiān)測防控難度大等特點(diǎn)，而處理瓦斯隧道，通風(fēng)是最好的手段?？茖W(xué)、合理、正確地選擇風(fēng)機(jī)尤為關(guān)鍵。本文通過成都地鐵18號線施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)、分析、提煉出安全和可靠的風(fēng)機(jī)選型與布設(shè)方法，為后續(xù)工程提供借鑒。

成都地鐵18號線海昌路站～福州路站暗挖隧道沿天府大道東側(cè)敷設(shè)，從北往南分別是武漢路支路段(80 m)、武漢路主路段(65 m)及杭州路段(117 m)。杭州路段采用B型襯砌斷面。沿線路方向杭州路暗挖隧道雙線均為5.4‰下坡，杭州路暗挖段洞深最小埋深約8 m。杭州路暗挖隧道平面、斷面見圖1、2。

圖1 杭州路暗挖隧道平面

海昌路站～福州路站區(qū)間隧道穿蘇碼頭油氣田，根據(jù)地勘報(bào)告，在沿線不同地段均測出有不同程度的瓦斯分布。有害氣體主要有淺層天然氣(CH4)、一氧化碳(CO)氣體。隧道淺層天然氣單位時(shí)間最大涌出量估算值為2.31 m3/min。根據(jù)地勘資料，武漢路支路隧道、主路隧道為高瓦斯段，杭州路隧道為低瓦斯段。

圖2 杭州路暗挖隧道斷面(單位：mm)

1 通風(fēng)設(shè)計(jì)

1.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隧道在整個(gè)施工過程中，依據(jù)《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB10204-2002)，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合下列職業(yè)健康及安全標(biāo)準(zhǔn)：

(1)空氣中氧氣含量。按體積計(jì)不得小于20%。

(2)粉塵容許濃度。每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2 mg。

(3)瓦斯隧道裝藥爆破時(shí)，爆破地點(diǎn)20 m范圍內(nèi)，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.0%；總回風(fēng)道風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葢?yīng)小于0.75%；開挖面瓦斯?jié)舛却笥?.5%時(shí)，所有人員必須撤至安全地點(diǎn)。

(4)有毒、有害氣體最高容許濃度：一氧化碳最高容許濃度30 mg/m3，在特殊情況下施工人員必須進(jìn)入作業(yè)面時(shí)，濃度可為100 mg/m3，但工作時(shí)間不得大于30 min；二氧化碳按體積計(jì)不得大于0.5%；氮氧化合物(換算成NO2)為5 mg/m3以下。

(5)隧道內(nèi)氣溫不得高于28℃。

(6)隧道內(nèi)噪聲不得大于90 dB。

1.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)瓦斯。根據(jù)《成都軌道交通18號線麓博區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告資料》，杭州路B型斷面隧道屬低瓦斯隧道，有害氣體主要為淺層天然氣，淺層天然氣單位時(shí)間最大涌出量估算為2.31 m3/min。

(2)爆破排煙。根據(jù)《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術(shù)指導(dǎo)書》中通風(fēng)要求：武漢路處兩段隧道為高瓦斯工區(qū)，放炮后應(yīng)至少通風(fēng)30 min；杭州路隧道為低瓦斯工區(qū)，放炮后應(yīng)至少通風(fēng)15 min。

(3)人員呼吸。根據(jù)《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術(shù)指導(dǎo)書》中要求：每人每分鐘至少供給新鮮空氣量4 m3/min；采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)時(shí)，供風(fēng)量不應(yīng)小于3 m3/(min·kW)。

(4)隧道施工通風(fēng)風(fēng)速。根據(jù)《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術(shù)指導(dǎo)書》中要求：瓦斯工區(qū)最低風(fēng)速不應(yīng)小于1.0 m/s，最高風(fēng)速不應(yīng)大于6 m/s：瓦斯的擴(kuò)散速度比空氣大1.6倍，易透過裂隙、結(jié)構(gòu)松散層溢(涌)出。當(dāng)風(fēng)速在0.3 m/s時(shí)，甲烷會(huì)從發(fā)生點(diǎn)反流形成甲烷帶。當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，甲烷幾乎不會(huì)發(fā)生反流，但也會(huì)形成甲烷帶。當(dāng)風(fēng)速大于1 m/s時(shí)，甲烷散亂，則不會(huì)形成甲烷帶，不會(huì)在拱頂上部聚積。在通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算過程中采取風(fēng)速不小于0.5 m/s，對二襯支架、掌子面等瓦斯可能產(chǎn)生積聚地段，通過增設(shè)局扇風(fēng)機(jī)，達(dá)到《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》要求的最低風(fēng)速(小于1 m/s)。

(5)風(fēng)筒及漏風(fēng)率。根據(jù)《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術(shù)指導(dǎo)書》中通風(fēng)設(shè)備要求：壓入式通風(fēng)管選用螺旋連接通風(fēng)筒，直徑Φ1.2 m，風(fēng)筒具有高強(qiáng)度、抗靜電、阻燃柔性能，每節(jié)長度20 m，柔性風(fēng)筒百米漏風(fēng)率P100取2%。

(6)氣象要素。根據(jù)《成都軌道交通18號線麓博區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告資料》，隧址區(qū)年平均氣溫16.2℃，年平均氣壓956.4 hPa，年平均相對濕度82%，空氣密度對隧道施工通風(fēng)影響較小，本設(shè)計(jì)暫不考慮。

(7)隧道施工采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)，無軌運(yùn)輸出渣。裝載機(jī)隧道內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)車速為5～10 km/h。

(8)隧道開挖采用光面爆破技術(shù)，根據(jù)爆破方案中炸藥用量計(jì)算，有效爆破深度取1 m；單位體積炸藥用量取0.9 kg/m3。

2 通風(fēng)方案

風(fēng)機(jī)選型主要根據(jù)通風(fēng)需風(fēng)量、風(fēng)筒通風(fēng)阻力以及以往施工經(jīng)驗(yàn)確定。瓦斯隧道需要的風(fēng)量，須按照爆破排煙、同時(shí)工作的最多人數(shù)、稀釋洞內(nèi)瓦斯絕對涌出量分別計(jì)算，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，采用其中的最大值。

杭州路B型襯砌斷面：根據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》(TB10304-2009)：隧道施工獨(dú)頭掘進(jìn)長度超過150 m時(shí)，必須采用機(jī)械通風(fēng)?？紤]隧道開挖約50 m，且出土孔位于隧道洞口上方，自然通風(fēng)良好，故計(jì)算風(fēng)量時(shí)按二襯斷面面積考慮。

2.1 杭州路B型暗挖段風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

2.1.1 需風(fēng)量計(jì)算

(1)根據(jù)同一時(shí)間，洞內(nèi)工作人員數(shù)計(jì)算。

Q=q×k×m

(1)

=1.2×30×4=144 m3

式中，k為風(fēng)量備用系數(shù)，采用1.2;m為同時(shí)在洞內(nèi)工作人數(shù)，取30人;q為每個(gè)工作人員所需新鮮空氣，4 m3/(min·人)。

(2)按爆破排煙計(jì)算風(fēng)量。

(2)

式中，t為通風(fēng)時(shí)間，取15 min；S為隧道斷面面積，為62.6 m2；A為一次爆破炸藥用量，kg。

A=S×l×b

(3)

=62.6×1×0.9=56.34 kg

式中，l為循環(huán)進(jìn)尺，取1 m；b為單位炸藥用量，取0.9 kg/m3；L0為炮煙拋擲長度，m。

(4)

式中，k0為安全系數(shù)，取1.5。

將k0代入式(2)，即：

(3)按稀釋洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)廢棄計(jì)算。

(5)

式中，單位功率需風(fēng)量為3，m3/(min·kW)；Ni為第i臺柴油機(jī)械設(shè)備功率，kW；ηi為第i臺柴油機(jī)械設(shè)備綜合效率系數(shù)。

根據(jù)前期籌劃，杭州路B型暗挖斷面擬采用機(jī)械設(shè)備配置情況詳見表1。

表1 杭州路B型暗挖斷面機(jī)械配置

由表1中的數(shù)據(jù)：

Q=3×(162×0.8+110×0.8+

30×0.8)=724.8 m3/min

(4)按瓦斯涌出量計(jì)算。

(6)

=924 m3/min

式中，q為掌子面瓦斯涌出量，取2.31 m3/min；Ca為掌子面允許瓦斯?jié)舛龋?.5%；Co為送入掌子面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，?；K為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5～2.0。

(5)按允許最小風(fēng)速驗(yàn)算。

按允許風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量時(shí)，參照了《煤礦安全規(guī)程》和《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但差別較大；為確保安全，對本隧道最低風(fēng)速按0.5 m/s進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，對模板、踏腔、掌子面等瓦斯可能產(chǎn)生積聚地段通過增設(shè)局扇風(fēng)機(jī)，達(dá)到《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》要求的最低風(fēng)速(小于1 m/s)。

60v低·S≤Q≤60v高·S

則1 879.3 m3/min≤Q≤23 594.4 m3/min

式中，v為允許風(fēng)速，瓦斯工區(qū)最低取0.5 m/s，最高取6 m/s；S為隧道斷面面積，為62.6 m2。

(6)最大風(fēng)量確定。由前面計(jì)算結(jié)果知：Qmax=1 879.3 m3/min，則：

Q供=KPQmax

(7)

式中，K為高原修正系數(shù)，不受影響，取K=1；P為風(fēng)筒漏風(fēng)損失修正系數(shù)，按百米漏風(fēng)率(P100)通風(fēng)管Φ1.2 m取2%，即：

Q供=KPQmax=1×1.035 2×1 879.3

=1 922 m3/min=32 m3/s

2.1.2 通風(fēng)阻力計(jì)算

h=hf+hx

(8)

式中，h為風(fēng)筒通風(fēng)阻力，Pa；hf為風(fēng)筒摩擦阻力，Pa；hx為風(fēng)筒局部阻力，Pa。

杭州路B型暗挖段為低瓦斯工區(qū)，通風(fēng)管擬選用直徑Φ1.2 m PVC增強(qiáng)塑纖布拉鏈?zhǔn)饺嵝燥L(fēng)筒。

(1)風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)計(jì)算。

(9)

=0.002 66 N·S2/m4

式中，α為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，N·S2/m4；λ為風(fēng)筒摩擦系數(shù)，又稱達(dá)西系數(shù)，Φ1.2 m柔性風(fēng)筒取0.017 7；ρ為空氣密度，取1.20 kg/m3。

(2)風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算。

(10)

=1.283 N·S2/m8

式中，Rf為風(fēng)筒風(fēng)阻，N·S2/m8；D為風(fēng)筒直徑，均為Φ1.2 m。

(3)風(fēng)筒摩擦阻力計(jì)算。

(11)

=1 287.4 Pa

式中，QL為通風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量，m3/s。

(4)風(fēng)筒局部阻力計(jì)算。

(12)

=578.2 Pa

式中，ξ為風(fēng)筒局部阻力系數(shù)，N·S2/m4；A為風(fēng)筒斷面積，m2。

(5)風(fēng)筒通風(fēng)阻力計(jì)算。

h=hf+hx

(13)

=1 287.4+578.2=1 865.6 Pa

2.2 通風(fēng)機(jī)型號選擇

風(fēng)機(jī)選型計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 風(fēng)機(jī)選型計(jì)算結(jié)果

通風(fēng)機(jī)型號的選擇主要考慮以下三個(gè)條件：

(1)通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量不能小于理論計(jì)算風(fēng)量；

(2)通風(fēng)機(jī)直徑與選取通風(fēng)管直徑不能差別太大；

(3)風(fēng)機(jī)全壓值不小于管道總阻力。

根據(jù)以上三個(gè)條件及計(jì)算結(jié)果，選擇隧道軸流通風(fēng)機(jī)，確定的風(fēng)機(jī)種類如表3所示。

表3 瓦斯隧道風(fēng)機(jī)布置

2.3 局扇選擇

隧洞內(nèi)為避免瓦斯積聚，在隧洞掌子面、二襯支架、杭州路橫通道、瓦斯容易積聚的空間等位置布置局扇，實(shí)施局部通風(fēng)的方法，消除瓦斯積聚。局扇選用FBYNo 4.0/5.5型礦用隔爆軸流局部通風(fēng)機(jī)，主要性能見表4。

3 隧道施工通風(fēng)設(shè)備技術(shù)措施

3.1 風(fēng) 機(jī)

(1)壓入式通風(fēng)機(jī)安設(shè)在出土孔范圍外不小于20 m處，避免吸入洞內(nèi)排出的污風(fēng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，擬將風(fēng)機(jī)安裝在工區(qū)地面上空曠處新鮮風(fēng)流中，通過風(fēng)筒連接向隧道內(nèi)供風(fēng)。每臺風(fēng)機(jī)后設(shè)置同等性能備用風(fēng)機(jī)，并保持性能良好，當(dāng)主風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，保證備用風(fēng)機(jī)能在10 min內(nèi)啟用供風(fēng)。

(2)通風(fēng)機(jī)前后10 m范圍內(nèi)不得堆放雜物，通風(fēng)機(jī)進(jìn)口應(yīng)設(shè)置鐵箅，并安設(shè)保險(xiǎn)裝置。

(3)軸流風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)應(yīng)水平、堅(jiān)固，通風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)組件安裝在整塊鋼支架上，鋼支架與基礎(chǔ)之間必須增加橡膠減振墊，且鋼支架要安裝在基礎(chǔ)頂部的減振墊上。另外，鋼支架須固定在混凝土基礎(chǔ)上，減振墊宜采用多孔型橡膠板。

(4)風(fēng)機(jī)支架應(yīng)穩(wěn)固結(jié)實(shí)，風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置加強(qiáng)型柔性管與風(fēng)管連接，風(fēng)機(jī)與柔性管結(jié)合處應(yīng)多道綁扎，減少漏風(fēng)。

(5)風(fēng)機(jī)安裝采用20 t吊車進(jìn)行吊裝，吊車作業(yè)必須持有特種作業(yè)證。

3.2 風(fēng) 筒

(1)選用高強(qiáng)度、抗靜電、阻燃柔性風(fēng)筒，風(fēng)筒必須有出廠合格證，使用前應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，保證無損壞，黏接縫牢固平順，接頭完好嚴(yán)密。

(2)風(fēng)筒掛設(shè)在隧道頂部，吊掛高度大于4.5 m，應(yīng)做到平、穩(wěn)、直，無扭曲和褶皺。在初支施工作業(yè)時(shí)，每5 m標(biāo)出螺栓位置，然后用電鉆打眼，安置膨脹螺栓，并采用鍍鋅鐵絲，用緊線器張緊。

(3)盡量選擇節(jié)長較大的風(fēng)筒，以減少接頭數(shù)量，風(fēng)筒接頭應(yīng)嚴(yán)密，百米漏風(fēng)率不大于2%。使用軟風(fēng)筒時(shí)，靠近通風(fēng)機(jī)部分應(yīng)采用加強(qiáng)型風(fēng)筒，風(fēng)筒破損時(shí)，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)或更換。

(4)風(fēng)筒出口距離掌子面應(yīng)小于5 m，炮煙拋擲區(qū)采用可折疊風(fēng)筒，以便放炮時(shí)迅速縮至炮煙拋擲區(qū)以外。

(5)應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)筒質(zhì)量，安裝時(shí)保持風(fēng)筒成直線，防止彎折變形。要特別注意風(fēng)筒防護(hù)，避免出渣機(jī)械、型鋼支架運(yùn)輸磨擦損壞風(fēng)筒。

3.3 供 電

(1)隧道內(nèi)通風(fēng)機(jī)設(shè)兩路電源，其中一路電源從變壓器接出，通過一級配電箱直接接到風(fēng)機(jī)控制柜，風(fēng)機(jī)控制柜與常用風(fēng)機(jī)連接，供電后按風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)直接控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。另一路備用發(fā)電機(jī)從備用風(fēng)機(jī)接到風(fēng)機(jī)控制柜，再通過控制柜的另一端口與400 kW發(fā)電機(jī)連接。當(dāng)常規(guī)電源停電或風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，立即啟動(dòng)400 kW的發(fā)電機(jī)，由人工合攏手閘，確保在10 min內(nèi)啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)，保證隧道通風(fēng)和正常作業(yè)不受影響。

(2)洞內(nèi)局扇風(fēng)機(jī)供電選用專用阻燃電纜，所有電纜接頭使用接線盒，不準(zhǔn)有明接頭。

(3)洞內(nèi)不得帶電檢修、不得隨意搬遷電氣設(shè)備、電纜和電線。

(4)備用發(fā)電機(jī)必修定期進(jìn)行維修、保養(yǎng)，每周進(jìn)行一次全面檢查，確保停電或變壓器故障后10 min內(nèi)發(fā)電機(jī)能給軸流風(fēng)機(jī)正常供電運(yùn)行。

3.4 風(fēng)機(jī)維修及保養(yǎng)

(1)加強(qiáng)機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的外部檢查，注意機(jī)體有無漏風(fēng)和不正常振動(dòng)。

(2)定期檢查軸承內(nèi)的潤滑油量，軸承的磨損情況，葉片有無彎曲和斷裂以及葉片彎曲程度。

(3)機(jī)殼內(nèi)部和葉輪上的灰塵應(yīng)每季清掃一次，以防銹濁。

(4)在檢查機(jī)殼內(nèi)部時(shí)，應(yīng)嚴(yán)防工具和雜物掉入。

(5)注意檢查聯(lián)軸器的連接螺絲，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。

(6)按說明書規(guī)定的時(shí)間檢查風(fēng)門及其傳動(dòng)裝置是否靈活。

(7)在處理電氣設(shè)備的故障時(shí)，必須首先斷開檢查地點(diǎn)的電源，清掃時(shí)注意電動(dòng)機(jī)繞組。

(8)露在外面的機(jī)械部分和電氣的裸露部分，要加裝保護(hù)罩或遮攔。

(9)備用通風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，必修經(jīng)常處于完好狀態(tài)，并保證能在10 min內(nèi)進(jìn)行啟動(dòng)。

(10)主風(fēng)機(jī)在維修、保養(yǎng)期間，備用風(fēng)機(jī)應(yīng)正常運(yùn)行，保證洞內(nèi)24 h不間斷通風(fēng)。

4 結(jié) 語

海福區(qū)間暗挖法隧道為高瓦斯淺埋暗挖法隧道，施工難度大。在該隧道施工通風(fēng)中采用壓入式通風(fēng)方法，保證了工作面的新鮮風(fēng)量。通過計(jì)算，科學(xué)地選擇通風(fēng)設(shè)備，既能達(dá)到良好的通風(fēng)效果，又能有效合理地利用電能，由專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工通風(fēng)管理，嚴(yán)格按照通風(fēng)方案施工，使施工通風(fēng)取得了圓滿的成功，為后續(xù)工程提供有力借鑒。