趙 維 剛

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中東抽水蓄能K項(xiàng)目由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)、下水庫(kù)、地面開(kāi)關(guān)站及進(jìn)場(chǎng)道路組成。其中進(jìn)廠交通洞長(zhǎng)度約1 003 m，呈城門(mén)洞型和馬蹄型斷面。根據(jù)不同的圍巖條件，開(kāi)挖斷面從6.2 m×7.45 m到11.288 m×8.95 m(寬×高)，洞內(nèi)縱坡坡比為-10%，最大轉(zhuǎn)彎半徑為628 m，轉(zhuǎn)彎角度為16.84°。

尾調(diào)通氣洞連接進(jìn)廠交通洞與尾水調(diào)壓室，樁號(hào)為ATL0+000～0+523.27，高程為-229.54～-176.5 m，洞內(nèi)縱坡坡比為-10.5%。進(jìn)口位于進(jìn)廠交通洞樁號(hào)AC0+476.457處，與進(jìn)廠交通洞軸線呈120°夾角，隧洞斷面呈馬蹄形，結(jié)構(gòu)尺寸為6 m×(6.28～6.45)m，最大開(kāi)挖面積為36.4 m2，隧洞直徑為3.4 m。

尾調(diào)通氣洞縱斷面見(jiàn)圖1，尾調(diào)通氣洞開(kāi)挖典型斷面見(jiàn)圖2。

2 通風(fēng)的目的

在隧洞施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有害氣體并排放到隧洞空氣中，造成對(duì)隧洞空氣的污染，嚴(yán)重地?fù)p害隧洞內(nèi)作業(yè)人員的身心健康。這些有害氣體主要包括一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫和瓦斯等，其主要來(lái)源包括人員呼吸、放炮作業(yè)、內(nèi)燃設(shè)備的尾氣、洞內(nèi)火災(zāi)、瓦斯爆炸、有機(jī)物氧化和焊接等。

因此，需要采用有效的施工通風(fēng)措施以降低洞內(nèi)空氣中有害氣體的濃度，保證施工人員正常呼吸及施工機(jī)械的有效運(yùn)轉(zhuǎn)和施工安全，保持施工進(jìn)度、文明施工和員工的身體健康，為洞室開(kāi)挖及支護(hù)施工提供一個(gè)安全良好的施工環(huán)境。

3 施工通風(fēng)的計(jì)算及布置

圖1 中東抽水蓄能K項(xiàng)目尾調(diào)通氣洞縱剖面圖

單位：cm圖2 中東抽水蓄能K項(xiàng)目尾調(diào)通氣洞開(kāi)挖典型斷面圖

(1)通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。

按照《中東一般隧洞施工技術(shù)要求》54.06.02款中的規(guī)定及中東標(biāo)準(zhǔn)5567的要求，隧洞洞室斷面面積小于100 m2的隧洞洞內(nèi)的最低風(fēng)速為0.5 m/s，洞內(nèi)每人的供風(fēng)量為不小于5.6 m3/min，柴油設(shè)備供風(fēng)量不少于3.8 m3/kW。

關(guān)于洞內(nèi)有害氣體濃度，中東標(biāo)準(zhǔn)5567有以下規(guī)定的限值：二氧化碳(CO2)，隧洞中空氣的5 000 ppm(0.5%)；一氧化碳(CO)，隧洞中空氣的30 ppm(0.003%)；二氧化氮(NO2)，隧洞中空氣的3 ppm(0.000 3%)；硫化氫(H2S)，隧洞中空氣的10 ppm(0.001%)；甲烷，隧洞開(kāi)挖面的1.5%。

而對(duì)于影響作業(yè)環(huán)境的相關(guān)因素和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ 1-2010)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)因素》(GBZ 2.1-2007)和《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第2部分：物理因素》(GBZ 2.2-2007)中，對(duì)與隧洞施工作業(yè)環(huán)境有關(guān)、常見(jiàn)的幾種化學(xué)物質(zhì)(有害氣體)容許濃度及粉塵容許濃度都有明確的規(guī)定，其主要內(nèi)容見(jiàn)表1。

中東標(biāo)準(zhǔn)5567中有害氣體的濃度與我國(guó)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定對(duì)比情況見(jiàn)表1，隧洞內(nèi)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及人員需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表1 隧洞工作場(chǎng)所空氣中化學(xué)物質(zhì)容許濃度對(duì)比表

表2 隧洞內(nèi)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及人員需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

(2)通風(fēng)規(guī)劃。

依據(jù)經(jīng)監(jiān)理工程師審核的開(kāi)挖及支護(hù)施工方案，尾調(diào)通氣洞的開(kāi)挖及支護(hù)由進(jìn)廠交通洞向尾水調(diào)壓室單向獨(dú)頭掘進(jìn)，施工通風(fēng)方式選擇壓入式通風(fēng)，利用設(shè)置在洞外的通風(fēng)機(jī)械通過(guò)通風(fēng)管道將新鮮空氣送至工作面，供給洞內(nèi)足夠的新鮮空氣。

根據(jù)施工方案中的人力資源、設(shè)備配置、爆破設(shè)計(jì)等計(jì)算施工現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)量及風(fēng)速，除必須滿(mǎn)足施工人員正常呼吸、稀釋機(jī)械廢氣濃度、降低有害氣體的濃度及降溫等的最小通風(fēng)量外，還需滿(mǎn)足洞內(nèi)的最小風(fēng)速，以保持洞內(nèi)空氣的新鮮程度。

施工通風(fēng)采用正壓軸流風(fēng)機(jī)供風(fēng)、柔性連續(xù)風(fēng)筒送風(fēng)。風(fēng)機(jī)架設(shè)在進(jìn)廠交通洞外約30 m，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面約20 m，風(fēng)筒通過(guò)鋼絲懸吊在隧洞拱頂位置。

(3)通風(fēng)風(fēng)量。

通過(guò)對(duì)滿(mǎn)足施工人員正常呼吸、排除爆破及機(jī)械廢氣、降低有害氣體濃度等的最大通風(fēng)量，以及滿(mǎn)足洞室最小風(fēng)速且不超過(guò)最大容許風(fēng)速進(jìn)行施工所需通風(fēng)量的分別計(jì)算，確定最大的需風(fēng)量。

①施工人員正常呼吸所需風(fēng)量計(jì)算公式：

Q1=m×q1×k

式中Q1為隧洞內(nèi)作業(yè)人員呼吸所需的總風(fēng)量(m3/min)；m為工作人數(shù)；q1為每個(gè)人需要的通風(fēng)量，取5.6 m3/min；k為通風(fēng)備用系數(shù)，取1.1～1.25。

根據(jù)尾調(diào)通氣洞開(kāi)挖支護(hù)施工方案，施工作業(yè)面高峰期的人員總數(shù)為31人，按照中東標(biāo)準(zhǔn)5567的要求，以每人5.6 m3/min新鮮空氣需要量進(jìn)行計(jì)算，施工人員所需風(fēng)量計(jì)算如下：

Q1=m×q1×k

=30×5.6×1.25=217(m3/min)

②計(jì)算爆破排煙需風(fēng)量。

尾調(diào)通氣洞爆破開(kāi)挖施工過(guò)程中的主要爆破參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 尾調(diào)通氣洞爆破參數(shù)表(進(jìn)尺3 m)

考慮到中東規(guī)范5567要求達(dá)到的CO濃度為30 ppm，即0.003%，遂選擇采用沃洛寧公式計(jì)算壓入式通風(fēng)方式下排除炮煙的需風(fēng)量，其計(jì)算公式為：

式中Q2為爆破排煙工作面需風(fēng)量(m3/min)；t為通風(fēng)時(shí)間。依國(guó)際隧協(xié)規(guī)定，取15 min；G為同時(shí)爆破的炸藥量，依據(jù)爆破設(shè)計(jì)，取118.5 kg；b為每千克炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的CO(L/kg)，一般取b=40 L/kg，遇到煤層時(shí)取b=100 L/kg；L0為通風(fēng)長(zhǎng)度；A為隧洞開(kāi)挖斷面積，依據(jù)設(shè)計(jì)圖計(jì)算為42 m2；Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比；Ca為要求達(dá)到的CO濃度(%)，取值為0.003%。

a.通風(fēng)長(zhǎng)度的確定。

當(dāng)隧洞長(zhǎng)度較短、小于排煙安全距離時(shí)，隧洞長(zhǎng)度即為通風(fēng)長(zhǎng)度；當(dāng)隧洞長(zhǎng)度較長(zhǎng)、大于排煙安全距離時(shí)，則取排煙安全距離作為通風(fēng)長(zhǎng)度(排煙安全距離指炮煙從工作面向外排除過(guò)程中濃度不斷降低、隧洞斷面上的炮煙平均濃度已降到平均濃度時(shí)該斷面到掘進(jìn)工作面的距離)。

排煙安全距離的計(jì)算公式根據(jù)沃洛寧公式推導(dǎo)得到，即：

Ls=0.1×G×b/(Ca×A)

=0.1×118.5×40/(0.003×36.4)

=4 340.66(m)

尾調(diào)通氣洞長(zhǎng)度為523.7 m，小于排煙安全距離，故通風(fēng)長(zhǎng)度L0取523.7 m。

b.通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比Pq的計(jì)算。

尾調(diào)通氣洞用于連通進(jìn)廠交通洞及尾水調(diào)壓室，開(kāi)挖及支護(hù)施工時(shí)，供風(fēng)風(fēng)機(jī)架設(shè)在進(jìn)場(chǎng)交通洞外，通風(fēng)風(fēng)管經(jīng)進(jìn)廠交通洞轉(zhuǎn)入尾調(diào)通氣洞，風(fēng)管的長(zhǎng)度應(yīng)為尾調(diào)通氣洞與相應(yīng)進(jìn)廠交通洞段及洞外安全距離的總和，計(jì)算通風(fēng)管漏風(fēng)量時(shí)應(yīng)予以考慮，以便于計(jì)算通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比。

Pq= 1/(1-L/100×P100)

=1/(1-1 059.73/100×2% )=1.27

式中Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比；P100為百米通風(fēng)管漏風(fēng)率，一般取2%；L為洞長(zhǎng)或風(fēng)機(jī)控制長(zhǎng)度，取值1 059.73 m(尾調(diào)通氣洞長(zhǎng)523.27 m，進(jìn)廠交通洞段長(zhǎng)476.46 m，風(fēng)機(jī)離開(kāi)洞口的安全距離為約10倍隧洞直徑，即60 m)。

c.排除炮煙的需風(fēng)量計(jì)算。

=2 155.69(m3/min)

按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量：

Q3=60vA

式中Q3為最小風(fēng)速通風(fēng)量(m3/min)；v為洞室中要求的最小風(fēng)速(m/s)。

按照中東隧洞開(kāi)挖指導(dǎo)準(zhǔn)則要求，隧洞中的最低風(fēng)速按0.5 m/s、隧洞最大開(kāi)挖斷面積按36.4 m2進(jìn)行計(jì)算，所需風(fēng)量如下：

Q3=60×v×A=60×0.5×36.4

=1 092(m3/min)

d.按稀釋和排出內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量。

稀釋內(nèi)燃設(shè)備廢氣所需的總風(fēng)量為:

Q4=W×q2

式中Q4為稀釋內(nèi)燃設(shè)備排放廢氣隧洞內(nèi)所需要的總風(fēng)量(m3/min)；W為洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)的內(nèi)燃設(shè)備的總額定功率(kW)；q2為內(nèi)然設(shè)備每千瓦需要的通風(fēng)量，按國(guó)際隧協(xié)規(guī)定，柴油機(jī)械按額定功率計(jì)算的最小供風(fēng)量為4 m3/(min·kW)。

根據(jù)不同工況計(jì)算洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備的用風(fēng)量，根據(jù)施工方案，鉆孔采用兩臂鉆，清渣采用液壓反鏟挖掘機(jī)，出渣采用裝載機(jī)裝車(chē)、自卸汽車(chē)運(yùn)輸，支護(hù)采用濕噴臺(tái)車(chē)、錨桿臺(tái)車(chē)施工(表4)。

表4 不同工況下洞內(nèi)施工設(shè)備表

在出渣工況下，隧洞內(nèi)同時(shí)工作的內(nèi)燃設(shè)備總額定功率最大，因此計(jì)算內(nèi)燃設(shè)備用風(fēng)量時(shí)考慮的洞內(nèi)設(shè)備組合為裝載機(jī)裝卸、自卸汽車(chē)運(yùn)輸。由于棄渣運(yùn)輸距離較短、裝載機(jī)裝車(chē)效率高、出渣時(shí)洞內(nèi)實(shí)際同時(shí)作業(yè)的內(nèi)燃設(shè)備應(yīng)為裝載機(jī)1臺(tái)、自卸汽車(chē)1臺(tái)，考慮裝載機(jī)全部時(shí)間在洞內(nèi)作業(yè)的設(shè)備額定總功率計(jì)算如下：

W=163+235=393(kW)

稀釋上述設(shè)備組合內(nèi)燃機(jī)廢氣所需的總風(fēng)量為：

Q4=W×q2=393×4=1 716.25 (m3/min)

e.風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量的計(jì)算。

Q0=Pq×Q

式中Q0為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量，m3/min；Q為以各種條件計(jì)算的洞內(nèi)所需最大通風(fēng)量，m3/min；Pq為通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比。

根據(jù)以上計(jì)算，可以確定洞內(nèi)通風(fēng)所需的最大風(fēng)量為爆破排煙所需的風(fēng)量(2 155.69 m3/min)，通風(fēng)區(qū)段內(nèi)通風(fēng)管始末端風(fēng)量之比為1.27，則風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量的計(jì)算如下：

Q0=Pq×Q

=1.27×2 155.69=2 737.72 (m3/min)

洞室需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，鉆孔、爆破排煙、出渣、支護(hù)等階段的最大需風(fēng)量見(jiàn)表6。

表5 洞室需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果一覽表

表6 鉆孔、爆破排煙、出渣、支護(hù)等階段最大需風(fēng)量表

(4)通風(fēng)風(fēng)壓。

根據(jù)通風(fēng)量計(jì)算風(fēng)阻及通風(fēng)機(jī)的工作全風(fēng)壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～5。

①通風(fēng)風(fēng)壓計(jì)算公式。

計(jì)算通風(fēng)管通風(fēng)阻力：

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

式中h1為通風(fēng)管通風(fēng)阻力，Pa；Rf為通風(fēng)管摩擦阻力，Rf=6.5×α×L/d5；Rj為通風(fēng)管局部阻力，Rj=ζ×1/d4；d為通風(fēng)管直徑，取值1.5 m；α為通風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)(N·s2/m4)，取值為0.003 04；ζ為通風(fēng)管局部阻力系數(shù)；L為洞長(zhǎng)或風(fēng)機(jī)控制長(zhǎng)度，取值1 059.73 m。

a.通風(fēng)管局部阻力系數(shù)的計(jì)算。

彎道局部阻力系數(shù)按照ξ=0.008×a0.75/n0.8進(jìn)行計(jì)算，式中ξ為彎道局部阻力系數(shù)；a為轉(zhuǎn)彎角度；n=R/d，R為隧洞轉(zhuǎn)彎半徑，d為通風(fēng)管直徑。

通風(fēng)管的彎道局部阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

在隧洞施工通風(fēng)中常用的局部阻力系數(shù)取以下值。管道入口，ξ=0.6；管道出口，ξ=1。

尾調(diào)通氣洞通風(fēng)管局部阻力系數(shù)的計(jì)算：ξ=0.6+0+0.05+0.02+0.01+0.03+1=1.72。

b.計(jì)算通風(fēng)管的摩擦阻力。

Rf=6.5×α×L/d5

=6.5×0.003 04×1 059.73/1.55

=2.76(kg/m7)

c.計(jì)算通風(fēng)管的局部阻力。

表7 尾調(diào)通氣洞通風(fēng)管彎道局部阻力系數(shù)表

Rj=ζ×1/d4=1.72×1/1.54=0.34(Pa)

d.計(jì)算通風(fēng)管的通風(fēng)阻力。

h1=(Rf+Rj)×Q0×Q/3 600

=(2.76+0.34)×2 737.73×2 155.69/3 600

=5 075.82(Pa)

②由于通風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓等于總的通風(fēng)阻力，因此通風(fēng)機(jī)工作的全風(fēng)壓為：

h全=h1+h0

a.計(jì)算通風(fēng)管出口風(fēng)阻。

h0=ζ×Q2/d4

=1.72×2 155.692/1.54=437.16(Pa)

b.計(jì)算通風(fēng)機(jī)工作的全風(fēng)壓。

h全=h1+h0

=5 075.82+437.16=5 512.98(Pa)

風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓的計(jì)算成果見(jiàn)表8。

表8 風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓計(jì)算成果一覽表

(5)通風(fēng)機(jī)械設(shè)備的選擇。

根據(jù)最大需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)工作全風(fēng)壓選擇適配的正壓軸流式局部通風(fēng)機(jī)及配套的柔性連續(xù)風(fēng)筒，推薦采用的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備及配套的風(fēng)筒的型號(hào)、數(shù)量見(jiàn)表9。

表9 風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒配置表

4 施工通風(fēng)的管理

目前，在進(jìn)廠交通洞洞口布置了一臺(tái)正壓軸流風(fēng)機(jī)SFD-Ⅲ-NO11并配備了φ1.5 m的柔性風(fēng)筒，用于尾調(diào)通氣洞的施工通風(fēng)，并在施工過(guò)程中加強(qiáng)了對(duì)施工通風(fēng)的管理，采用風(fēng)速測(cè)速儀4 h監(jiān)測(cè)一次，風(fēng)筒出風(fēng)口處的風(fēng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，筆者認(rèn)為：在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)以下幾項(xiàng)工作：

(1)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，重視通風(fēng)工作，成立專(zhuān)業(yè)的通風(fēng)隊(duì)伍，負(fù)責(zé)通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管的安裝、維護(hù)以及通風(fēng)方式的變換，承擔(dān)通風(fēng)效果的責(zé)任。

(2)加強(qiáng)對(duì)有害氣體濃度、放射性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)濃度調(diào)整風(fēng)量，合理供風(fēng)。

(3)風(fēng)機(jī)應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員管理，及時(shí)了解風(fēng)機(jī)的工作壓力，以免造成風(fēng)阻過(guò)載而燒毀電機(jī)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)學(xué)習(xí)和參考隧洞施工通風(fēng)方面的專(zhuān)業(yè)資料，結(jié)合中東抽水蓄能K項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，筆者僅以尾調(diào)通氣洞作為計(jì)算對(duì)象，通過(guò)對(duì)隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工過(guò)程中對(duì)隧洞環(huán)境的污染源分析，從滿(mǎn)足作業(yè)人員呼吸需風(fēng)量、爆破排煙需風(fēng)量、按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量、按稀釋和排出內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算供風(fēng)量等四個(gè)角度計(jì)算了在隧洞獨(dú)頭施工中采用通風(fēng)管路將新鮮空氣送到施工作業(yè)面、排出有害氣體和粉塵、創(chuàng)造必要的施工作業(yè)環(huán)境所需的最大供風(fēng)量、風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓、通風(fēng)管路直徑等參數(shù)，對(duì)尾調(diào)通氣洞的施工通風(fēng)進(jìn)行了分析和探討，以提高對(duì)隧洞施工通風(fēng)計(jì)算的認(rèn)識(shí)，所取得的經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程參考。