韋慶華，余金鳳

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 概述

某水電站壓力引水隧洞橫穿阿萊瓦河谷與印度河谷之間的山脈，由阿萊瓦河修建混凝土重力壩蓄水，經(jīng)壓力隧洞引水至發(fā)電廠房，尾水流入印度河，總水頭約670 m。引水隧洞全長(zhǎng)2366 m，坡比為0.384的斜洞段長(zhǎng)度為1720 m，馬蹄形斷面，斷面大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程師確定的圍巖巖石級(jí)別來定，巖石級(jí)別由A到F類變化時(shí)，支護(hù)類型變化或初襯厚度的變化導(dǎo)致洞徑為2.8～3.2 m，典型斷面面積為7.2 m2。

鉆爆、柴油機(jī)車輛運(yùn)輸及開挖支護(hù)等工作，會(huì)造成大量有害氣體[1]：一是毒害氣體，主要來源于爆破炮煙、無軌運(yùn)輸車輛柴油機(jī)不完全燃燒產(chǎn)生的廢氣[2]；二是粉塵，主要來源于巖塵、炮煙、水泥塵、煙塵等。常規(guī)緩傾角（6°～48°）斜井開挖施工中通常采用正井法、反井法或爬灌法施工，常利用反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，打通小截面導(dǎo)井后作為排渣和自然通風(fēng)的通道[3]。導(dǎo)井開挖方法一般適用于長(zhǎng)度為300 m以內(nèi)的斜井，因?yàn)閷?dǎo)孔超過300 m后容易出現(xiàn)塌孔、卡埋鉆以及孔的偏斜難以控制等[4]。而本工程斜洞段高差約670 m，斜洞長(zhǎng)度約1720 m，遠(yuǎn)超目前可實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)井孔深，再加上山體陡峻，斜洞段洞頂覆蓋層厚度大，地形條件不適合另設(shè)施工支洞。在未設(shè)施工支洞，也無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)井自然通風(fēng)的情況下，本工程斜洞段只能采用常規(guī)的鉆爆法進(jìn)行開挖，必須使用機(jī)械通風(fēng)方案。在引水隧洞通風(fēng)施工中，傾角大于20°的斜洞尚未超過575 m，所以大高差長(zhǎng)斜洞的通風(fēng)問題是急待解決的一個(gè)難題，也成為緩傾角斜洞能否實(shí)現(xiàn)快速開挖施工的關(guān)鍵。

2 通風(fēng)方案選擇

初步確定施工采用鉆爆法全斷面開挖，分上下游兩頭掘進(jìn)。在平洞段和10%下坡段采用P-30B耙碴機(jī)配合柴油自卸車出碴方案；坡比為0.384的斜洞段，采用卷揚(yáng)機(jī)接力牽引礦斗車、有軌運(yùn)輸出碴至斜洞上游斜坡起點(diǎn)（樁號(hào)約CHA.0+525.902）或下游斜坡終點(diǎn)（樁號(hào)約CHA.2+245.481）處的卸渣平臺(tái)，再用柴油自卸車運(yùn)至洞外堆渣點(diǎn)。

隧洞機(jī)械通風(fēng)方式主要有壓入式、吸出式和混合式。壓入式是通過在新鮮空氣處安裝風(fēng)機(jī)和風(fēng)管將風(fēng)送到工作面附近，同時(shí)壓迫污濁空氣向洞外排出，缺點(diǎn)是排煙過程煙塵將污染整個(gè)煙道；吸出式通風(fēng)是在工作面附近安裝風(fēng)機(jī)和風(fēng)管，設(shè)置煙簾集中將污濁空氣抽出洞外，缺點(diǎn)是采用剛性通風(fēng)管道和逐段移動(dòng)風(fēng)機(jī)，剛性管相對(duì)軟管安裝較為困難，移動(dòng)風(fēng)機(jī)費(fèi)時(shí)費(fèi)力；混合式通風(fēng)是將壓入式和吸出式兩者結(jié)合，以較長(zhǎng)距離抽風(fēng)為主，短距離送入新鮮風(fēng)。本工程隧洞斷面小，斜洞段無支洞無導(dǎo)井，單頭通風(fēng)距離達(dá)到1200 m，且斜洞段落差大，洞內(nèi)作業(yè)工種多，材料運(yùn)輸十分不便。根據(jù)前述，選擇壓入式通風(fēng)方案有利于提高工效和便于施工管理。

3 隧洞通風(fēng)所需風(fēng)量和風(fēng)壓的確定

3.1 基本參數(shù)

通風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)算的基本參數(shù)按表1取用。

表1 計(jì)算參數(shù)表

3.2 風(fēng)量的計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)第2卷》[5]（以下簡(jiǎn)稱手冊(cè)）和《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》[6]（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）要求，確定工作面需風(fēng)量，需分別計(jì)算出滿足洞內(nèi)最小風(fēng)速所需空氣量Q1需、滿足施工人員需風(fēng)量Q2需、爆破散煙所需風(fēng)量Q3需和稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣所需風(fēng)量Q4需，取其最大者即為壓入式通風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口的所需風(fēng)量Q需。本隧洞工程上游最高高程為1 222.80 m，按規(guī)范均要對(duì)下述的Q2、Q3和Q4進(jìn)行高程修正，查規(guī)范確定修正方法為分別乘以1.4、除以0.89和乘以1.3。

（1）按洞內(nèi)最小風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量Q1，Q1需=Q1=60Vmin×Sd=60×0.25×7.2=108（m3/min），式中：Vmin為洞內(nèi)所需最小風(fēng)速，查手冊(cè)取Vmin=0.25 m/s。

（2）按洞內(nèi)最多施工人員計(jì)算風(fēng)量Q2，Q2=Vp×M×Kp，式中：Vp為洞內(nèi)人均最小風(fēng)量，查規(guī)范取為3 m3/min；Kp為風(fēng)量備用系數(shù)取1.2。則Q2需=1.4×Q2=1.4×3×30×1.2=151.2（m3/min）。

（3）爆破散煙所需風(fēng)量Q3。①純稀釋炮煙需風(fēng)量Q31。查手冊(cè)得Q31=（5GB）/t，式中：B為炸藥爆炸時(shí)折合產(chǎn)生的CO體積，選為40 L/kg。Q31=（5×26×40）/30=173.3（m3/min）；② 采用壓入式通風(fēng)進(jìn)行爆破散煙進(jìn)行計(jì)算風(fēng)量Q32。查手冊(cè)得Q32=21.4/t（GSdLf）1/2，式中：Lf為風(fēng)管長(zhǎng)度和稀釋炮煙到安全濃度的距離兩者取小，m。

從開挖面至稀釋炮煙到安全濃度的距離L′=400G/Sd=400×26/7.2=1 444.4（m）＞L=1200 m，故取Lf=L=1200 m，則Q32=21.4/30×（26×7.2×1200）1/2=338.1（m3/min）＞Q31，所以Q3=Q32，Q3需=Q3/0.89=338.1/0.89=379.9（m3/min）。

（4）稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣所需風(fēng)量Q4。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，洞內(nèi)使用柴油機(jī)械時(shí)，可按每千瓦每分鐘消耗4 m3風(fēng)量計(jì)算，并與工作人員所需風(fēng)量相疊加。拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)總瓦數(shù)為17.6 kW，未修正的稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量Q4=4×17.6+30×3=160.4（m3/min），則Q4需=1.3Q4=1.3×160.4=208.5（m3/min）

比較以上Q1需、Q2需、Q3需和Q4需，取其中的最大值為需要風(fēng)量，則Q需=Q3需=379.9 m3/min=6.33 m3/s?？紤]風(fēng)管漏風(fēng)，則風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量應(yīng)為：

Q機(jī)=Q需/（1-β）L/100=Q需P=379.9×1.20=455.9（m3/min）。

3.3 風(fēng)壓計(jì)算

為將所需風(fēng)量送入指定位置，并達(dá)到規(guī)定的風(fēng)速，必須克服沿途阻力，并在出口保持一定的風(fēng)速和風(fēng)壓，則通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓h機(jī)以克服管道系統(tǒng)阻力h阻，即h機(jī)＞h阻=h動(dòng)+h局+h沿，h動(dòng)為管口動(dòng)壓，h局為局部壓力損失，h沿為沿程摩擦阻力。

（1）管口動(dòng)壓h動(dòng)取50 Pa。

（2）沿程摩擦阻力h沿計(jì)算采用達(dá)西公式：

式中：h沿為沿程摩擦阻力，Pa；λ為沿程摩阻系數(shù)，參考經(jīng)驗(yàn)取0.02；ρ為空氣密度，kg/m3；V管為管內(nèi)風(fēng)速，m/s。

h沿=1.2×0.02×（1 200×6.332）/（2×0.63×0.31 162）=9 432.7（Pa）

（3）局部壓力損失h局按沿程摩擦阻力的10%計(jì)算，即h局=0.1h沿。

因此，h阻=h動(dòng)+h局+h沿=50+（1.1×9 432.7）=10 426 Pa，通風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓能力應(yīng)不低于10 426 Pa。

4 隧洞通風(fēng)設(shè)備選型和布置

4.1 通風(fēng)設(shè)備的選型

（1）風(fēng)機(jī)選擇。根據(jù)計(jì)算風(fēng)機(jī)應(yīng)提供的風(fēng)量、風(fēng)壓，結(jié)合導(dǎo)流洞開挖時(shí)已購買的風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)備選型，現(xiàn)有數(shù)臺(tái)45 kW軸流風(fēng)機(jī)和2×11 kW軸流風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量分別為760～480、390～250 m3/min，全壓分別為8000、3500 Pa，轉(zhuǎn)速均為2900 r/min。顯然，利用現(xiàn)有單風(fēng)機(jī)，無法滿足獨(dú)頭供風(fēng)需求，勢(shì)必影響到出風(fēng)口的風(fēng)速，此情況下常采用兩臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)機(jī)相串聯(lián)以提高全壓。串聯(lián)全壓一般略低于所有單風(fēng)機(jī)的全壓之和，大風(fēng)量風(fēng)機(jī)宜作為第一級(jí)風(fēng)機(jī)，運(yùn)行中應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)以達(dá)到最佳的通風(fēng)效果和合理的能耗。

（2）風(fēng)管選擇。由式（1）可知，風(fēng)管直徑與壓力沿程損失成反比，選擇大直徑風(fēng)管通風(fēng)有利于減小設(shè)備成本和能源消耗。一般情況下，取開挖面積的1/25～1/20為柔性風(fēng)管過風(fēng)面積，但考慮到隧洞斷面較小，盡量避免出現(xiàn)洞內(nèi)運(yùn)輸時(shí)風(fēng)管被劃破等損壞現(xiàn)象，據(jù)此選配Φ630 mmPVC柔性風(fēng)管，并能與風(fēng)機(jī)相匹配。

4.2 通風(fēng)布置

采用45 kW風(fēng)機(jī)作為主力風(fēng)機(jī)，通過后續(xù)2×11 kW風(fēng)機(jī)串聯(lián)接力增壓，接力風(fēng)機(jī)間隔距離不大于單機(jī)供風(fēng)極限長(zhǎng)度，按式（1）和h阻=h動(dòng)+h局+h沿可反算出兩規(guī)格風(fēng)機(jī)的理論極限供風(fēng)長(zhǎng)度分別為900 m和390 m，則兩級(jí)風(fēng)機(jī)接力即可滿足通風(fēng)。實(shí)際施工中隧洞風(fēng)機(jī)布置分別如圖1和圖2所示。平洞段進(jìn)尺150 m以內(nèi)依靠自然通風(fēng)，之后分別在上游段洞口處即樁號(hào)CHA.0+040.392和下游段交通洞口處各安裝一臺(tái)45 kW通風(fēng)機(jī)往工作面提供新鮮空氣。在到達(dá)坡比為0.384的斜洞中施工后，隨著進(jìn)深增加，上下坡式排煙所消耗時(shí)間也越來越長(zhǎng)。為保證施工進(jìn)度，在距離第一級(jí)風(fēng)機(jī)約700 m處串聯(lián)第二級(jí)風(fēng)機(jī)以提高風(fēng)壓的方式來保持散煙需要的風(fēng)速，第三級(jí)風(fēng)機(jī)距離第二級(jí)風(fēng)機(jī)約250 m。開挖進(jìn)深越大，卷揚(yáng)機(jī)接力牽引的礦斗車往返所需時(shí)間越多，而上下游平洞段使用的農(nóng)用柴油機(jī)進(jìn)出洞頻次大為減少，綜合現(xiàn)有設(shè)備考慮，第二和第三級(jí)接力風(fēng)機(jī)全部采用2×11 kW軸流式通風(fēng)機(jī)。掘進(jìn)過程中，風(fēng)筒出風(fēng)口距離掌子面不超過15 m，隨進(jìn)尺延伸。風(fēng)筒選用Φ600 mm柔性管，牢固懸掛在洞壁一側(cè)。

圖1 引水斜洞上游段風(fēng)機(jī)布置示意圖

圖2 引水斜洞下游段風(fēng)機(jī)布置示意圖

5 加強(qiáng)隧洞通風(fēng)的主要技術(shù)措施

（1）工種人員崗前培訓(xùn)。各工種人員在上崗前，集中進(jìn)行管道安裝、調(diào)試、維修、保養(yǎng)技術(shù)和操作規(guī)則等技能學(xué)習(xí)和安全操作培訓(xùn)，不合格者不得上崗。

（2）落實(shí)責(zé)任，定機(jī)定人。通風(fēng)機(jī)有專人值守，按規(guī)程要求操作風(fēng)機(jī)，定期檢修和潤(rùn)滑風(fēng)機(jī)，使通風(fēng)機(jī)始終保持良好的狀態(tài)。強(qiáng)化運(yùn)輸設(shè)備維修保養(yǎng)，堅(jiān)持燃油沉淀過濾制度，減少廢氣排放量。

（3）風(fēng)管全程維護(hù)。施工中常檢查、勤維護(hù)，保證風(fēng)管接頭嚴(yán)密。控制爆破藥量，藥孔堵塞密實(shí)。防止洞內(nèi)運(yùn)輸刮破風(fēng)管和爆控制破飛石頭。輕微破損的管節(jié)，采用快干膠水粘補(bǔ)，粘補(bǔ)后30 min不得送風(fēng)；嚴(yán)重破損的管節(jié)，要及時(shí)更換，降低漏風(fēng)系數(shù)。

（4）自制水幕降塵器，最大限度降低炮煙、粉塵污染。在距離工作面約300 m處設(shè)置集水坑，安裝高壓水泵，用小鉆頭在Φ20 mm的鍍鋅鋼管鉆小孔，加工自制水幕降塵器閘閥裝設(shè)在靠近集水坑一側(cè)。水幕鋼管距離掌子面約20 m，在起爆前10 min開閘，起爆后持續(xù)噴水霧30 min，加速粉塵濕潤(rùn)降落，最大限度地降低炮煙、粉塵等污染。

（5）設(shè)置隔煙簾。隧洞貫通后的通風(fēng)主要為自然通風(fēng)，風(fēng)速和風(fēng)量均能滿足要求。冬季時(shí)，隧洞內(nèi)氣溫較高而氣壓低，容易將上平段的廢煙倒灌進(jìn)斜洞段，必要時(shí)在CHA.0+525.0附近加設(shè)隔煙簾，以保證斜洞段混凝土澆筑和鋼管襯砌正常施工。

6 結(jié)語

（1）緩坡長(zhǎng)斜隧洞采用多臺(tái)通風(fēng)機(jī)接力通風(fēng)，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備選型，確保施工中排煙時(shí)間不超過30 min，有效提高工效。

（2）施工過程加強(qiáng)通風(fēng)設(shè)備的維護(hù)，減少供風(fēng)能量損失，采取水幕降塵器和隔煙簾等額外措施做好降塵防煙工作，保證通風(fēng)效果，保障進(jìn)洞施工人員的職業(yè)健康。

（3）無施工支洞和無導(dǎo)井條件下，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離斜井正洞通風(fēng)，為其他類似隧洞工程提供借鑒。