楊 剛

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本工程為新疆某在建的引水隧洞，隧洞直徑7.8 m，采用北方重工生產(chǎn)的敞開式TBM掘進(jìn)，共計(jì)34.751 km的主洞段，引水隧洞具有施工距離長、開挖斷面大的工程特點(diǎn)。其中TBM施工段為26.021 km，分三段進(jìn)行施工，分別為TBM5-1、TBM5-2和TBM5-3，最長段為TBM5-1，施工距離為8.846 km，縱坡為1/2310。自隧洞出口向進(jìn)口方向掘進(jìn)，分別通過隧洞出口、10#支洞和6#支洞。在10#支洞和6#支洞設(shè)置TBM組裝洞，組裝洞段長80 m，斷面型式為蘑菇型，斷面尺寸13.2 m×16.9 m。

工程區(qū)域地形地貌為低山丘陵區(qū)，地形開闊、起伏。海拔高程698 m～1410 m，相對(duì)高差712 m，最大埋深為718 m，隧洞圍巖巖性為華力西期變質(zhì)黑云母斜長花崗巖、花崗班巖，次塊狀～塊狀構(gòu)造。局部洞段節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙多以黑云母、石英充填，沿裂隙面以線狀水為主，裂隙中云母遇水軟化。巖石中石英合量一般25%～30%，巖石堅(jiān)硬，隧洞設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別以Ⅱ類和Ⅲ類圍巖為主。鑒于引水隧洞施工距離長，并包括三段TBM施工段和人工鉆爆段施工，引水隧洞通風(fēng)情況復(fù)雜，需對(duì)引水隧洞通風(fēng)方案進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，以保證一線生產(chǎn)人員的施工安全。

2 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

2.1 隧洞通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)方式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，尾部回風(fēng)速度不小于0.5 m/s，并滿足TBM二次通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)壓要求。風(fēng)機(jī)為高效變頻軸流風(fēng)機(jī)，3 m處噪音≤85 dB；通風(fēng)軟管單節(jié)長度不小于300 m，拉鏈連接[1-2]。

2.2 總體通風(fēng)方案

本研究區(qū)域TBM掘進(jìn)段采用軸流風(fēng)機(jī)獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案。風(fēng)管采用2.2 m、單節(jié)長度300 m的低泄漏、無縫、拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。人工鉆爆段采用軸流風(fēng)機(jī)獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案，風(fēng)管采用1.5 m，在各施工支洞分別安裝一臺(tái)2×75 W型軸流風(fēng)機(jī)。

第一掘進(jìn)段開始前，在3#勘探試驗(yàn)洞洞口安裝1臺(tái)壓入式軸流通風(fēng)機(jī)(2×90 kW)，為TBM5-1段施工通風(fēng)。

TBM5-1段掘進(jìn)貫通后，TBM5-1段通風(fēng)改為自然通風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)場至TBM5-2段，將風(fēng)機(jī)安放在10#支洞洞口，通過風(fēng)管將新鮮風(fēng)壓入TBM后配套尾部，再利用TBM后配套上的二次風(fēng)機(jī)向主機(jī)前部壓風(fēng)。

TBM5-2段掘進(jìn)貫通后，TBM5-2段通風(fēng)改為自然通風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)場至TBM5-3段，將風(fēng)機(jī)安放在6#支洞洞口，通過風(fēng)管將新鮮風(fēng)壓入TBM后配套尾部，再利用TBM后配套上的二次風(fēng)機(jī)向主機(jī)前部壓風(fēng)。

將軸流風(fēng)機(jī)順序安裝在3#勘探試驗(yàn)、10#支洞、6#支洞洞外20 m～30 m，上方設(shè)防雨棚，采用門架式支架，滿足抗側(cè)風(fēng)要求。將新鮮空氣通過風(fēng)管壓入至TBM后配套尾部，與風(fēng)管儲(chǔ)存筒相連，再通過后配套上的二次增壓風(fēng)機(jī)繼續(xù)將風(fēng)前壓，給工作面供風(fēng)，污風(fēng)從主洞斷面流出，再經(jīng)過支洞排除洞外。風(fēng)筒懸掛于隧洞中線頂部，每隔2 m設(shè)固定掛鉤。隧洞頂部設(shè)置2排錨固點(diǎn)，間距10 m，錨固點(diǎn)間利用Φ8鋼筋或鋼絲繩連接，TBM掘進(jìn)時(shí)風(fēng)筒延伸后拉直固定于Φ8鋼筋或鋼絲繩。其中，正洞與支洞轉(zhuǎn)彎處設(shè)置特制風(fēng)管。

各施工段通風(fēng)布置圖，見圖1～圖3。

圖1 TBM5-1施工段通風(fēng)圖

圖2 TBM5-2施工段通風(fēng)圖

圖3 TBM5-3施工段通風(fēng)圖

2.3 隧洞通風(fēng)計(jì)算

進(jìn)行通風(fēng)量的計(jì)算，以壓入式通風(fēng)方式考慮，由于隧洞掘進(jìn)距離很長，在風(fēng)量計(jì)算時(shí)，隧洞通風(fēng)長度應(yīng)取炮煙稀釋安全長度，再分別通過計(jì)算整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)壓、靜壓來確定系統(tǒng)所需要的風(fēng)壓，以作為選擇風(fēng)機(jī)的供風(fēng)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 TBM段風(fēng)量計(jì)算

設(shè)計(jì)規(guī)定TBM尾部最小回風(fēng)速度，TBM段按此要求計(jì)算風(fēng)量：

Qmax=60·s·v=1432.8 m3/min

式中：s為隧洞斷面47.76 m2；v為允許最小風(fēng)速，根據(jù)設(shè)計(jì)要求為0.5 m/s。

2.3.2 人工鉆爆段風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》，在地下工程建筑物爆破開挖時(shí)需要風(fēng)量Qr，應(yīng)根據(jù)施工時(shí)多工序要求分別計(jì)算后取最大值[3-4]，即：

Qr=max(Qr1，Qr2，Qr3，Qr4)

(1)按作業(yè)人數(shù)計(jì)算：

Qr1=qmk=4×30×1.2=144 m3/min

(2)按最小風(fēng)速計(jì)算[5]：

Qr2=60sv=60×0.15×60=540 m3/min

(3)按排除爆破煙塵計(jì)算[6]

(4)按稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算

采用無軌運(yùn)輸，洞內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備配置較多，廢氣排放量較大，供風(fēng)量應(yīng)足夠?qū)?nèi)燃設(shè)備所排放的廢氣全面稀釋和排出，使有害氣體降至允許濃度以下，計(jì)算按下式計(jì)算[7]：

式中：t為通風(fēng)時(shí)間，取30 min；b為炸藥爆炸時(shí)有害氣體生成量，取40 m3/kg；Φ為淋水系數(shù)，取0.3；l為循環(huán)進(jìn)尺，1.5 m；q為單位耗炸藥量，1.26 kg/m3；G為同時(shí)爆破的炸藥消耗量，G=A×l×q，得113 kg；P為漏風(fēng)系數(shù)，P=1/(1-L×P100/100)，得P=1.72；k為風(fēng)量備用系數(shù)，k取1.2；l臨界為隧洞爆破臨界長度，l臨界=12.5×Gbk/Ap2，得l臨界=332 m；s為根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙取平均值60 m3；m為根據(jù)以往同類隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，m取30人；v為根據(jù)設(shè)計(jì)要求，v取0.15 m/s；K為功率通風(fēng)計(jì)算系數(shù)，我國暫行規(guī)定為2.8 m3/min～3.0 m3/min；Ni為各臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備的功率；Ti為利用率系數(shù)。

根據(jù)漏風(fēng)系數(shù)P=1.72，計(jì)算實(shí)際風(fēng)量見表1。

表1 實(shí)際風(fēng)量計(jì)算表

根據(jù)表1最大實(shí)際風(fēng)量為1766.44 m3/min，采用2×75 kW軸流風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)風(fēng)量2040 m3/h)，經(jīng)計(jì)算得，選用直徑1.5 m的風(fēng)管。

2.4 通風(fēng)機(jī)選型及配置

鉆爆開挖時(shí)擬采用壓入式通風(fēng)，新鮮空氣通過風(fēng)管直接送到掌子面，污濁空氣通過洞身排出洞外。

根據(jù)設(shè)計(jì)，TBM施工期間的通風(fēng)系統(tǒng)由主通風(fēng)機(jī)、二次通風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)管采用直徑2200 mm、每節(jié)300 m長的低泄漏、無縫、拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。主風(fēng)機(jī)安裝在洞口附近(距洞口約30 m左右)，通過風(fēng)管將新鮮風(fēng)壓入至TBM后配套尾部，與風(fēng)管儲(chǔ)存筒相連，再通過后配套上的二次風(fēng)機(jī)繼續(xù)將風(fēng)前壓。利用后配套上的除塵風(fēng)機(jī)，經(jīng)TBM主梁和管路，將掌子面的濁風(fēng)，經(jīng)除塵器過濾后向后排放[8-9]。

TBM施工段洞口主風(fēng)機(jī)采用2×90 kW型，鉆爆施工段洞口主風(fēng)機(jī)采用2×75 kW型。具體數(shù)量見表2。隧洞出口鉆爆完成后拆除2×75 kW風(fēng)機(jī)至10#支洞口使用，并更換2×90 kW風(fēng)機(jī)，待10#支洞及主洞鉆爆段完成后拆除2×75 kW風(fēng)機(jī)至隧洞進(jìn)口使用，并更換上2×90 kW風(fēng)機(jī)。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備表

3 通風(fēng)系統(tǒng)使用維護(hù)

考慮到本工程的特殊性和重要性，在引水隧洞通風(fēng)方案具體實(shí)施過程中應(yīng)成立專門的通風(fēng)作業(yè)班組，負(fù)責(zé)不斷向前接長風(fēng)管和風(fēng)管的維修和更換。

(1)吊掛風(fēng)管應(yīng)“順直、挺直、緊扎、安穩(wěn)”，以減少風(fēng)阻和漏風(fēng)。通風(fēng)過程中，發(fā)現(xiàn)分管破損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，以確保隧洞通風(fēng)順暢。

(2)引水隧洞外部風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，嚴(yán)禁一次啟動(dòng)，至少分三次啟動(dòng)，每次啟動(dòng)均要間歇一段時(shí)間，時(shí)間間隔以5 s～10 s為宜，直至完全通電。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開/關(guān)次數(shù)視隧洞掘進(jìn)距離長短而定，0 m～1500 m范圍內(nèi)開/關(guān)3次，之后每延伸500 m須增加一次。

(3)引水隧洞在軟風(fēng)管鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先將裝好軟風(fēng)管的儲(chǔ)存筒運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)，再將軟風(fēng)管全部拉出。更換軟風(fēng)管的儲(chǔ)存筒前，必須關(guān)閉引水隧洞外部風(fēng)機(jī)，待更換完畢檢查無誤后，再通知隧洞外部開啟風(fēng)機(jī)，進(jìn)行送風(fēng)。

(4)隧洞停止通風(fēng)時(shí)風(fēng)管處于松弛狀態(tài)，其下部通行的車輛應(yīng)引起注意，防止對(duì)風(fēng)管造成刮傷。當(dāng)水隧洞再次通風(fēng)時(shí)，當(dāng)管內(nèi)風(fēng)速大于10 m/s時(shí)會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生很大的瞬時(shí)張力，通風(fēng)電機(jī)應(yīng)采用變頻電機(jī)。修補(bǔ)和接長通風(fēng)管時(shí)，應(yīng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)[10]。

(5)因本標(biāo)段地處新疆北部，冬季氣溫低，洞口到洞內(nèi)一定距離風(fēng)管內(nèi)外容易出現(xiàn)冷凝水，并結(jié)冰，應(yīng)對(duì)洞口段的通風(fēng)管做相應(yīng)處理。

4 結(jié)論

(1)隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，TBM已成為長距離引水隧洞的首選工法。TBM施工過程中的通風(fēng)設(shè)計(jì)是隧洞總體設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，隧洞通風(fēng)的技術(shù)水平直接關(guān)系到一線生產(chǎn)人員的施工安全。長大引水隧洞合適的通風(fēng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮到通風(fēng)效果、施工難度、設(shè)備投入等因素。

(2)依據(jù)新疆某引水工程隧洞的工程特點(diǎn)，計(jì)算設(shè)計(jì)了相應(yīng)的隧洞通風(fēng)方案，現(xiàn)場應(yīng)用證明，該隧洞所采用的通風(fēng)方案效果良好。根據(jù)施工情況分階段進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，通風(fēng)風(fēng)量大，稀釋快，排煙時(shí)間短，充分滿足了排除煙塵的通風(fēng)要求。隧洞施工作業(yè)環(huán)境好，極大提高了工作效率，保證了隧洞的施工質(zhì)量、進(jìn)度和施工安全。