張春浩

(中鐵二十五局集團有限公司 廣東廣州 511455)

1 工程概況

百吉嶺隧道是新建揭陽至惠來鐵路最長隧道，是全線控制性工程之一，全長9 814.54 m，設輔助坑道一處——烏豐斜井。該斜井位于線路前進方向左側，與隧道正洞交于DK61＋900里程處，與線路大里程方向平面夾角為81°，為反坡隧道，最大坡率10.98%，綜合坡率9.86%，斜井線路設兩處轉彎，轉彎半徑100 m，總體呈“Z”字形分布，斜井展平長2 414 m。根據(jù)施工任務劃分，斜井需承擔正洞3 773 m施工任務，其中大里程2 019 m，小里程1 754 m。斜井最長通風距離達4 433 m。該隧道主要為花崗巖地質，透水性差，地熱溫度較高，最大埋深426 m，施工過程中產生的煙塵、有毒有害氣體及開挖、支護過程中圍巖及混凝土釋放的熱量均難以及時有效排出，洞內作業(yè)環(huán)境較差，施工安全和進度面臨極大風險和壓力。因此如何解決該斜井施工期間的通風問題，成為該課題研究的核心。

2 通風方案研究

2.1 技術方案比選

烏豐斜井通風設計，首先擬采用常規(guī)管道洞口壓入式通風方案。

2.1.1 常規(guī)洞口壓入式通風方式

根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》(Q/CR 9653—2017)規(guī)定[1]，風量計算主要從四個方面考慮。經(jīng)計算后，取四者中最大值。再考慮風管的損失率，即可確定洞內所需的總供風量Q，從而確定風機的功率和風管直徑。計算參數(shù)見表1。

表1 通風計算參數(shù)

經(jīng)計算可知，隧道工作面需風量影響最大的因素為:洞內作業(yè)設備產生的廢氣稀釋所需風量[2]。

根據(jù)上述參數(shù)分別計算出斜井段風量3 019 m3/min，風壓 4 533 Pa；正洞段風量 4 096 m3/min，風壓10 421 Pa。風機選型見表2。

表2 風機選型

按此通風方式，若要滿足正洞正常施工通風要求，風機所需風量和風壓均非常大，所需風管直徑需要達到1.8～2 m。若采用1.8 m風管，風機的各項性能指標均達到極限狀態(tài)，隨著運行時間的推移，風機功效必然下降，洞內通風將很難達到要求。若采用2 m直徑的通風管，需要擴大斷面尺寸才能滿足正常的通風需求。

另外單線隧道本身斷面小，襯砌臺車風管穿行孔僅能滿足1.8 m直徑風管通過，若采用2.0 m直徑風管，需從臺車行車通道穿過，這樣對洞內施工運輸及設備通行影響非常巨大，一旦出渣通風就無法開啟，因此無法滿足要求。

若采用接力通風方式，則存在以下幾個問題:

(1)接力通風未考慮洞口風機的風量損失，但在實際使用過程中不可能沒有風量損失，那么實際上接力風機所獲取的新鮮空氣量是不足的[3]。

(2)接力通風正是由于洞口風機存在風量損失，因此在接力過程中，必須采用斷開串聯(lián)方式，否則將會在串聯(lián)口形成負壓區(qū)，若采用風管與串聯(lián)風機相連，會造成風管破損，從而影響通風。

(3)由于串聯(lián)風機采用斷開串聯(lián)方式，并且新鮮空氣不足，必然會造成串聯(lián)風機吸入大量的污濁空氣，這樣掌子面的空氣將會變得更加污濁。整個隧道內空氣質量也會變得很差。長期吸入污濁空氣，對風機性能也會帶來極大傷害，導致風機故障率升高，維修保養(yǎng)困難。

(4)串聯(lián)風機能耗高，效果差，給洞內安全管理將會帶來極大隱患。

綜上所述，接力通風無法滿足施工要求。

2.1.2 豎井通風方案

2.1.2.1 方案研究

根據(jù)上述常規(guī)壓入式通風計算可知，縮短通風距離是滿足掌子面通風量和通風壓力最直接、最有效的方式[4]。因此考慮在 XDK0＋700X～DK0＋850段增設一座通風豎井，作為新鮮空氣進入的通道，那么掌子面的通風距離將被縮短1 600 m左右，正洞施工最遠通風距離為2 833 m。

擬采用二階段通風措施:第一階段為斜井施工階段，長度2 414 m，可以按照原設計從洞口壓入式通風來進行選型。通過豎井位置且進入正洞后，改用第二階段通風方案[5]。通風方式采用豎井連接風室，引入新鮮空氣，在風室里設置風機架，分別采用雙排通風管接入到左右兩側的施工掌子面。

經(jīng)計算，正洞施工段需風量4 223 m3/min，風機壓力5 227 Pa。最終正洞風機選型見表3。

表3 正洞風機選型

根據(jù)計算采用增設通風豎井，正洞段通風可采用4×110 kW的風機，1.8 m直徑風管可滿足正洞內供風量要求。斜井中部根據(jù)需要，適當增加2組射流式風機抽出至斜井洞外[6]。

2.1.2.2 豎井直徑的選擇

豎井直徑應根據(jù)作業(yè)面通風量計算來確定，進入正洞后單側掌子面最大供風量為3 019 m3/min，風室提供風量是其2倍，即6 038 m3/min，根據(jù)《客貨共線鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》風速驗算公式，，其中V為巷道允許最大風速，取V＝15 m/s，算出S＝6.71 m2，得出豎井直徑D＝3 m。豎井與斜井結構見圖1、圖2。

圖1 豎井平面示意(單位:cm)

圖2 豎井立面示意(單位:cm)

因此采用豎井來縮短通風距離，從方案上看是可行的。

2.2 經(jīng)濟性比選

采用常規(guī)壓入式通風方式與采用豎井分階段通風方式，從經(jīng)濟上來對比，見表4。

表4 經(jīng)濟比選

該增設豎井通風方案與常規(guī)通風方案比選邀請了國內知名專家深入研究并提出評審意見，認為烏豐斜井施工線路長，線形轉彎多，地質復雜，對洞內施工環(huán)境影響較大，采用接力通風效果差，能耗高，且管理難度大，安全風險高，不建議采用接力通風；一致認為增加通風豎井是很有必要的。

3 豎井施工

3.1 豎井位置選址

要合理地選擇豎井平面位置，首先應避開隧道斷裂帶，避免大量裂隙水進入斜井工區(qū)洞內；其次豎井平面位置不得設置在斜井洞身斷面內，應離開斜井平面不小于10 m，采用增加橫洞連接豎井。根據(jù)現(xiàn)場實際情況調查，計劃在斜井XDK0＋835往正洞方向右側15 m的位置設置一座豎井，地面進口與斜井洞底的高差約210 m。

3.2 豎井施工方法

一般具有出渣條件的豎井會采用“反井法”[7]，反井鉆法主要有利于出渣，分為導孔鉆進、擴孔鉆進兩個階段。反井鉆施工示意見圖3[8]。

圖3 反井鉆作業(yè)示意

反井鉆機施工具有速度快、安全保障度較高等特點[9]。在反井鉆機施工過程中，導孔垂直度控制是關鍵，需不斷修正糾偏。要注意搭設穩(wěn)定的鉆井平臺，主機安裝精確，并合理配置穩(wěn)定鉆桿，合理控制鉆進參數(shù)。導孔施工時排碴應采用泥漿泵將高壓洗井液注入鉆桿內，再從鉆頭的排水孔反向壓出，擴孔時的石碴經(jīng)過冷卻水的沖刷，靠自重墜落到斜井內，運出洞外[10]。工藝流程見圖4。

圖4 反井鉆機施工工藝流程

3.3 豎井施工進度計劃

根據(jù)工程技術特性，選用型號為 TR2000型的反井鉆機施工。按照整體施工計劃安排，反井鉆導孔每天進尺10 m，導孔施工約需21 d；反井鉆擴挖進度按每天約6 m，豎井主體施工周期約35 d；組裝、安裝刀盤3 d，拆機、轉運3 d，風室施工周期約20 d；完成豎井施工共需82 d。應在斜井施工進入正洞前完成豎井通風方案切換，銜接好工期。

3.4 風室設計

考慮風管的布置條件和通風損失因素，采用22°斜交角度，擴挖橫通道處理。風室平面尺寸為長22 m，寬度5 m，高度不低于斜井洞身。主要考慮安置2臺高壓風機。風室外露面采用鋁塑板全封閉。

4 斜井段通風施工注意事項

4.1 管線的整體布置

烏豐斜井管線布置采用角鋼支架交織有序地布置在側墻上。施工電線、電纜在已澆筑完二襯混凝土拱墻段采用絕緣掛鉤固定，為防止溜車剮蹭，電線布設高度必須比運輸車輛高，一般運輸車輛高度3.5 m，動力線高度3.9 m，照明線高度3.6 m；風袋吊掛位置距離仰拱填充面6.15 m，風管直徑為1.8 m，風袋底面距離仰拱填充面4.65 m左右；不會碰到動力線，高壓水管、風管、排水管采用支架固定于邊墻上，具體現(xiàn)場布置見圖5。

圖5 隧道施工現(xiàn)場綜合布置

風管安裝應平直、圓順、穩(wěn)定、牢靠。通風管路轉彎處應安設剛性彎頭，即在轉彎處做成彎頭風筒圓順過渡，里面加鋼圈，增加剛度，兩端采用拉鏈與直線段風管順接[11]。并且彎度平緩，以減小風阻。通風管穿過襯砌臺車，放于臺車的橫梁上，通過防水板臺架時置于二襯內側，并采用φ22螺紋鋼定位，鋼架上綁鐵絲，再由鐵絲成環(huán)型固定風管。

4.2 通風基站的安裝

通風機距離洞門應在30 m左右，出風口距掌子面保持在30 m左右，風機門架材料采用 20工字鋼，由5榀鋼架組合而成。門架頂面采用角鋼焊接風機檢修平臺，門架側面采用角鋼或不小于φ20螺紋鋼筋焊接風機檢修上下爬梯。通風機門架頂面以及檢修平臺頂面鋪設φ14螺紋鋼鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm。

5 通風管理

安排通風管理專職人員在隧道進出口及風室，負責通風系統(tǒng)的管理、設備檢修、測試風速、風壓等工作。還應對現(xiàn)場通風效果進行檢測，根據(jù)檢測結果及時對通風系統(tǒng)作局部調整，保證洞內有害氣體濃度在通風30 min后分別降到容許值之下。

6 結束語

通過揭惠鐵路百吉嶺隧道烏豐斜井施工通風設計多種方案的研究和比選，選擇利用了壓入式通風結合豎井通風的方案。實踐證明，該方案可行且比較成功。豎井不但可作為施工期間通風降溫使用，也可作為鐵路運營后的通風和緊急通道使用，節(jié)省了施工成本，縮短了工期，達到了良好的通風效果，對以后長大隧道設計及施工有很好的借鑒作用。