吳燕升

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 高原長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)現(xiàn)狀

長(zhǎng)大隧道鉆爆法施工中，不僅鑿巖、爆破、出渣、混凝土噴射等作業(yè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和有害氣體，而且隧道中眾多的施工機(jī)械(如挖掘機(jī)、裝載機(jī)、出渣車等)也會(huì)排放有害氣體。

在高海拔地區(qū)，空氣稀薄，氣壓低、晝夜溫差大、空氣密度和含氧量降低，人機(jī)工作效率降低，風(fēng)機(jī)性能、內(nèi)燃機(jī)車燃燒和排放與平原有很大區(qū)別。尤其在半密閉的隧道施工環(huán)境中，爆破尾氣和內(nèi)燃設(shè)備工作排放廢氣，隧道空氣成分和氣壓變化使得施工通風(fēng)設(shè)計(jì)與平原存在較大差異。由于缺乏對(duì)高原隧道施工中有害氣體分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，高原通風(fēng)常常依據(jù)平原通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，普遍存在通風(fēng)效果不佳現(xiàn)象[1－2]。

目前，長(zhǎng)大隧道常用的施工通風(fēng)主要有壓入式、隔板式和巷道式等通風(fēng)技術(shù)。通風(fēng)方式一般為風(fēng)機(jī)＋風(fēng)管配置。長(zhǎng)距離通風(fēng)一直是隧道施工中的難題，而高原特長(zhǎng)隧道的施工通風(fēng)具有極大的挑戰(zhàn)性。

2 工程概況

某隧道為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)20 792.8 m，設(shè)貫通平導(dǎo)，最大埋深1 215 m。隧道進(jìn)口海拔3 220 m，出口海拔約3 720 m，1號(hào)橫洞洞口海拔3 262 m(長(zhǎng)1 854 m)，2號(hào)斜井洞口海拔3 820 m(長(zhǎng)3 905 m)，3號(hào)斜井洞口海拔3 825 m(長(zhǎng)3 205 m)。

2號(hào)斜井施工任務(wù):向進(jìn)口方向正洞掘進(jìn)1 440 m，向出口方向正洞掘進(jìn)2 166 m，總長(zhǎng)3 606 m，隧道正洞斷面面積100 m2，平導(dǎo)斷面面積30 m2，斜井?dāng)嗝婷娣e40 m2，依次為12% ＋3% ＋12%的連續(xù)下坡，隧道截面(7.5×7.5)m。隧道采用鉆爆法施工、無軌運(yùn)輸方式。

3 隧道施工通風(fēng)條件

2號(hào)斜井采用鉆爆法施工，海拔高、晝夜溫差大，含氧量不到平原地區(qū)的63%。洞內(nèi)局部有37℃～50℃和50℃ ～60℃溫?zé)崴巴咚褂砍?。掌子面有裝載機(jī)、挖機(jī)、出渣車、砼車等內(nèi)燃設(shè)備，斜井和平導(dǎo)施工總裝機(jī)功率約1 500 kW，正洞約1 750 kW。

為保證施工人員的健康和安全，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2019)和《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》(QC-R 9653—2017)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 通風(fēng)及供氧方案

考慮隔板式通風(fēng)施工的材料成本高及施工過程會(huì)中斷隧道施工等因素，經(jīng)研究比選采用一站壓入式通風(fēng)方案。

4.1 通風(fēng)布置

按整體施工組織安排，2號(hào)斜井施工通風(fēng)分三個(gè)階段。

第一階段:斜井自身掘進(jìn)，鉆爆法施工，采用一臺(tái)KD2X-1風(fēng)機(jī)進(jìn)行獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為3 905 m，施工通風(fēng)布置見圖1。

圖1 第一階段施工通風(fēng)布置

第二階段:斜井施工完成，正洞和平導(dǎo)同時(shí)掘進(jìn)，鉆爆法施工，采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)。兩臺(tái)KD2X-1、KD2X-2風(fēng)機(jī)各負(fù)責(zé)兩個(gè)作業(yè)面通風(fēng)，施工通風(fēng)布置見圖2。

圖2 第二階段施工通風(fēng)布置

第三階段:平導(dǎo)超前開挖，五個(gè)工作面同時(shí)工作，鉆爆法施工，采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)。KD2X-1風(fēng)機(jī)各負(fù)責(zé)兩個(gè)作業(yè)面通風(fēng)，KD2X-2負(fù)責(zé)有超前的三個(gè)作業(yè)面施工通風(fēng)，通風(fēng)布置見圖3。

圖3 第三階段施工通風(fēng)布置

以上施工階段，另設(shè)1臺(tái)同型號(hào)的KD2X-3風(fēng)機(jī)備用，保持良好狀態(tài)，10 min內(nèi)可正常運(yùn)行[3]。KD2X-1、KD2X-2、KD2X-3均為無極調(diào)速變頻軸流風(fēng)機(jī)。掌子面附近布置環(huán)境傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)氣體、粉塵狀況自動(dòng)反饋控制通風(fēng)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)運(yùn)行。

4.2 通風(fēng)量計(jì)算

鉆爆法施工通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)分別按最低風(fēng)速要求、洞內(nèi)最大工作人數(shù)、爆破排煙、稀釋和排除內(nèi)燃機(jī)械廢氣等因素的方法進(jìn)行隧道通風(fēng)量計(jì)算并確定通風(fēng)方式，同時(shí)根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正[4]。隧道工作面最小風(fēng)速為0.25 m/s。

4.2.1 作業(yè)面需風(fēng)量計(jì)算

需風(fēng)量計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 需風(fēng)量計(jì)算有關(guān)參數(shù)

工作面需風(fēng)量按以下因素考慮[5]:

(1)按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)計(jì)算

式中:Q1為洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)的需風(fēng)量(m3/s)；q為每個(gè)作業(yè)人員的需風(fēng)量，取4 m3/min；m為作業(yè)面同時(shí)作業(yè)人數(shù)；k為備用系數(shù)，取1.25。

(2)按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算

式中:Q2為洞內(nèi)允許最小風(fēng)速計(jì)算的需風(fēng)量(m3/s)；V為回風(fēng)速度(m/s)；A為隧道截面積(m2)。

(3)爆破排煙通風(fēng)量計(jì)算

式中:Q3為洞內(nèi)爆破排煙通風(fēng)量計(jì)算的需風(fēng)量(m3/s)；t為爆破排煙時(shí)間(min)；G為單次炸藥最大使用量(kg)。

(4)按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算

式中:Q4為洞內(nèi)稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算的需風(fēng)量(m3/s)；k為功率通風(fēng)計(jì)算系數(shù)；Ni為某類內(nèi)燃設(shè)備總臺(tái)數(shù)(臺(tái))；Mi為單臺(tái)柴油設(shè)備功率(kW)；Ti為各臺(tái)柴油機(jī)設(shè)備工作時(shí)柴油機(jī)利用率系數(shù)。

(5)按瓦斯涌出量計(jì)算

式中:Q5為瓦斯涌出量計(jì)算的需風(fēng)量(m3/s)；q為絕對(duì)瓦斯涌出量(m3/min)；n為洞內(nèi)瓦斯最大容許量，取0.5%；n0為進(jìn)風(fēng)中瓦斯百分?jǐn)?shù)，取0%；k為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.6。

工作面需風(fēng)量掌子面取最大值，Q＝MAX{Q1、Q2、Q3、Q4、Q5}，各工區(qū)作業(yè)面風(fēng)量取值見表2。

表2 工作面需風(fēng)量匯總

4.2.2 風(fēng)機(jī)需風(fēng)量計(jì)算

按照通風(fēng)最不利情況，進(jìn)行設(shè)備選型，并兼顧其他階段。選用單節(jié)長(zhǎng)風(fēng)管以及良好的管理，百米漏風(fēng)率可以降低0.5%以下，按0.5%計(jì)，見表3。

表3 風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算

4.3 風(fēng)壓計(jì)算

通風(fēng)最困難階段為第三施工通風(fēng)階段，斜井布置兩根2.4 m直徑風(fēng)管，正洞布置2.2 m直徑風(fēng)管，平導(dǎo)布置1.8 m直徑風(fēng)管。

風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓用來克服沿途所有阻力，在數(shù)值上等于風(fēng)管的沿程摩擦阻力和局部阻力之和。風(fēng)壓計(jì)算應(yīng)考慮沿程摩擦阻力和局部阻力[6]，見表4。

式中:P為風(fēng)管阻力(Pa)；λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3)；d為風(fēng)管直徑(m)；β為風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率；L為管路長(zhǎng)度(m)；Qf為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)量(m3/s)。

表4 管路阻力計(jì)算

4.4 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)上述計(jì)算的風(fēng)量、風(fēng)壓進(jìn)行設(shè)備選型，見表5。風(fēng)機(jī)初擬選擇TV(H)-系列高原型變頻軸流風(fēng)機(jī)，效率在84%以上[7]。

表5 風(fēng)機(jī)選型

4.5 風(fēng)管配置

施工完成的隧洞內(nèi)風(fēng)管單節(jié)長(zhǎng)度選用200～300 m。靠近工作面的鉆爆段，風(fēng)管可選單節(jié)20～50 m。風(fēng)管連接采用內(nèi)外襯雙密封及雙拉鏈連接，以減少接頭漏風(fēng)，減小漏風(fēng)率。

4.6 隧道富氧

2號(hào)斜井處于高原低氣壓環(huán)境中，隧道施工過程中粉塵多，柴油機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備耗氧多，洞內(nèi)含氧量更低，燃燒不充分后未燃碳?xì)浠衔?、CO等含量劇增。在嚴(yán)重缺氧環(huán)境下施工，不僅工作效率低，工程進(jìn)度和安全無法保證，而且作業(yè)人員的身體健康也將受到嚴(yán)重危害，甚至生命安全受到嚴(yán)重威脅。

資料表明[8]:海拔高度平均每上升1 000 m，柴油機(jī)車功率將損失10%，燃油消耗率上升9%左右。因此，在斜井洞口考慮增設(shè)低能耗制氧站以提高送入洞內(nèi)空氣的氧氣濃度，達(dá)到富氧狀態(tài)。

若提高隧洞內(nèi)氧濃度2%，需要產(chǎn)氧500 Nm3/h，配置一套高原低能耗UPSA-500/80制氧裝置，即可滿足要求[9－10]，可等效降低海拔600 m左右，柴油機(jī)車功率將較只通風(fēng)時(shí)增加6%，同時(shí)燃油消耗率下降5.4%左右[11－12]。相當(dāng)于同樣功率輸出，油耗降低近12%。

隧道富氧后，無需鼻吸管式吸氧或氧療站，人員工作狀態(tài)能大幅改善，工作效率提高。

4.7 智能化控制

2號(hào)斜井采用隧道智能化通風(fēng)供氧控制系統(tǒng)，在洞內(nèi)工作面布設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，收集洞內(nèi)氣體成分、瓦斯、溫度、濕度、風(fēng)速等各類數(shù)據(jù)，經(jīng)智能化終端處理，控制軸流風(fēng)機(jī)、制氧站工作狀態(tài)。

隧道通風(fēng)、供氧智能化控制系統(tǒng)由施工環(huán)境監(jiān)測(cè)、通風(fēng)供氧智能化設(shè)備、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能管理云平臺(tái)等組成，見圖4。

圖4 智能化控制原理

通風(fēng)、制氧站具有一鍵啟停功能，帶有手機(jī)端智能控制。智能管理系統(tǒng)可根據(jù)隧道內(nèi)氣體、粉塵狀況自動(dòng)反饋控制通風(fēng)和供氧量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。通過系統(tǒng)自身的自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，可顯著改善隧道內(nèi)部施工環(huán)境，并節(jié)電30%以上。

5 通風(fēng)供氧管理

以“合理布局、優(yōu)化匹配、防漏降阻、嚴(yán)格管理、確保效果”為方針，作為隧道施工通風(fēng)管理的指導(dǎo)原則，強(qiáng)化通風(fēng)管理。

采用雙電路的風(fēng)機(jī)通電，成立專業(yè)通風(fēng)維護(hù)班組，及時(shí)對(duì)通風(fēng)管路、制氧站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查、維護(hù)，確保施工期間高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 通風(fēng)效果監(jiān)測(cè)

為掌握2號(hào)斜井通風(fēng)、供氧和智能化控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果。將洞內(nèi)的采集傳感器嚴(yán)格校準(zhǔn)后，對(duì)比智能平臺(tái)所收集的洞內(nèi)環(huán)境信息和能耗情況，見圖5。

圖5 智能控制時(shí)隧道內(nèi)CO和粉塵監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:智能控制能保證洞內(nèi)施工環(huán)境良好，且節(jié)能27%左右。

7 結(jié)束語

高原某隧道2號(hào)斜井改隔板通風(fēng)為三階段獨(dú)頭壓入通風(fēng)方式和隧道整體富氧方案，通過電動(dòng)風(fēng)閥和智能化控制系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)面環(huán)境參數(shù)做風(fēng)量調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)工作面施工。加強(qiáng)通風(fēng)管理，提升洞內(nèi)氧濃度，以增加內(nèi)燃機(jī)車輸出功率，降低油耗和廢氣排放，降低了通風(fēng)和燃油消耗量，效益明顯。