胡洪菊 廖有林

（1.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000；2.華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041）

0 引言

新疆某工程施工標(biāo)段長(zhǎng)距離隧道開(kāi)挖工程是由支洞與主洞洞室等構(gòu)成，主要采用TBM法施工。隧道內(nèi)存在作業(yè)環(huán)境條件差、空氣流動(dòng)性差、埋深大、隧道距離長(zhǎng)、施工作業(yè)條件復(fù)雜及施工洞內(nèi)布置難度高等特點(diǎn)，因此在隧道工程施工中，通風(fēng)起著舉足輕重的作用。隧洞通風(fēng)的好壞程度直接影響整個(gè)工程施工進(jìn)度的快慢，關(guān)系到工程的完成質(zhì)量，最重要的是涉及到隧道作業(yè)人員的人身安全、機(jī)械設(shè)備的工作穩(wěn)定性，以及項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性[1]。本文在充分考慮現(xiàn)場(chǎng)氣候、海拔等自然環(huán)境，綜合考慮降低通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本的基礎(chǔ)上，研究分析特長(zhǎng)隧道TBM法施工需風(fēng)量、工作面回風(fēng)速度需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓等，計(jì)算通風(fēng)設(shè)備的供風(fēng)量及設(shè)備功率，并提供設(shè)備選型、安裝方案等內(nèi)容。

1 工程概況

新疆某工程施工標(biāo)段隧道開(kāi)挖工程，支洞長(zhǎng)約6.243km，鉆爆法施工已經(jīng)完成；主洞采用兩臺(tái)國(guó)內(nèi)鐵建重工TBM上下游同時(shí)施工，洞徑7.0m，坡率1/2583，上游TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度20.635km，下游TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度19.635km[2]。為保證施工通風(fēng)，在上游主洞距支洞7.873km處和下游主洞距支洞7.427km處，分別設(shè)立通風(fēng)豎井各一座。

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

2.1 方案比選

通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

鑒于本工程隧道長(zhǎng)，考慮成本及實(shí)用性，結(jié)合TBM掘進(jìn)及輔助工序開(kāi)展時(shí)，可能產(chǎn)生粉塵、施工廢氣等情況，需向隧道內(nèi)及時(shí)輸送新鮮空氣，保證工作面空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。就上述3種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，宜選用隧道施工常用且通風(fēng)效率高的壓入式送風(fēng)方式[3]。

2.2 分段通風(fēng)

隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)，通風(fēng)難度較大，根據(jù)總體布局安排，將隧道施工期間通風(fēng)分為二個(gè)階段[4]。

（1）第一階段施工通風(fēng)。

TBM過(guò)豎井前：施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，上游TBM通風(fēng)距離長(zhǎng)度為14.136km（支洞6.243km+，主洞7.873km+，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口距洞口距離20m）,下游TBM通風(fēng)距離13.690km（支洞6.243km+，主洞7.427km+，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口距洞口距離20m）,在支洞口處設(shè)置兩套壓入式風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)管將隧道外的新鮮空氣送到TBM工作面。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，壓入式風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)功率宜保證隧道斷面風(fēng)速不小于0.5m/s[5]。

（2）第二階段施工通風(fēng)。

TBM過(guò)豎井后：上游TBM通風(fēng)距離長(zhǎng)度為12.762km，下游TBM為12.208km。TBM施工至豎井之后，將各自的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)至通風(fēng)豎井的風(fēng)機(jī)硐室內(nèi)，通過(guò)風(fēng)管將新鮮空氣送到TBM工作面。若豎井與主洞段通風(fēng)產(chǎn)生回流，在風(fēng)機(jī)洞室內(nèi)安裝風(fēng)門(mén)，風(fēng)門(mén)上只預(yù)留風(fēng)筒位置，阻止豎井與主洞段的通風(fēng)產(chǎn)生回流。

2.3 通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

通風(fēng)計(jì)算主要以最長(zhǎng)通風(fēng)距離（即第一階段施工通風(fēng)14.136km）計(jì)算，需要計(jì)算的內(nèi)容為隧道施工需風(fēng)量、工作面回風(fēng)速度需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓，由此進(jìn)行設(shè)備選型。

2.3.1 通風(fēng)計(jì)算基本參數(shù)

通風(fēng)計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道通風(fēng)計(jì)算基本參數(shù)

2.3.2 風(fēng)量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算確定隧道供風(fēng)量，風(fēng)量計(jì)算公式：

式中：

Q人——按洞內(nèi)最多工作人數(shù)計(jì)??；

Q風(fēng)——按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速計(jì)??；

Q機(jī)——按稀釋內(nèi)燃機(jī)車(chē)廢氣風(fēng)量計(jì)取。

（1）按洞內(nèi)最多工作人數(shù)計(jì)算風(fēng)量。

同時(shí)按工作的最多人數(shù)60人計(jì)算，則：

式中：

Q

人——施工人員所需風(fēng)量；

q——洞內(nèi)每一工作人員所需新鮮空氣，取3m3/min；

m——作業(yè)面同時(shí)作業(yè)的最多人數(shù)，取60人；

k——風(fēng)量備用系數(shù)，1.1～1.2，取1.2。

（2）按洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量。

根據(jù)規(guī)范，工作面附近的最小風(fēng)速不應(yīng)小于0.15m/s，最大風(fēng)速應(yīng)不大于4m/s，綜合考慮隧道內(nèi)人員、機(jī)械、設(shè)備等作業(yè)環(huán)境的要求，當(dāng)采用壓入式通風(fēng)，新鮮風(fēng)通過(guò)風(fēng)管直接輸送至TBM主機(jī)區(qū),TBM施工洞內(nèi)最小風(fēng)速取0.5m/s[6]。則：

式中：

Q風(fēng)——洞內(nèi)最小允許風(fēng)速情況下風(fēng)量；

Vmin——洞內(nèi)允許最小回風(fēng)風(fēng)速，0.5m/s；

S流——過(guò)流斷面面積，取34.7m2；

k——通風(fēng)備用系數(shù)，取1.2。

（3）按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量。

根據(jù)掘進(jìn)速度，洞內(nèi)每臺(tái)TBM最多可有4臺(tái)內(nèi)燃機(jī)小火車(chē)（每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為180kW），1臺(tái)在中部錯(cuò)車(chē)平臺(tái)待命，3臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，由于汽車(chē)平板車(chē)運(yùn)行區(qū)間只是從支洞至主洞洞口，對(duì)TBM主洞施工段所需風(fēng)量影響不大，暫不考慮平板車(chē)運(yùn)行所需風(fēng)量，則：

式中：

Q機(jī)——施工機(jī)械用風(fēng)量；

Q0——每千瓦動(dòng)力的空氣需求量，取4m3（/min·kW）；

∑W——同時(shí)在洞內(nèi)作業(yè)的內(nèi)燃機(jī)功率總和，kW，使用系數(shù)取0.5，3×180kW×0.5=270kW。

（4）洞內(nèi)需求風(fēng)量。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，洞內(nèi)最大需風(fēng)量Q需為21.6m3/s。

對(duì)應(yīng)斷面風(fēng)速34.7÷21.6＝1.61m/s，滿(mǎn)足風(fēng)速≥0.15m/s、≤4m/s的要求。

（5）風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。

根據(jù)風(fēng)管生產(chǎn)廠(chǎng)提供的技術(shù)指標(biāo)，風(fēng)筒直徑Φ2.2m，風(fēng)筒每100m漏風(fēng)率P100=0.15%，通風(fēng)距離總長(zhǎng)14.136km。據(jù)此計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)PL：

式中：

L——通風(fēng)距離，取14136m；

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，網(wǎng)站和軟件開(kāi)發(fā)在近年來(lái)快速發(fā)展，并由原來(lái)傳統(tǒng)的單機(jī)應(yīng)用架構(gòu)演變?yōu)榉植际郊簯?yīng)用架構(gòu)，零散的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分布式應(yīng)用架構(gòu)體系集中統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息爆炸的時(shí)代帶來(lái)的效應(yīng)就是大數(shù)據(jù)技術(shù)的產(chǎn)出，進(jìn)而推動(dòng)分布式計(jì)算和未來(lái)智慧城市的發(fā)展。

P100——100m漏風(fēng)率，取P100＝0.15%。

風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)為：

（6）風(fēng)壓計(jì)算。

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，通風(fēng)系統(tǒng)需要克服通風(fēng)阻力后風(fēng)筒末端風(fēng)流的動(dòng)壓，而克服阻力則取決于系統(tǒng)靜壓。

動(dòng)壓計(jì)算：

式中：

ρ——空氣密度，1.24kg/m3；

v——末端管口風(fēng)速，按控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量計(jì)算。

按照供風(fēng)筒直徑Φ2.2m，總長(zhǎng)14136m。

據(jù)風(fēng)筒廠(chǎng)提供的技術(shù)指標(biāo)，采用Ф2200mm PVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)筒，摩擦阻力系數(shù)α值取0.0025N·s2/m4；

供管道的摩擦風(fēng)阻：

式中：

α——摩擦阻力系數(shù)，取值0.0025 N·s2/m4；

L——管道的全長(zhǎng)，m；

U——管道的周長(zhǎng)，m；

S——管道的截面積，m2。

管道風(fēng)流沿程摩阻風(fēng)壓損失：

局部阻力：

系統(tǒng)靜壓：

系統(tǒng)風(fēng)壓：

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果，TBM施工選擇風(fēng)機(jī)需要提供不低于2900.02Pa的風(fēng)壓和27.43m3/s（1645.8m3/min）的風(fēng)量。

（7）風(fēng)機(jī)功率計(jì)算。

式中：

Q——風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；

H——風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓；

K——功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.15；

η——風(fēng)機(jī)工作效率，取85%。

式中：

η0——風(fēng)機(jī)內(nèi)效率，一般取0.75～0.85，小風(fēng)機(jī)取低值，大風(fēng)機(jī)取高值；

η1——機(jī)械效率，取1（風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)取1）。

結(jié)論：本隧道工程按14.136km長(zhǎng)度計(jì)算TBM風(fēng)機(jī)所需供風(fēng)量及風(fēng)機(jī)功率為：風(fēng)機(jī)風(fēng)量為27.43m3/s；風(fēng)機(jī)全壓為2920.02Pa；風(fēng)機(jī)功率為108.37kW。

2.3.3 通風(fēng)機(jī)選型

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)論和施工距離及出渣方式，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)合理，通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量、風(fēng)壓及電機(jī)功率應(yīng)選用不小于上述計(jì)算值給定的范圍。結(jié)合國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)供應(yīng)市場(chǎng)，考慮風(fēng)機(jī)工作穩(wěn)定性能，建議采用法國(guó)ECE、瑞典蓋雅等國(guó)際知名品牌風(fēng)機(jī)。風(fēng)筒可選擇常規(guī)型號(hào)Ф2200mm便于裝卸和維修的PVC拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)筒。通風(fēng)設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 T2.140.2×75.4風(fēng)機(jī)參數(shù)

表4 風(fēng)筒參數(shù)

3 設(shè)備安裝

3.1 風(fēng)機(jī)安裝

風(fēng)機(jī)支架底部支座應(yīng)采用混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)支架采用鋼結(jié)構(gòu)的硬性構(gòu)件。

風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置加強(qiáng)型柔性連接裝置，為保證風(fēng)機(jī)與連接構(gòu)件的工作穩(wěn)定性、安全性，增設(shè)附加設(shè)施以提高工作效率、減少漏風(fēng)。在風(fēng)機(jī)安裝時(shí)，通風(fēng)機(jī)的機(jī)軸必須保持水平，風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)用聯(lián)軸節(jié)連接時(shí)，兩軸中心線(xiàn)應(yīng)在同一水平高度上。為保證安裝風(fēng)機(jī)質(zhì)量及安全，應(yīng)先編制可行的安裝方案、同時(shí)對(duì)安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)教育。風(fēng)機(jī)安裝于支洞洞口或通風(fēng)豎井的風(fēng)機(jī)硐室內(nèi)的支架上，不妨礙其他設(shè)備運(yùn)行，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及其支架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及其支架結(jié)構(gòu)

3.2 風(fēng)筒安裝

風(fēng)筒懸掛于隧道正上方，掛設(shè)平、直，順，以減少風(fēng)管的局部阻力。在隧道頂部沿吊點(diǎn)線(xiàn)路打孔并安裝吊鉤（風(fēng)筒吊鉤縱向間距10m，采用Φ16mm，L=150mm鋼筋，尾部焊吊鉤，沖擊鉆打孔并錨固）；然后用Φ6mm鋼筋做拉筋，確保拉結(jié)緊實(shí)、可靠，用緊線(xiàn)器張緊核驗(yàn)，風(fēng)筒吊掛在拉筋下部。動(dòng)工使用前進(jìn)行表觀性檢查，檢查粘接縫牢固平順，保證無(wú)損壞，接頭完好嚴(yán)密。

通風(fēng)風(fēng)筒需隨著TBM掘進(jìn)的不斷前行同步向前延伸，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)筒的同步延伸，在TBM后配套尾部臺(tái)車(chē)上設(shè)軟風(fēng)筒儲(chǔ)存器。軟風(fēng)筒通過(guò)折疊存儲(chǔ)于分筒儲(chǔ)存器內(nèi)，此風(fēng)筒以雙拉鏈方式與已安裝新鮮風(fēng)筒連接，隨著TBM推進(jìn)的不斷前行，風(fēng)筒逐漸從風(fēng)筒存儲(chǔ)器中抽出，并懸掛在隧道拱頂上，從而實(shí)現(xiàn)一次通風(fēng)風(fēng)筒的同步延伸。支洞及主洞風(fēng)筒的布置與安裝如圖2、圖3。

圖2 支洞段風(fēng)筒布置圖

圖3 主洞段風(fēng)筒布置圖

第一階段風(fēng)機(jī)及軟風(fēng)筒安裝：TBM組裝后期，大件設(shè)備運(yùn)送至洞內(nèi)后，按設(shè)計(jì)線(xiàn)路打孔安裝TBM施工段風(fēng)筒；風(fēng)筒懸掛拉線(xiàn)并適時(shí)懸掛軟風(fēng)筒，此間洞口風(fēng)機(jī)安裝就位，TBM風(fēng)筒安裝完成后，軟風(fēng)筒與風(fēng)機(jī)聯(lián)接；然后拆除原支洞通風(fēng)風(fēng)筒，安裝TBM通風(fēng)系統(tǒng)支洞軟風(fēng)筒。支洞軟風(fēng)筒安裝全部完成后，各自與主洞TBM后配套風(fēng)筒儲(chǔ)存器完成聯(lián)接，通風(fēng)系統(tǒng)安裝完成。

第二階段風(fēng)機(jī)及軟風(fēng)筒安裝：TBM在后配套通過(guò)各自通風(fēng)豎井后，拆除支洞洞口風(fēng)機(jī)，運(yùn)至通風(fēng)豎井風(fēng)機(jī)硐室，完成支架及風(fēng)機(jī)安裝工作，按要求砌筑風(fēng)門(mén)，并在拐彎處安裝硬質(zhì)風(fēng)筒，硬質(zhì)拐彎風(fēng)筒風(fēng)機(jī)硐室端與風(fēng)機(jī)聯(lián)接，主洞端與后配套風(fēng)筒儲(chǔ)存器中軟風(fēng)筒相接，安裝完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

特長(zhǎng)隧道TBM法隧道施工中施工通風(fēng)是長(zhǎng)隧洞施工安全可靠的重要環(huán)節(jié)。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，通風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)的選擇與安裝是確保隧道施工進(jìn)度、工程質(zhì)量和施工人員人身健康的重要措施。目前行業(yè)中在設(shè)計(jì)通風(fēng)時(shí)主要考慮的是將自然環(huán)境中新鮮的空氣送至現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作面,而在隧道內(nèi)的濁氣通過(guò)風(fēng)機(jī)回風(fēng)量的計(jì)算相對(duì)較少，在一定程度上降低了自然環(huán)境中新鮮空氣在隧道工作面的有效利用率，以致隧道內(nèi)通風(fēng)效果不理想,應(yīng)綜合考慮各方面的影響因素以達(dá)到最優(yōu)的通風(fēng)效果。