任勇

（四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130）

0 引言

隨著我國水利工程建設(shè)行業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一些全流域和跨流域的水資源互補調(diào)水工程相繼開工建設(shè)，長距離輸水隧洞施工技術(shù)走在了世界前列。為加快開挖速度和保障施工人員的安全，選用全斷面掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）施工已成為隧洞掘進(jìn)的首選方案。TBM施工法是指用掘進(jìn)機(jī)開挖隧洞的施工方法，具有快速、高效、安全可靠、施工質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點。大埋深、長距離隧洞TBM設(shè)備在掘進(jìn)施工過程中的地?zé)岷驮O(shè)備運行發(fā)熱以及拱架焊接煙塵、錨噴和皮帶出渣的粉塵對現(xiàn)場作業(yè)人員的身體健康會產(chǎn)生較大的傷害，必須進(jìn)行合理的通風(fēng)設(shè)計。通風(fēng)設(shè)備的布置和選型、運行期的技術(shù)管理、防漏降阻、通風(fēng)監(jiān)測是保證現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康和工程建設(shè)順利推進(jìn)的基礎(chǔ)。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺腹地隧洞掘進(jìn)選用一臺Φ8.02m的開敞式TBM施工。標(biāo)段范圍包括：主洞由TBM后配套安裝洞、主機(jī)安裝洞、步進(jìn)洞、始發(fā)洞組成，總長18275 m；支洞的斜距、平距分別為5820.21m、5784m。工程平面布置見圖1所示。

圖1 工程平面布置圖

2 通風(fēng)布置

施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，分兩階段進(jìn)行通風(fēng)布置。第一階段：通風(fēng)管采用Ф2200mm軟風(fēng)管，風(fēng)管布置在隧道拱頂，利用膨脹掛鉤螺栓進(jìn)行單吊點形式懸掛[1]。風(fēng)機(jī)布置在3號支洞與主洞交叉口上游20m處的臺架上，設(shè)置風(fēng)門一道。風(fēng)管一端和風(fēng)機(jī)連接，新鮮風(fēng)從交叉口主洞上游提供，通過風(fēng)管將新鮮風(fēng)壓入作業(yè)面，TBM掘進(jìn)段采用后配套上安裝的接力風(fēng)機(jī)向掘進(jìn)面送風(fēng)，污風(fēng)從3號支洞排出。第二階段：第一階段施工完成TBM轉(zhuǎn)場于4號支洞出渣后，風(fēng)機(jī)采用第一階段時使用的風(fēng)機(jī)，安放于4號支洞與主洞交叉口上游50m處，設(shè)置風(fēng)門一道，新鮮風(fēng)從3號支洞和3號支洞與主洞交叉口上游提供，污風(fēng)從4號支洞排出。兩階段通風(fēng)示意圖見圖2、圖3所示。

圖2 第一階段通風(fēng)示意圖

圖3 第二階段通風(fēng)示意圖

3 通風(fēng)設(shè)備的選型

選取最不利工況條件進(jìn)行設(shè)備的選型分析，通過計算研究隧道施工和作業(yè)面回風(fēng)速度的需風(fēng)量及風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓和出口風(fēng)量進(jìn)行設(shè)備選型，計算參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備選型計算參數(shù)

3.1 風(fēng)量計算

重點考慮內(nèi)燃機(jī)車工作時的廢風(fēng)量和作業(yè)人員、最小回風(fēng)速度的需風(fēng)量，將風(fēng)量需求的最大值作為工作過程中的控制風(fēng)量[2]。

（1）作業(yè)人員需風(fēng)量的計算。

式中:q代表一個作業(yè)人員需風(fēng)量，取3m3/min；n為同時作業(yè)人員的最多數(shù)量，130人。

經(jīng)計算，Q人=390m3/min。

（2）最小回風(fēng)速度需風(fēng)量的計算。

式中：V代表洞內(nèi)的最小回風(fēng)風(fēng)速值，取0.5m/s；S代表開挖斷面，取50.52m2。

經(jīng)計算，Q風(fēng)=1515.6m3/min。

（3）按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計算風(fēng)量。

考慮在洞內(nèi)同時運行有4臺內(nèi)燃機(jī)車（功率180kW）和4輛汽車平板車（160kW）作業(yè)，由于汽車平板車運行區(qū)間只是從3號支洞至組裝洞，對TBM主洞施工段所需風(fēng)量影響不大，暫不考慮汽車平板車運行所需風(fēng)量。據(jù)此可根據(jù)TBM施工期間通風(fēng)效果酌情從組裝洞增加一臺射流風(fēng)機(jī)往洞外抽風(fēng)，增加回風(fēng)速度，按需供風(fēng)量3m3/min·kW，經(jīng)計算，Q內(nèi)為1080m3/min。

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，回風(fēng)速度所需風(fēng)量為關(guān)鍵因素，作為隧洞通風(fēng)的控制風(fēng)量。

3.2 風(fēng)管漏風(fēng)損失修正風(fēng)量

對風(fēng)管漏風(fēng)損失修正風(fēng)量，風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量Q機(jī)的計算公式為：

經(jīng)計算，Q機(jī)=2800.2m3/min。

3.3 系統(tǒng)風(fēng)壓計算

從理論上講，通風(fēng)系統(tǒng)在克服阻力后在風(fēng)管末端產(chǎn)生的風(fēng)流存在動壓，克服阻力主要由系統(tǒng)靜壓決定，需供風(fēng)壓是動壓與靜壓兩者的總和。

（1）動壓計算。

式中：ρ代表空氣的密度值，1.24kg/m3；v代表管口末端的風(fēng)速值，按控制設(shè)計通風(fēng)量計算，取6.65m/s；S風(fēng)代表風(fēng)管截面積值。

經(jīng)計算，h動=27.4Pa。

（2）靜壓計算。

沿程摩擦阻力的計算公式為：

式中：V平為風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速，V平=9.04m/s；Q機(jī)為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；Q需為風(fēng)量計算最大值。

局部阻力的計算公式為：

式中：∑ζ通過查表取系數(shù)值為1.3。

經(jīng)計算，系統(tǒng)靜壓值h靜=h摩+h局=4296.7Pa

（3）系統(tǒng)風(fēng)壓計算。

h=h動+h靜=4324.1Pa

3.4 通風(fēng)設(shè)備配置

通過計算，經(jīng)充分的市場調(diào)研選擇的通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見表2所示。

表2 主要通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表

4 通風(fēng)系統(tǒng)的安裝

4.1 風(fēng)機(jī)安裝

（1）風(fēng)機(jī)的支架安裝必須穩(wěn)定，防止在運行過程中產(chǎn)生振動，在風(fēng)機(jī)的出口位置采用柔性管和風(fēng)管之間連接，為減少漏風(fēng)，在風(fēng)機(jī)和柔性管相結(jié)合的位置處布置多道綁扎；

（2）通風(fēng)機(jī)的周圍5m范圍內(nèi)不能留有雜物，進(jìn)氣口處布設(shè)鐵箅，同時要裝設(shè)足夠的保險裝置；

（3）在洞內(nèi)的風(fēng)速低于通風(fēng)規(guī)定的最小風(fēng)速時，通過安裝射流風(fēng)機(jī)來增加風(fēng)速；

（4）選用小平板車移動洞內(nèi)風(fēng)機(jī)，在移動之前安裝好風(fēng)機(jī)的支座或支架；

（5）通風(fēng)機(jī)必須具有一定的備用數(shù)量。

4.2 風(fēng)管安裝

（1）風(fēng)管一定要選擇有出廠合格證，安裝之前對其外觀進(jìn)行檢查，確保粘接縫之間牢固平順和接頭之間的嚴(yán)密。通風(fēng)管宜選擇具有高強、阻燃和抗靜電的軟質(zhì)材料。

（2）風(fēng)管布置必須平直。在隧洞掘進(jìn)過程中，先由測量人員測出隧洞的中線，然后用電鉆進(jìn)行打眼之后安裝膨脹螺栓，布置Ф10mm的油性鋼絲繩。風(fēng)管的掛鉤通過單吊點的方式掛在拉線下[3]。

5 通風(fēng)管理

5.1 通風(fēng)一般管理

組建通風(fēng)班組，設(shè)置足夠的通風(fēng)技術(shù)人員，配置風(fēng)速儀和有害氣體檢測儀等。做好風(fēng)管的掛設(shè)和裝拆工作，每天堅持全線巡查，做到及時修補漏洞。操作過程中選用液壓升降操作臺進(jìn)行操作。

5.2 通風(fēng)技術(shù)管理

通風(fēng)技術(shù)管理主要有方案的實施、方案的及時調(diào)整、過渡方案設(shè)計、效果的檢測和評價等。

（1）方案的實施。通風(fēng)設(shè)計方案僅僅是一個大概模式，在現(xiàn)場實施的過程中要繪制詳細(xì)的實施圖?，F(xiàn)場技術(shù)人員按照設(shè)計圖和現(xiàn)場實際狀況，將方案具體化，制定詳細(xì)的實施細(xì)則。

（2）方案的及時調(diào)整。通風(fēng)方案通常按照具體施工組織和施工方案進(jìn)行制定，施工過程中根據(jù)地質(zhì)情況實時改變施工組織和施工方法。同時在增加工作面和運輸通道等情況下其通風(fēng)方案也隨之調(diào)整[4]。

（3）過渡方案的設(shè)計。通風(fēng)方案采取分階段的措施，不同的階段都有過渡的問題，相鄰階段的過渡一般需要兩天的時間間隔，技術(shù)人員要按照現(xiàn)場實際情況做好通風(fēng)的過渡措施。不能因為下一階段通風(fēng)方案的實施而影響正常施工。

（4）效果的檢測與評價。在通風(fēng)方案具體實施后，通過溫度、濕度、管路的進(jìn)出口風(fēng)量等項目指標(biāo)來檢查安裝質(zhì)量能否滿足設(shè)計要求。在具體方案實施后做到盡快測試，以便發(fā)現(xiàn)問題并做到及時修正。同時做好作業(yè)面有害氣體的監(jiān)測，來評價通風(fēng)管的安裝和維護(hù)質(zhì)量[5]。

5.3 防漏降阻措施

（1）選用內(nèi)部摩擦較小的風(fēng)管，布設(shè)要平直，不能有褶皺或扭曲現(xiàn)象。

（2）采用承壓的負(fù)壓風(fēng)管，所有的接縫、接頭均全密封式焊接，焊接區(qū)域?qū)?cm。懸掛掛鉤基布焊接在風(fēng)管布上，間距100cm。接頭采用拉鏈?zhǔn)浇宇^，為高強度PVC型。風(fēng)管接頭處內(nèi)外均有密封保護(hù)層，作用是管內(nèi)壓力越高，接頭處密封越緊密，確保不漏風(fēng)。另外，風(fēng)管采用防撕裂的加強筋風(fēng)管布，能有效防止風(fēng)管因發(fā)生小的破口而在高壓風(fēng)的作用下沿縱向繼續(xù)向兩側(cè)撕裂延伸的現(xiàn)象[6]。

（3）通風(fēng)管產(chǎn)生破損現(xiàn)象時要及時進(jìn)行更換或修補，選用軟風(fēng)管時，在風(fēng)機(jī)的出口200m左右使用負(fù)壓風(fēng)管。并且通風(fēng)管的每個節(jié)長做到盡可能地加長以減少接頭數(shù)量，每100m的平均漏風(fēng)率不能大于1%。彎管平面軸線的半徑要小于管徑的3倍。

（4）現(xiàn)場配置專職的風(fēng)管維修工，每個作業(yè)班做到對全部風(fēng)管的全面檢查，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行及時處理，輕微破損的管節(jié)用快干膠水進(jìn)行粘補，修補時先將破損位置進(jìn)行清潔打毛后再粘補；破損口的長度小于15cm時采取直接粘補措施；大于15cm時先將破口進(jìn)行縫合后再行粘補，當(dāng)修補面積超過損壞面積的30%時，操作完成10min后才能送風(fēng)[7]。

（5）由于洞內(nèi)的大面積滲水和溫度變化，導(dǎo)致風(fēng)管內(nèi)產(chǎn)生一定的積水，要及時檢查以便減小風(fēng)管的阻力及承重。

6 結(jié)束語

綜上所述，在大埋深、長距離 采用TBM施工的隧洞中，通風(fēng)設(shè)備的選型和管理非常重要。通風(fēng)對現(xiàn)場作業(yè)人員和TBM設(shè)備的安全有重大影響，同時也會直接影響到工程成本的控制。引漢濟(jì)渭嶺南TBM施工段的通風(fēng)布置根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)距離分兩個階段布置，從工程的運行實際情況來看，選取的通風(fēng)布置方案和設(shè)備的選型可以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求，能確保向洞內(nèi)掌子面送入足夠的新鮮空氣。