黃 禮 維

(中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

1 概 述

近年來,水利工程建設(shè)在全國范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注和重視,隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食危機(jī)等因素相互疊加和影響,致使水資源短缺、水污染、洪澇和干旱等問題愈發(fā)突出,進(jìn)而對(duì)水資源、水環(huán)境和水災(zāi)害管理提出了新的挑戰(zhàn),對(duì)水利工程建設(shè)提出了更高的要求。

由我公司承建的向家壩灌區(qū)北總干渠一期工程內(nèi)江供水管道自貢段,設(shè)計(jì)為混凝土襯砌后內(nèi)徑為2.4 m的圓形壓力輸水隧洞。該標(biāo)段共設(shè)置隧洞10座,總長度約為3 764.631 m,其中長度超過1 000 m的隧洞1座,為石塔村隧洞;其余隧洞的長度均小于1 000 m。石塔村隧洞的長度為1 226.77 m,該隧洞計(jì)劃施工總工期為710日歷天,且因隧洞進(jìn)口處部分農(nóng)戶處于爆破振動(dòng)范圍內(nèi),目前征遷工作難度較大。該隧洞計(jì)劃從出口位置采用礦山法單頭掘進(jìn),預(yù)計(jì)開挖施工進(jìn)度為3～5 m/d,平均進(jìn)度為4 m/d,計(jì)劃開挖施工工期約為300 d。

鑒于采用礦山法施工在隧洞內(nèi)爆破后會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體,如一氧化氮、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物等,隧洞內(nèi)爆破后長時(shí)間作業(yè)人員無法進(jìn)入而導(dǎo)致工序延后,工期勢必會(huì)受到影響。隨著隧洞施工作業(yè)的深入,洞內(nèi)有毒有害氣體聚集、氧氣濃度下降、粉塵濃度升高等問題將會(huì)相繼出現(xiàn),導(dǎo)致作業(yè)人員長期處于惡劣環(huán)境作業(yè),因此,必需將洞內(nèi)的粉塵和有害氣體排出洞外或稀釋到安全濃度,在了解粉塵和有害氣體產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上做到從源頭避免或減少其產(chǎn)生[1]。對(duì)于不同長度隧洞的通風(fēng)方式必須進(jìn)行科學(xué)的選擇,以為后續(xù)高節(jié)奏施工做好輔助工作,同時(shí)亦為洞內(nèi)施工創(chuàng)造良好的施工條件,加快施工進(jìn)度,確保施工安全[2]。 對(duì)于石塔村隧洞這種小洞徑長隧洞,其通風(fēng)系統(tǒng)必須24 h不間斷運(yùn)行,向隧洞內(nèi)輸送新鮮的空氣,以對(duì)洞內(nèi)有害氣體的濃度進(jìn)行稀釋,進(jìn)而改善隧洞內(nèi)的空氣質(zhì)量[3]。項(xiàng)目部技術(shù)人員針對(duì)該隧洞的實(shí)際情況,對(duì)目前常用的三種隧洞通風(fēng)方式具有的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較,以求找出適合該工程的通風(fēng)方式。

2 針對(duì)三種通風(fēng)方式進(jìn)行的比較與分析

2.1 壓入式通風(fēng)方式

壓入式通風(fēng)方式系指通過機(jī)械方式強(qiáng)制將新鮮的空氣壓入隧洞內(nèi),通過新壓入的新鮮空氣將洞內(nèi)污濁的空氣擠壓、稀釋排放至洞外,以實(shí)現(xiàn)隧洞內(nèi)空氣的流通,滿足作業(yè)人員及機(jī)械設(shè)備對(duì)氧氣的需求。壓入式通風(fēng)方式見圖1。

圖1 壓入式通風(fēng)方式示意圖

(1)優(yōu)點(diǎn)。提供新鮮空氣:壓入式通風(fēng)方式能夠?qū)⑿迈r的外部空氣直接壓入隧洞內(nèi)的掌子面,為掌子面的作業(yè)人員有效地提供充足的氧氣,改善掌子面作業(yè)人員的工作環(huán)境,保證作業(yè)人員的身心健康。通過設(shè)置合理的引風(fēng)點(diǎn)和風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)量的調(diào)控,可以精確地控制氣流的方向,使氣流均勻分布于隧洞內(nèi)的各個(gè)部位,將隧洞內(nèi)各部位的污濁空氣全部擠壓排出,防止有毒有害氣體的聚集,提高通風(fēng)的效果和質(zhì)量。壓入式通風(fēng)能夠?qū)⑾鄬?duì)較低溫的新鮮空氣引入隧洞,通過新鮮氣體與洞內(nèi)氣體的交換,能夠有效降低隧洞內(nèi)部的溫度,提供更為舒適的工作環(huán)境;特別是對(duì)一些高地?zé)岣邼穸拳h(huán)境的隧洞,壓入式通風(fēng)能夠有效解決掌子面作業(yè)人員的高熱高濕環(huán)境,提升作業(yè)人員的工作效率。壓入式通風(fēng)方式適用于各種類型的隧洞,無論洞徑大小,隧洞長短,其都可以通過合理設(shè)置風(fēng)機(jī)功率和數(shù)量實(shí)現(xiàn)需要的通風(fēng)效果。

(2)缺點(diǎn)。壓入式通風(fēng)需要借助大功率的風(fēng)機(jī)將空氣壓入隧洞,因此而需要消耗大量的能源,增加能耗成本;鑒于通風(fēng)過程中其風(fēng)量損失較大,若要在掌子面達(dá)到預(yù)期的風(fēng)量,就必須加大風(fēng)機(jī)的功率,勢必造成能源消耗的增加。為實(shí)現(xiàn)壓入式通風(fēng),需要在隧洞內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的管道設(shè)備,進(jìn)而增加了施工及維護(hù)的工作量;隧洞內(nèi)的機(jī)械設(shè)備、隧洞走向、結(jié)構(gòu)物、洞壁的摩擦阻力以及其他阻礙物都會(huì)對(duì)氣流造成阻力而降低通風(fēng)效果。由于隧洞內(nèi)產(chǎn)生的廢氣、煙塵、有毒有害氣體等主要集中在掌子面,而壓入的新鮮空氣直達(dá)掌子面后將廢氣、煙塵、有毒有害氣體擠壓到已挖掘出的隧洞排出,導(dǎo)致整個(gè)隧洞除掌子面外長期處于污染狀態(tài)。

2.2 吸出式通風(fēng)方式

吸出式通風(fēng)方式系指通過機(jī)械的方式將隧洞內(nèi)的污濁空氣抽出來,洞外的新鮮空氣隨著氣壓和氣流變化進(jìn)入隧洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣的流通。吸出式通風(fēng)方式見圖2。

圖2 吸出式通風(fēng)方式示意圖

(1)優(yōu)點(diǎn)。吸出式通風(fēng)方式能夠?qū)⑺矶磧?nèi)掌子面的污濁空氣抽出,保持洞內(nèi)空氣清新,減少有害氣體和粉塵對(duì)作業(yè)人員的影響,提高其工作環(huán)境的質(zhì)量。通過抽出隧洞內(nèi)的熱空氣和濕氣,吸出式通風(fēng)可以有效降低隧洞內(nèi)部的溫度和濕度,提供更為舒適的工作環(huán)境;吸出式通風(fēng)在掌子面吸出大量的污濁空氣,洞外新鮮的空氣隨著洞內(nèi)的氣壓變化進(jìn)入隧洞內(nèi),在已開挖的隧洞內(nèi)除了掌子面外其整體均為新鮮的空氣。

(2)缺點(diǎn)。需要排放污染物:吸出式通風(fēng)方式將污濁的空氣排放到隧洞外,在設(shè)備安裝的附近可能會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定的污染,需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理和凈化以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求;吸出式通風(fēng)需要使用大功率風(fēng)機(jī)連續(xù)不停工作抽出污濁的空氣,特別是對(duì)于洞徑較大的隧洞,吸出污濁空氣的速度慢,時(shí)間長,因此需要增加、消耗一定的能源,導(dǎo)致能耗成本直線增大;隧洞的走向、吸出管道的摩阻、管道的密封性等因素均會(huì)影響氣流的行走速度和效率,可能導(dǎo)致吸出式通風(fēng)效果不佳;在掌子面吸出污濁空氣的重點(diǎn)主要為吸出口的布置和數(shù)量,若掌子面面積過大,污濁空氣吸出的速度整體較為緩慢,將對(duì)后續(xù)作業(yè)工序造成影響。

2.3 混合式通風(fēng)方式

混合式通風(fēng)方式系指通過同時(shí)采用壓入式和吸出式通風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的方法。混合式通風(fēng)方式見圖3。

圖3 混合式通風(fēng)方式示意圖

(1)優(yōu)點(diǎn)。綜合利用優(yōu)勢:混合式通風(fēng)方式結(jié)合了壓入式和吸出式通風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn),既能夠提供新鮮空氣,又能夠有效排除污濁空氣,提高通風(fēng)效果。通過合理設(shè)置壓入口和抽風(fēng)口的位置和數(shù)量,可以根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)節(jié)通風(fēng)量,滿足不同工況下的通風(fēng)要求;混合式通風(fēng)方式適用于各種類型的隧洞,可以根據(jù)具體情況選擇合適的通風(fēng)方式,提供最佳的通風(fēng)效果。

(2)缺點(diǎn)。設(shè)備的安裝與維護(hù)復(fù)雜:混合式通風(fēng)方式需要同時(shí)安裝壓入口和抽風(fēng)口的設(shè)備并進(jìn)行相應(yīng)的管道布置,進(jìn)而增加了施工和維護(hù)的難度;混合式通風(fēng)方式需要同時(shí)使用壓入式和吸出式通風(fēng)設(shè)備,因此其能耗較大,導(dǎo)致能耗成本增加;混合式通風(fēng)方式需要綜合考慮壓入式和吸出式通風(fēng)的因素,包括氣流分布、風(fēng)機(jī)功率等,需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)試;同時(shí)還需考慮在隧洞開挖初期與后期隧洞的通風(fēng)距離不一致,既要在初期隧洞較短時(shí)減小設(shè)備功率,又要在后期隧洞較長時(shí)能夠滿足通風(fēng)要求。

3 三種通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析

3.1 通風(fēng)效果

壓入式通風(fēng)方式通過提供新鮮空氣、控制氣流方向、降低空氣溫濕度以及適用性廣泛等特點(diǎn),對(duì)掌子面的空氣流通和置換具有良好的通風(fēng)效果。吸出式通風(fēng)方式通過定點(diǎn)吸出污濁空氣、降低溫度和濕度等特點(diǎn),對(duì)整個(gè)隧洞的新鮮空氣流通和置換具有較好的通風(fēng)效果。混合式通風(fēng)方式通過綜合利用優(yōu)勢、靈活調(diào)節(jié)通風(fēng)量和適用性廣泛等特點(diǎn),在污染較小時(shí)可以采用壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)的單機(jī)使用模式;在爆破后或長時(shí)間累積空氣污染嚴(yán)重時(shí)可以聯(lián)合使用,進(jìn)而可以提升隧洞整體的通風(fēng)效果。

鑒于該項(xiàng)目隧洞洞徑較小,施工過程中的可用空間小,只能按照順序施工作業(yè)方式,在開挖作業(yè)過程中主要集中在掌子面作業(yè),因此,從通風(fēng)效果進(jìn)行分析,優(yōu)先選擇的通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)。

3.2 能耗

鑒于該項(xiàng)目隧洞通風(fēng)方式的選擇系采用計(jì)算風(fēng)量選擇設(shè)備的方式,可通過設(shè)備的功率進(jìn)行能耗對(duì)比分析。其風(fēng)量的計(jì)算為:

(1)按照洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量Q1:

Q1=q×m×k

式中:q為每人每分鐘呼吸所需的新鮮空氣量,取4.0 m3/人;m為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù),取25人;k為風(fēng)量備用系數(shù),取1.2。

計(jì)算得到:Q1=120 m3/min。

(2)按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量Q2:

Q2=60×v×A

式中:v為工作面最小風(fēng)速,全斷面開挖時(shí)取0.15 m/s;A為掘進(jìn)面積,隧洞襯砌完成后半徑為120 cm,隧洞襯砌厚度為40 cm,初支厚度為15 cm,超挖控制按照5 cm計(jì)算,則隧洞掘進(jìn)面積A=πr2=10.2 m2。

計(jì)算得到:Q2=91.8 m3/min。

(3)洞內(nèi)使用的設(shè)備均為電動(dòng)設(shè)備,故不考慮內(nèi)燃機(jī)廢氣。

(4)以上計(jì)算結(jié)果取最大值Q=Max (Q1,Q2)=120 m3/min 作為控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量。

(5)考慮漏風(fēng)因素計(jì)算:

式中:L為通風(fēng)距離,該工程隧洞最長為1 226.77 m,擬計(jì)劃單頭掘進(jìn)1 000 m,則通風(fēng)距離選擇為1 000 m;P100為百米漏風(fēng)率,取2%。

計(jì)算得到:P=1.25。

則其風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量應(yīng)不小于Qmax=Q×P=150 m3/min。

通過計(jì)算得知風(fēng)機(jī)的最小供風(fēng)量滿足150 m3/min即可。經(jīng)過市場信息匹配,采用壓入式通風(fēng)電機(jī)功率約為2×5.5 kW(11 kW)即能夠滿足通風(fēng)風(fēng)量的要求;采用吸出式通風(fēng)電機(jī)則需要采用7.5 kW功率電機(jī)方能夠達(dá)到吸出風(fēng)量要求;若采用混合式通風(fēng)方式則需要選擇壓入式電機(jī)功率為2×2.2 kW(4.4 kW),吸出式電機(jī)功率為5.5 kW,合計(jì)電機(jī)功率為9.9 kW方能夠達(dá)到通風(fēng)風(fēng)量的要求。

從能耗方面分析得知:吸出式通風(fēng)設(shè)備的功率小于混合式通風(fēng)設(shè)備的功率,混合式通風(fēng)設(shè)備的功率小于壓入式通風(fēng)設(shè)備的功率。若僅從能耗方面考慮,可以選擇吸出式通風(fēng)方式。

三種通風(fēng)方式的主要設(shè)備均采用電動(dòng)機(jī),其消耗電力能源,較其他工程常用的機(jī)械設(shè)備采用內(nèi)燃機(jī)消耗化石能源,通風(fēng)工程屬于“環(huán)保衛(wèi)士”。

3.3 安全性

三種通風(fēng)方式的主要設(shè)備一般均設(shè)置在洞口,其用電和設(shè)備安全能夠得到保障;壓入式通風(fēng)采用PVC 增強(qiáng)塑纖布拉鏈?zhǔn)溅?00風(fēng)管,具有質(zhì)量輕巧、安裝簡便、風(fēng)量損失大、使用安全性高等特點(diǎn),安裝前必須檢查風(fēng)袋是否有漏風(fēng),風(fēng)袋吊掛與隧洞拱頂平直以確保通風(fēng)安全[4];吸出式通風(fēng)風(fēng)管一般采用鋁合金或鐵板制成通風(fēng)管,其具有一定的剛度和硬度,運(yùn)輸和使用較為繁雜,風(fēng)量損失小,安裝工藝復(fù)雜、損壞維修和更換難度大、成本高、占用空間體積大等特點(diǎn);混合式通風(fēng)風(fēng)管采用了具有壓入式通風(fēng)和吸出式通風(fēng)兩種特點(diǎn)的材料,能夠滿足混合式通風(fēng)的要求,但其占用空間最大,對(duì)各工序施工影響大,安全風(fēng)險(xiǎn)更高。鑒于該隧洞的開挖直徑僅為3.6 m,隧洞內(nèi)的可用空間較小,建議采用壓入式通風(fēng)方式。

在通風(fēng)過程中,筆者建議安裝通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過所安裝的監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速和空氣質(zhì)量等,以確保通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,降低隧洞內(nèi)施工作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn),提升通風(fēng)效果[5]。

4 結(jié) 語

綜上所述,該項(xiàng)目對(duì)隧洞通風(fēng)方式的選擇主要從通風(fēng)效果、能耗、安全性進(jìn)行了分析,經(jīng)過比較后認(rèn)為:壓入式通風(fēng)除能耗較高外,通風(fēng)效果和安全性均優(yōu)于其他兩種通風(fēng)方式。在充分考慮掌子面作業(yè)人員的健康要求后,該項(xiàng)目最終選擇了壓入式通風(fēng)方式。筆者建議:類似水利工程小洞徑長隧洞選擇通風(fēng)方式時(shí),應(yīng)綜合考慮工程工期要求、施工技術(shù)方案選擇、炸藥的類型等,深入了解施工現(xiàn)場的實(shí)際情況,最終根據(jù)各種具體需求,結(jié)合壓入式通風(fēng)、吸出式通風(fēng)和混合式通風(fēng)的特點(diǎn),選擇出最適合的通風(fēng)方式。同時(shí),還需要考慮工程成本、通風(fēng)效果和維護(hù)難度等因素,做出合理的決策。