夏春華

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇 南京 211899)

0 引言

近幾年以來,為了滿足日益增長的客流量需求,隧道工程的數(shù)量逐漸增多,特長隧道[1-2]、特大斷面隧道[3-4]、超深埋隧道[5-6]逐漸涌現(xiàn)。其中,由于特長隧道穿越地層距離較長,相較之下隧道洞身穿越地層條件更為復(fù)雜,施工面臨的涌水[7]、巖爆[8]、軟巖大變形[9]等不良地質(zhì)更多,施工難度更大。與此同時,由于特長隧道掘進(jìn)距離長,隧道內(nèi)一氧化碳、二氧化碳、瓦斯等有毒有害氣體更易積聚,當(dāng)有毒有害氣體濃度超標(biāo)時,不僅會降低作業(yè)人員施工效率,影響工程進(jìn)度,還會對作業(yè)人員生命安全造成嚴(yán)重威脅,為了確保施工安全,保障施工進(jìn)度,研究隧道施工通風(fēng)方案具有重要意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對隧道施工通風(fēng)進(jìn)行了大量研究,陳仲軍[10]借助ANSYS有限元軟件對廣東省赤竹坪隧道通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬,對隧道需風(fēng)量、風(fēng)壓等進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)合數(shù)值結(jié)果評價了隧道的通風(fēng)效果;徐忠衛(wèi)等[11]依托云南省某一螺旋隧道為工程背景,結(jié)合數(shù)值計(jì)算和室內(nèi)模型試驗(yàn),研究分析了隧道風(fēng)筒布置位置以及風(fēng)速對隧道的影響,研究結(jié)果表明,風(fēng)速對隧道施工通風(fēng)的影響大于風(fēng)機(jī)布置位置的影響。朵生君等[12-13]研究了TBM特長隧道的施工通風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn),提出了特長隧道在壓入式獨(dú)頭通風(fēng)距離極限時可以通過增加風(fēng)機(jī)臺數(shù)的方式來增加單臺壓入式通風(fēng)極限距離。Wang等[14]通過物理模型實(shí)驗(yàn)研究了互補(bǔ)式通風(fēng)的可行性以及互換風(fēng)量對隧道通風(fēng)的影響。結(jié)果表明,雙管互補(bǔ)通風(fēng)的技術(shù)方案是可行的,下坡的新鮮空氣通過橫通道流入上坡隧道,使得上坡隧道內(nèi)部的污染物濃度降低;污染空氣通過橫通道流入下坡隧道,使得隧道內(nèi)的風(fēng)速降低,從而得到良好的通風(fēng)效果。

綜上,國內(nèi)外學(xué)者在隧道施工通風(fēng)的通風(fēng)效果、通風(fēng)距離及風(fēng)速對施工通風(fēng)的影響方面做了大量研究,而對特長隧道多工作面施工通風(fēng)的研究還較少。本文以新建深圳至深汕合作區(qū)鐵路龍崗隧道為工程背景,通過對風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選型完成了特長隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì),研究結(jié)果可為類似工程提供一定參考依據(jù)。

1 工程概況

新建深圳至深汕合作區(qū)鐵路龍崗隧道位于深圳市龍崗區(qū),隧道全長約18.2 km。其中,SSSG-7標(biāo)段施工范圍為DK93+283—DK103+590,總長10 307 m,標(biāo)段內(nèi)隧道采用礦山法+盾構(gòu)法施工,其中礦山法段采用4座斜井(嶂背斜井、大福斜井、大與斜井、園山斜井)輔助施工;盾構(gòu)段隧道外徑為13.8 m,內(nèi)徑為12.6 m,片厚為0.6 m,管片環(huán)寬為2 m,項(xiàng)目平面圖如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙鉆探結(jié)果顯示,龍崗隧道有毒有害氣體主要為二氧化碳,無其他有毒有害氣體,為保證施工效率,隧道掘進(jìn)時需保證作業(yè)空間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)低于0.5%。

2 斜井風(fēng)機(jī)布置方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工工作面安排,龍崗隧道施工采用各輔助坑道洞口獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式,最大通風(fēng)長度2 279 m,最大通風(fēng)面積152.4 m2。通過對風(fēng)量、風(fēng)壓進(jìn)行科學(xué)論證,合理選用通風(fēng)設(shè)備,在滿足通風(fēng)效果的前提下,進(jìn)行合理調(diào)配風(fēng)機(jī)的數(shù)量,在隧道凈空允許的情況下,采用大直徑風(fēng)管,減少能耗損失。

2.1 嶂背斜井風(fēng)機(jī)布置

嶂背斜井與正洞交于DK93+330斷面處,平面交角為51°6′45″,斜井長855 m,斜井坡度為10%,斜井井身共設(shè)置長30 m的緩坡道3處,利用緩坡段設(shè)置安全防撞裝置,緩坡段坡度均為2%,斜井洞口標(biāo)高79.057 m,斜井與正洞交接標(biāo)高-5.36 m,高差84.317 m,斜井運(yùn)營期間作為避難所使用,同時作為排水通道和養(yǎng)護(hù)維修通道,按永久工程設(shè)計(jì),采用復(fù)合式襯砌。根據(jù)施工條件隧道采用壓入式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)布置如圖2所示。

2.2 大福斜井風(fēng)機(jī)布置

大福斜井與正洞交于DK96+020斷面處,平面交角為135°12′24″,斜井長718 m,坡度為9.46%,大福斜井作為運(yùn)營期的避難所,斜井井底設(shè)80 m長緩坡段,斜井井身設(shè)置長30 m緩坡段1處,利用緩坡段設(shè)置安全防撞裝置,緩坡段坡度均為2%,斜井洞口標(biāo)高53 m,斜井與正洞交接標(biāo)高-14.755 m,高差67.755 m。根據(jù)施工條件隧道采用壓入式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)布置如圖3所示。

2.3 大與斜井風(fēng)機(jī)布置

大與斜井與正洞交于DK98+200斷面處,平面交角為125°53′4.6″,斜井長764 m,坡度為10%,斜井井身共設(shè)置長30 m的緩坡段3處,利用緩坡段設(shè)置安全防撞裝置,緩坡段坡度為2%,斜井洞口標(biāo)高75.219 m,斜井與正洞交接標(biāo)高-1.165 m,高差76.384 m,斜井運(yùn)營期不予利用,后期C20混凝土封閉。根據(jù)施工條件隧道采用壓入式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)布置如圖4所示。

2.4 園山斜井風(fēng)機(jī)布置

園山斜井與正洞交于DK99 +600斷面處,平面交角為134°6′37″,斜井長743 m,坡度為8.54%。園山斜井作為運(yùn)輸通道和養(yǎng)護(hù)維修通道,按永久工程設(shè)計(jì),斜井采用復(fù)合式襯砌。根據(jù)施工條件隧道采用壓入式通風(fēng)方式,風(fēng)機(jī)布置如圖5所示。

3 風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選型

3.1 需風(fēng)量計(jì)算

隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量大小應(yīng)綜合對比作業(yè)人員需風(fēng)量Q人、最小風(fēng)速需風(fēng)量Q風(fēng)、排煙需風(fēng)量Q排、內(nèi)燃機(jī)需風(fēng)量Q內(nèi),取其中最大風(fēng)量值為隧道需風(fēng)量。

1)按照作業(yè)人數(shù)計(jì)算。工作面最多人數(shù)60人,作業(yè)人員供風(fēng)量取4 m3/(人·min),由最低供風(fēng)量確定的最小通風(fēng)量為：

Q人=q×n=4×60=240 m3/min。

2)按照最小風(fēng)速計(jì)算。工作面最小風(fēng)速取0.15 m/s,隧道開挖斷面面積為152.4 m2,由最小風(fēng)速確定的最小通風(fēng)量為：

Q風(fēng)=60×s×v=60×152.4×0.15=1 371.6 m3/min。

3)按照隧道排煙量計(jì)算。隧道煙量計(jì)算公式見式(1)：

(1)

其中,t為爆破通風(fēng)時間,取30 min;P為風(fēng)管全程漏風(fēng)系數(shù);隧道采用大風(fēng)量供風(fēng),采用軟風(fēng)管,考慮到實(shí)際使用過程中管理維護(hù)不善,百米漏風(fēng)率平均值按1%進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下：

P=1/[(1-β)L/100)=1/[(1-0.01)×2 279/100]=1.25。

其中,G為一次爆破藥量,按150 kg計(jì)算;φ為淋水系數(shù),取0.3;b為炸藥爆破時有害氣體產(chǎn)生量,取40 m3/kg;A為隧道斷面面積;L為隧道爆破臨界長度,計(jì)算如下：

L=12.5×G×b×K/(A×P2)=211.7 m。

由此,可計(jì)算得隧道排煙量需風(fēng)量為：

4)按內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率需風(fēng)量計(jì)算。

內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備總功率需風(fēng)量計(jì)算公式如式(2)所示：

Q內(nèi)=k×∑NiTi

(2)

其中,k為內(nèi)燃機(jī)械單位功率供風(fēng)量,取3 m3/(min·kW);Ni為各內(nèi)燃機(jī)功率,kW;Ti為同時工作內(nèi)燃機(jī)設(shè)備利用率系數(shù)。

隧道施工按計(jì)劃只有開挖面裝碴設(shè)備是內(nèi)燃機(jī)械,包括1臺挖掘機(jī)(額定功率為107 kW)、1臺裝載機(jī)(額定功率為81 kW)、3臺出渣車(額定功率為160 kW),罐車處于炮煙的擴(kuò)散長度外,不做考慮。柴油機(jī)設(shè)備工作時的利用率系數(shù)：挖機(jī)取0.5、裝載機(jī)取0.65、出渣車取0.45,則：

Q內(nèi)=k×∑NiTi=534.5 m3/min。

根據(jù)上述計(jì)算方法,各輔助坑道(單側(cè)最大作業(yè)長度)對應(yīng)通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算如表1所示。

表1 施工通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算一覽表

綜上,嶂背斜井口因配備通風(fēng)量不小于1 714.5 m3/min的通風(fēng)設(shè)備,大福斜井口因配備通風(fēng)量不小于1 673.5 m3/min的通風(fēng)設(shè)備,大與斜井口因配備通風(fēng)量不小于1 632.2 m3/min的通風(fēng)設(shè)備,園山斜井口因配備通風(fēng)量不小于1 645.9 m3/min的通風(fēng)設(shè)備。

3.2 管道壓力損失及通風(fēng)機(jī)全壓

通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力,需滿足h>h阻,按式(3)計(jì)算：

h阻=∑h動+∑h沿+∑h局

(3)

其中,h動為管口動壓,一般考慮為50 Pa。

h沿=α×L×U×p×Q2×g/S3。

其中,α為風(fēng)管摩擦阻力系數(shù),取3×10-4;L為風(fēng)管長度;U為風(fēng)管周邊長,U=πD=5.652 m;p為漏風(fēng)系數(shù);Q2為掌子面最大風(fēng)量;g為重力加速度,取9.8 m/s2;S3為風(fēng)管截面積,S3=πD2/4=2.54 m2;D為風(fēng)管直徑,1.8 m;h局為按照h沿的15%計(jì)算,取371 Pa。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出嶂背斜井h阻=2 893 Pa,大福斜井h阻=2 460 Pa,大與斜井h阻=1 956 Pa,園山斜井h阻=1 650 Pa。

3.3 風(fēng)機(jī)配置方案

通過計(jì)算可知,龍崗隧道各輔助坑道風(fēng)機(jī)性能需求具體如表2所示,通過對比各種型號風(fēng)機(jī)的性能與參數(shù),考慮新購6臺變頻軸流風(fēng)機(jī),如表3所示。

表2 風(fēng)機(jī)性能需求一覽表

表3 風(fēng)機(jī)設(shè)備一覽表

3.4 風(fēng)管配置方案

為了確保風(fēng)管通風(fēng)的氣密性,風(fēng)筒采用具有阻燃性PVC材質(zhì)的柔性風(fēng)筒,風(fēng)筒直徑1 800 mm,10 m/節(jié)。風(fēng)管所有的接縫、接頭采用全密封式焊接,焊接區(qū)域?qū)? mm,接頭采用拉鏈?zhǔn)浇宇^。風(fēng)筒兩端均有拉鏈(塑料材質(zhì)),為高強(qiáng)度PVC型,風(fēng)筒接頭處內(nèi)外層均設(shè)置有密封保護(hù)層,當(dāng)內(nèi)部壓力越高,接頭處就越緊,以確保通風(fēng)過程中不漏風(fēng)。

4 結(jié)語

本文以新建深圳至深汕合作區(qū)鐵路龍崗隧道為工程背景,通過對風(fēng)量計(jì)算及設(shè)備選型完成了特長隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)。研究結(jié)果如下：

1)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工工作面安排,隧道采取4個斜井獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案,最大通風(fēng)長度2 279 m,最大通風(fēng)面積152.4 m2。

2)由需風(fēng)量計(jì)算可知,隧道最小風(fēng)速需風(fēng)量Q風(fēng)>隧道排煙需風(fēng)量Q排>內(nèi)燃機(jī)需風(fēng)量Q內(nèi)>作業(yè)人員需風(fēng)量Q人,最大計(jì)算需風(fēng)量為Q風(fēng)=1 371.6 m3/min。

3)根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算可知,風(fēng)管最大風(fēng)壓為1 800.2 Pa,為了確保風(fēng)管接頭處的氣密性,可采用具有阻燃性PVC材質(zhì)的柔性風(fēng)筒。