特長高污染隧洞施工通風(fēng)技術(shù)研究

韓文起

(中鐵十三局集團(tuán)公司，長春 130033)

錦屏二級水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置形式，包括A、B輔助洞共有7條深埋特長隧洞，4條引水隧洞長度均在16.67 km左右，為世界規(guī)模最大引水隧洞群。其實(shí)際鉆爆法施工獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了12.5 km，TBM獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了14.5 km。隨著工程建設(shè)的陸續(xù)進(jìn)行，隧洞群設(shè)計(jì)及施工組織均有較大調(diào)整。且地質(zhì)等因素也影響隧洞布置，諸如輔引支洞、橫通道及其他交通線路均有所變化，故隧洞群施工通風(fēng)方案也隨之做出了較大的相應(yīng)調(diào)整。特別是在洞身長度增長后，洞身段出現(xiàn)通風(fēng)不暢，導(dǎo)致整條隧洞長期處于污染或死風(fēng)狀態(tài)，生產(chǎn)處于停頓，嚴(yán)重影響工程建設(shè)進(jìn)度和安全。

本文針對錦屏二級水電站特長隧洞高污染且嚴(yán)重影響施工人員安全和工程進(jìn)度等通風(fēng)難題，運(yùn)用隧洞通風(fēng)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)試驗(yàn)等手段與方法，充分結(jié)合錦屏工程實(shí)際情況和國家相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，研究出適合錦屏引水隧洞洞群在不同施工階段(工況)進(jìn)風(fēng)通道、工點(diǎn)(工作面、隧洞洞段)、出風(fēng)通道等通風(fēng)方案及其參數(shù)。進(jìn)而提出復(fù)雜條件下錦屏特長隧洞群施工高強(qiáng)度通風(fēng)技術(shù)，以此確保所有隧洞群通風(fēng)質(zhì)量，使得隧洞不會因空氣污染致使施工停滯，最終確保整個工程建設(shè)順利完成。

1 施工組織調(diào)整及通風(fēng)需求分析

由于引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線隧洞埋深1 500～2 525 m，受高地應(yīng)力和其他地質(zhì)因素影響，巖爆日趨頻繁且烈度越來越高，已經(jīng)嚴(yán)重影響所有隧洞掘進(jìn)施工安全和進(jìn)度。由此導(dǎo)致了施工進(jìn)度大幅滯后于原計(jì)劃的不利局面，必須對施工組織進(jìn)行調(diào)整，并對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新分析和論證。

1.1 施工組織變化

依據(jù)隧道工程理論［1-2］，結(jié)合目前施工現(xiàn)狀，采取增加工作面以及提前釋放應(yīng)力等一系列措施可以加快隧洞群掘進(jìn)的速度。為此對隧洞布置做出了較大調(diào)整，調(diào)整后隧洞群布置見圖1。

圖1 調(diào)整后隧洞群布置

1)增設(shè)排引 1#、2#和 3#隧洞

首先，掘出排引1#隧洞并利用其作為交通和通風(fēng)通道，同時也可由此通道作為施工支洞分別向上、下游方向掘進(jìn)3#和4#引水隧洞，理論上最多可以增加4個工作面。其次，利用排引1#隧洞作為交通和通風(fēng)通道，從施工排水洞開口與4條引水隧洞45°斜交掘進(jìn)排引2#隧洞，完成后由排引2#隧洞作為施工支洞分別向上、下游方向掘進(jìn) 1#、2#、3#和 4#引水隧洞，理論上最多可以增加8個工作面。最后，利用排引1#隧洞、排引2#隧洞和4#引水隧洞作為交通和通風(fēng)通道，從4#引水隧洞開口向排水洞方向斜交掘進(jìn)排引3#隧洞，完成后由排引3#隧洞作為施工支洞掘進(jìn)施工排水隧洞，理論上最多可以增加2個工作面。

2)增設(shè)輔引 1#、2#和 3#隧洞

與掘進(jìn)排引1#、2#和3#隧洞同樣道理，在后期掘進(jìn)3條輔引隧洞，分別從A輔助洞開口進(jìn)入，與4條引水隧洞在不同里程位置45°斜交。利用輔引隧洞作為交通通道，理論上可以在不同施工階段分別增加8個工作面。

由上述調(diào)整可知，這些施工組織變化，將使錦屏工程隧洞群數(shù)量大大增加，且隧洞群的設(shè)計(jì)、施工條件以及管理難度發(fā)生了極大變化，隧洞平面和空間布置極為復(fù)雜。另外，調(diào)整后所有以排引1#及排引2#施工支洞開挖出的巖渣均須由4#引水隧洞無軌運(yùn)出，4#引水洞已經(jīng)成為了多達(dá)4～6個工作面掘進(jìn)出渣的總交通和運(yùn)輸通道(見圖2)。因此，調(diào)整后相當(dāng)長的時間(直到工程竣工)內(nèi)對4#引水洞本身的支護(hù)襯砌等后續(xù)施工、洞段路面維護(hù)、高強(qiáng)度運(yùn)輸通過能力以及通風(fēng)系統(tǒng)均有極大影響。一旦處理不當(dāng)或出現(xiàn)問題則有可能造成所有工作面停工的嚴(yán)重后果，特別是大功率運(yùn)渣車輛大量尾氣排放后，對洞身段通風(fēng)能力以及隧洞管理帶來極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。

圖2 4#引水洞高強(qiáng)運(yùn)輸

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)的新要求

依據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，調(diào)整前通過4#引水洞的車流量約為1 500輛/d，其中大功率運(yùn)輸車輛有1 200輛。洞內(nèi)空氣污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，洞內(nèi)工作人員施工效率明顯下降，有效工作時間急劇減少。施工組織方案調(diào)整后，4#引水洞內(nèi)的車流量將達(dá)4 000輛/d，其排放污染物的總功率高達(dá)1 167 kW，總需風(fēng)量為5 403 m3/min。4#洞目前的通風(fēng)水平已經(jīng)難以滿足施工需要，更不用說滿足調(diào)整施工組織方案后高強(qiáng)度運(yùn)輸大量尾氣排放的通風(fēng)要求。故必須對4#引水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)的方案及其參數(shù)重新論證和分析，以確保工程順利完成任務(wù)和施工人員的身體健康。

2 通風(fēng)方案分析

4#引水隧洞洞身段通風(fēng)中的風(fēng)量主要來自工作面的返程風(fēng)，這些風(fēng)流經(jīng)過工作面后已較大程度受到污染，隨著洞身段長度不斷增加，其排出效果將急劇下降。如果按照最新施工組織設(shè)計(jì)方案，運(yùn)輸車輛排出的大量尾氣使得洞內(nèi)空氣受到更加嚴(yán)重的污染，若通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不足，很可能洞內(nèi)出現(xiàn)死風(fēng)。

鑒于4#洞內(nèi)的施工實(shí)際與通風(fēng)需求，解決洞身段空氣質(zhì)量問題主要考慮采用加大通風(fēng)強(qiáng)度和降塵凈化等措施:洞內(nèi)系統(tǒng)布設(shè)風(fēng)機(jī)聯(lián)動排風(fēng)，將污濁空氣排至東引2#施工支洞;采用噴淋設(shè)施形成水幕降低爆破和出渣的粉塵;利用噴霧水車對隧道內(nèi)個別污染嚴(yán)重地段進(jìn)行噴霧降塵除煙。其中風(fēng)機(jī)布設(shè)最為關(guān)鍵，必須對其排風(fēng)方式、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)阻、排風(fēng)能力以及設(shè)備規(guī)格與配置進(jìn)行重新計(jì)算和論證分析。

3 通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

按隧道通風(fēng)理論與技術(shù)［3-6］，結(jié)合4#引水洞的鉆爆掘進(jìn)和承擔(dān)的交通運(yùn)輸實(shí)際情況，4#引水洞的通風(fēng)風(fēng)量和設(shè)備數(shù)量必須由工作面生產(chǎn)以及洞身段排污總量兩部分決定。4#引水洞一方面需要排出4#引水洞掌子面的污染空氣，另一方面需要承擔(dān)2#排引洞多工作面施工運(yùn)輸?shù)呐盼郏远瓷矶蔚耐L(fēng)量是掌子面和運(yùn)輸車輛所需通風(fēng)量總和。

3.1 通風(fēng)量計(jì)算

由于洞身來往車輛密度大，車輛最大頻率4 000輛/d，即2.78輛/min，每輛213.3 kW，則運(yùn)輸車輛所需通風(fēng)量為Q1=2 370.2 m3/min。

考慮4#工作面需風(fēng)量 Q2=3032.8 m3/min，故洞身通風(fēng)量Q=Q1+Q2=5 403 m3/min。

3.2 風(fēng)壓計(jì)算

4#隧洞橫斷面面積 AT=137 m2，長6 000 m，水力直徑13.2 m，洞壁摩阻系數(shù) λ=0.088，局部阻力系數(shù)ξ=3.6，平均風(fēng)速 V=0.657 m/s。計(jì)算得出風(fēng)流的流動阻力為h=9.7 Pa

3.3 環(huán)境條件

由于隧道的地理位置不同，隧道進(jìn)出口的環(huán)境條件存在較大差異，如自然風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、高程、大氣壓等條件會差別較大，從而會導(dǎo)致煙囪效應(yīng)，故應(yīng)從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應(yīng)。隧道兩端大氣壓差而引起的阻力PS應(yīng)由測量值確定，并增加到系統(tǒng)阻力中，由此4#引水洞為反坡隧道獨(dú)頭掘進(jìn)6 000 m，高程增加21.36 m。h環(huán)=215 Pa

3.4 隧洞中總推力TT

各項(xiàng)阻力損失之和，即 h總=h+h環(huán)=9.7+215=224.7 Pa。

考慮到車輛和機(jī)械設(shè)備的損失需增加局部空氣阻力和溫度影響，取 h總=300 Pa，則用于克服隧洞中的空氣阻力的總推力為

3.5 射流風(fēng)機(jī)推力

射流風(fēng)機(jī)的基本推力等于風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣動量的變化。風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口空氣動量等于空氣質(zhì)量流量與進(jìn)口或出口的平均流速之乘積。根據(jù)隧道中射流風(fēng)機(jī)的布置原則，通常認(rèn)為射流風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣流速為0，故射流風(fēng)機(jī)的理論推力為:

式中，ρ為空氣密度(kg/m3);QVF為風(fēng)機(jī)中空氣體積流量(m3/s);VF為風(fēng)機(jī)出口空氣平均流速(m/s)。

選擇SDS-180型75 kW/37 kW 射流風(fēng)機(jī)，QVF為77.6/57.6 m3/s，VF為 30.3/22.5 m/s;排 風(fēng) 量 65 m3/s，開動75 kW可滿足排風(fēng)量要求。

上式僅適用于流速均勻分布的情況。而風(fēng)機(jī)中的流速分布通常差別很大，主要取決于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長度的比、葉片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(自由流動、強(qiáng)制流動或旋渦流)、整流體的效率以及流動障礙物的布置等。因此，射流風(fēng)機(jī)的測試推力僅為理論推力的0.65倍或更低，故Tm取1 650 N。

3.6 隧道中射流風(fēng)機(jī)數(shù)量的確定

根據(jù)隧洞中所需總推力41 100 N的要求，當(dāng)所選射流風(fēng)機(jī)單機(jī)推力1 650 N時，所需風(fēng)機(jī)數(shù)量為25臺。污濁空氣通過系統(tǒng)射流風(fēng)機(jī)排出，每240 m布置一臺。

4 通風(fēng)設(shè)備選型及布置

4.1 通風(fēng)設(shè)備配置(見表1)

表1 4#引水洞通風(fēng)設(shè)備型號及配置

4.2 通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置

4#引水隧洞的通風(fēng)主要包括工作面通風(fēng)和高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣污染后洞身段污風(fēng)排放，其工作面取風(fēng)與污風(fēng)排放風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置分別見圖3和圖4。

圖3 4#引水洞工作面風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置

圖4 4#引水洞污風(fēng)排放風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置(單位:m)

5 結(jié)論

1)4#引水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)問題非常嚴(yán)重，掌子面和洞身內(nèi)因高強(qiáng)度無軌運(yùn)輸尾氣污染后的污風(fēng)風(fēng)量極大，且持續(xù)時間非常長(直到工程結(jié)束)，如果不采取切實(shí)可行的工程措施，將會嚴(yán)重影響施工質(zhì)量、進(jìn)度并傷害施工人員身體健康。

2)采用240 m布置一臺射流風(fēng)機(jī)排污風(fēng)的方案可以滿足4#引水洞掌子面掘進(jìn)污風(fēng)以及洞身內(nèi)的因高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣排放要求。

3)由于隧洞斷面較大，在隧洞頂部布設(shè)射流風(fēng)機(jī)，會使隧洞上部風(fēng)速大于下部風(fēng)速，下部風(fēng)速在0.325～0.400 m/s之間，隧洞上部排風(fēng)效果要好于下部。

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