長大水工隧洞開挖施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

(浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310052)

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程15標(biāo)段工程包括輸水隧洞樁號(hào)102+900～109+100(6200m)、 獅子山上游支洞(154m)、獅子山下游支洞(285m)、爬塢支洞(750m)、爬塢支洞口西南側(cè)新建檢修交通洞(308.286m)和桐村支洞(200m)。開挖區(qū)域主要為弱風(fēng)化粉砂巖，圍巖主要為Ⅱ～Ⅳ類圍巖，最大開挖面面積約55m2。隧洞開挖采用光面爆破獨(dú)頭掘進(jìn)，裝載機(jī)配自卸汽車出渣。

2 通風(fēng)方案

該工程隧洞開挖施工段掘進(jìn)最長為爬塢支洞施工段，其獨(dú)頭掘進(jìn)達(dá)到3233.72m，加之采用無軌運(yùn)輸，洞內(nèi)的通風(fēng)排煙問題較難解決，是影響隧洞開挖進(jìn)度、質(zhì)量、安全的主要因素。根據(jù)類似工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該工程采用壓入式通風(fēng)為主，輔以吸出式通風(fēng)的混合式通風(fēng)措施，在工作面采用射流風(fēng)機(jī)加速循環(huán)，并采用噴霧除塵等輔助方法加速降塵。隨著隧道的逐步深入，每隔1000m串聯(lián)風(fēng)機(jī)加速抽排及壓入效果。

3 通風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算

3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在隧洞開挖過程中，由于鉆孔、爆破、設(shè)備毒氣以及地層釋放出的有害氣體等，使得隧洞內(nèi)空氣污濁，不及時(shí)排除有害氣體，會(huì)嚴(yán)重影響施工人員的健康。因此，必須及時(shí)向洞內(nèi)提供新鮮的空氣，排除有毒有害的氣體，降低粉塵的濃度。要符合以下衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：?隧洞內(nèi)的溫度不能超過28℃，洞內(nèi)的氧氣含量不低于20%(按體積計(jì)算)；?有毒有害氣體的濃度，一氧化碳不大于30mg/m3，施工人員的工作時(shí)間不超過30min；二氧化碳不得超過0.5%(按體積計(jì)算)；氮氧化合物(換算成NO2)質(zhì)量的濃度不超過5mg/m3；?粉塵的濃度：游離二氧化硅濃度10%以上的粉塵，其濃度不得大于2mg/m3；游離二氧化硅濃度10%以下的粉塵，其濃度不得大于10mg/m3；?每人平均需提供不少于3m3/min的新鮮空氣，柴油設(shè)備需提供不少于3m3/(min·kW)的新鮮空氣。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

為了確保暗挖施工作業(yè)段的空氣符合通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)以隧洞最大開挖斷面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，具體見下表。

隧洞開挖通風(fēng)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)表

3.3 風(fēng)量、風(fēng)壓相關(guān)計(jì)算

3.3.1 風(fēng)量的計(jì)算

從以下四個(gè)方面計(jì)算風(fēng)量：按照隧洞內(nèi)同時(shí)工作時(shí)最多人數(shù)所需要的新鮮空氣計(jì)算最大風(fēng)量V1；按隧洞內(nèi)允許最低的風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量V2；在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)把同時(shí)爆破且使用最多炸藥量時(shí)所產(chǎn)生的有毒有害氣體稀釋到允許濃度以下的情況下計(jì)算風(fēng)量V3；按稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣計(jì)算風(fēng)量V4。通過相應(yīng)的計(jì)算，取最大值。

a.施工人員所需的風(fēng)量V1。施工相關(guān)人員所需風(fēng)量值的計(jì)算：

V1=qmK=3×35×1.15=121m3/min

式中q——隧洞內(nèi)每個(gè)人所必需的新鮮空氣量，取3m3/min；

m——隧洞內(nèi)同時(shí)工作時(shí)的最多人員數(shù)量；

K——風(fēng)量的備用系數(shù)，取1.15。

b.按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量V2。計(jì)算公式為

V2=60vminSmax

式中vmin——洞內(nèi)允許最小風(fēng)速；

Smax——隧洞最大開挖斷面。

經(jīng)計(jì)算，V2=60×0.15×55=495m3/min。

c.爆破散煙所需風(fēng)量V3。該工程采用混合式通風(fēng)，爆破散煙所需風(fēng)量計(jì)算公式為

V3x=1.3V3y

式中V3y、V3x——混合式壓入、吸出通風(fēng)量，m3/min；

Q——同時(shí)爆破所需最大炸藥量，kg；

Ly——壓風(fēng)管口至工作面距離，取30m；

t——爆破后的通風(fēng)時(shí)間，min。

經(jīng)計(jì)算，爆破散煙所需風(fēng)量為

V3y=142m3/min

V3x=185m3/min

d.使用柴油機(jī)械時(shí)的通風(fēng)量V4。按單位功率需風(fēng)量指標(biāo)計(jì)算：

V4=v0P

式中v0——單位功率所需風(fēng)量的指標(biāo)，取

4.1m3/(kW·min)；

P——隧洞內(nèi)同時(shí)工作的柴油機(jī)械總額定功率，kW。

經(jīng)計(jì)算，V4=4.1×(3×99+145)=1812m3/min。

e.風(fēng)管漏風(fēng)損失修正風(fēng)量。通過上述計(jì)算，選其中最大值作為計(jì)算風(fēng)量，即使用柴油機(jī)械時(shí)的通風(fēng)量1812m3/min。

該工程單頭掘進(jìn)最大長度為3233.72m，考慮管道百米漏風(fēng)率B=1.5%，可得風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量為Q=V4/(1-B)L/100=2954m3/min。

3.3.2 風(fēng)壓的相關(guān)計(jì)算

通風(fēng)的阻力包括摩擦阻力和局部阻力，摩擦阻力在風(fēng)流的全部流程內(nèi)均存在，局部阻力發(fā)生在管道斷面變化的地方。為了保證能把所需要的風(fēng)量送到工作面上，并能在出風(fēng)口保持一定量的風(fēng)速，風(fēng)流經(jīng)過風(fēng)管時(shí)所需的總風(fēng)壓為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，按下式進(jìn)行計(jì)算：

hm=hky+hp

hky=(λ/D)(ρv2/2)L

式中hm——風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，Pa；

hky——沿程風(fēng)壓損失，Pa；

L——風(fēng)管總長，m；

λ——管道沿程阻力系數(shù)，取0.005；

D——風(fēng)管內(nèi)徑；

ρ——空氣密度，取1.23kg/m3；

v——風(fēng)筒內(nèi)平均風(fēng)速，v=Q/S風(fēng)筒=

2954/(3.14×0.62)=2613m/min；

hp——局部的風(fēng)壓損失值，Pa，包括各連接段的局部風(fēng)壓損失，按沿程風(fēng)壓損失值的25%考慮。

經(jīng)計(jì)算，hky=5658Pa，hm=7073Pa。

3.4 風(fēng)機(jī)的選擇

根據(jù)該工程單頭掘進(jìn)需風(fēng)量2954m3/min，綜合考慮當(dāng)前市場上的軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的性能，風(fēng)筒直徑確定為1.2m，選擇SDDY-Ⅲ 14.0 型軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑1.1m，高效風(fēng)量為50m3/s，功率200×2kW，全風(fēng)壓550～7530Pa。

4 風(fēng)管與風(fēng)機(jī)布置

4.1 風(fēng)管布置

a.洞口外正壓風(fēng)管管口應(yīng)朝下，負(fù)壓風(fēng)管管口應(yīng)朝上，以防止洞口廢氣回流。

b.在預(yù)留足夠安全距離的前提下，正壓風(fēng)管末端緊跟開挖工作面，正、負(fù)壓風(fēng)管末端間距80～150m，正壓風(fēng)管在前，負(fù)壓風(fēng)管在后，防止通風(fēng)短路。

c.風(fēng)管需做到平順、緊直，加大每節(jié)風(fēng)管的長度，以減少因接頭阻力而損失的風(fēng)量。

d.施工支洞內(nèi)壓入式風(fēng)管采用兩路φ1200的硬質(zhì)鋼絲風(fēng)管，抽出式風(fēng)管采用兩路φ800的軟質(zhì)風(fēng)管，使上下游風(fēng)管分開布設(shè)，獨(dú)立控制。

e.輸水隧洞內(nèi)的壓入式風(fēng)管通常采用φ1200的硬質(zhì)鋼絲風(fēng)管送風(fēng)，在距離開挖作業(yè)面100m范圍內(nèi)由于受到爆破沖擊波及飛石的影響，采用φ1200的軟質(zhì)風(fēng)管送風(fēng)。

f.輸水隧洞內(nèi)的抽出式風(fēng)管全部采用φ800的軟質(zhì)風(fēng)管。

4.2 風(fēng)機(jī)布置

該工程通風(fēng)最長線路達(dá)3233.72m，長工作面一臺(tái)風(fēng)機(jī)不能滿足需要，需每隔400～500m串聯(lián)一臺(tái)11kW軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

長工作面隧洞通風(fēng)布置見下頁圖。

長工作面隧洞通風(fēng)布置示意圖

5 風(fēng)機(jī)的管理

爆破后應(yīng)先關(guān)掉壓入式風(fēng)機(jī)，用抽出式風(fēng)機(jī)快速排除工作面的有害氣體，盡快恢復(fù)循環(huán)作業(yè)，再采用壓入式風(fēng)機(jī)向隧洞內(nèi)提供新鮮的空氣。

隧洞開挖過程中必須加強(qiáng)環(huán)境意識(shí)，重視通風(fēng)工作，組建專業(yè)的通風(fēng)班組，負(fù)責(zé)通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管安裝、維護(hù)，以及通風(fēng)方式變換、漏風(fēng)量測定，并承擔(dān)通風(fēng)效果責(zé)任。做好通風(fēng)除塵的首要工作是通風(fēng)監(jiān)測，通風(fēng)相關(guān)技術(shù)人員要做好日常的有害氣體濃度控制，根據(jù)濃度調(diào)整適宜的風(fēng)量，合理供風(fēng)。

進(jìn)入支洞中轉(zhuǎn)運(yùn)的自卸汽車須配置低污染、有廢氣凈化裝置的柴油機(jī)械，汽油機(jī)械不準(zhǔn)進(jìn)入支洞。

6 降塵的措施

隧洞開挖中采取濕式鑿巖的方法。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，濕式鑿巖可降低80%的巖粉。在作業(yè)中水壓要穩(wěn)定、水量要充足、操作要規(guī)范，遵循先開水后開風(fēng)，先關(guān)風(fēng)后關(guān)水的原則，爆破后采用灑水降塵的措施，沖洗巖壁，保證做好濕式鑿巖。噴混凝土?xí)r采用濕噴工藝，達(dá)到減少粉塵含量的效果。

同時(shí)針對進(jìn)洞的所有機(jī)械采取以下措施：

a.加強(qiáng)對進(jìn)洞機(jī)械的維修保養(yǎng)。對洞內(nèi)所有的施工機(jī)械進(jìn)行定期的保養(yǎng)、檢查，提高內(nèi)燃機(jī)柴油的燃燒率。

b.選擇適當(dāng)?shù)挠土霞安裼吞砑觿?。在施工中使用含硫量低的柴油，并選用適宜的柴油添加劑來降低一氧化碳的排放濃度。

c.對部分有關(guān)機(jī)械設(shè)備采取機(jī)外凈化的措施，裝配專用的有催化劑的附屬箱，將其與尾氣排放管連接，用催化劑和水洗的辦法降低廢氣中有毒有害的氣體。

7 通風(fēng)效果分析

在隧洞開挖中，通風(fēng)時(shí)間隨著隧洞長度的不同而需要20～40min不等，基本符合計(jì)算時(shí)所選用的時(shí)間。通過不同時(shí)段及不同掘進(jìn)深度對洞內(nèi)有害氣體及粉塵濃度的監(jiān)測，工作面的空氣質(zhì)量、粉塵濃度均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，空氣質(zhì)量狀況良好。

8 結(jié) 語

該工程隧洞開挖的實(shí)際情況證明，通過計(jì)算風(fēng)量的方式來選擇適當(dāng)?shù)耐L(fēng)機(jī)、防止粉塵的擴(kuò)散，很好地解決了單頭掘進(jìn)長大隧洞的施工通風(fēng)和粉塵控制難題，取得了比較滿意的通風(fēng)效果，很好地保護(hù)了洞內(nèi)施工人員的身體健康與生命安全，大大縮短了爆破后通風(fēng)排煙的時(shí)間和作業(yè)循環(huán)的時(shí)間，加快了工程的施工進(jìn)度，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。