特长大断面公路隧道单向掘进施工通风研究

2016-04-20李科郭军

公路与汽运 2016年2期

关键词：隧道

李科,郭军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067)

特长大断面公路隧道单向掘进施工通风研究

李科,郭军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067)

摘要:以博深(博罗—深圳)高速公路石鼓山隧道为依托,从隧道开挖作业区域的卫生标准、环境标准、安全标准、施工通风方式选择、需风量及通风机和风道计算等方面介绍了双向交通六车道大断面特长公路隧道单向掘进的施工通风技术,根据该工程实际情况,分别阐述了2 km以内掘进段的单一压入式通风、2～4 km掘进段的巷道式射流通风方案,为隧道工程建设提供参考。

关键词:隧道;大断面;单向掘进;施工通风

隧道施工通风的目的是排出洞内粉尘及有害气体、控制洞内温度和湿度,为施工人员提供良好的作业环境,是进行隧道内外空气交换的唯一手段,通风效果直接影响作业人员的身心健康及工程进度,是安全生产的重要保障措施之一。

采用非机械化掘进的公路隧道,其施工通风方案及实施设备将直接影响隧道掘进的极限长度。可以说,长距离施工通风的技术水平关系着路网规划、路线选择、施工工期的确定,同时也对施工设备的技术要求及项目投资等有重要影响。提高通风技术不仅能直接改善工作环境,减少各工序作业时间,还能充分发挥无轨施工的车辆机动性优势。根据经验,在3～5 km特长公路隧道施工中,施工通风效率每提高10%时,施工工期可缩短5%、建设成本投入降低3%。

1 工程概况

广东省博深(博罗—深圳)高速公路控制性工程石鼓山隧道为单洞三车道双洞单向交通隧道,该隧道整体穿越东莞市银瓶山动植物自然保护区。水涧山隧道与石鼓山隧道洞口为桥隧相接形式,故两隧道洞口区间无施工作业平台,在施工时应将这2座隧道作为一座隧道进行考虑,其总长度超过7 km。由于银瓶山自然保护区生态脆弱,急需保护,该隧道施工时禁止在保护区内进行开挖作业,这势必导致以上隧道只能从各隧道单端单向掘进,两隧道最大掘进距离达2 930、4 020 m,特殊的客观条件对隧道施工方式和通风技术提出了很高要求。

尽管单向掘进的施工通风技术在煤矿及铁路等领域被广泛应用且已取得不少成果,但这些开挖隧道单向掘进的工作断面较小(通常＜50 m2),施工通风方案相对单一。对于公路隧道,在二车道公路隧道(开挖断面通常＜100 m2)单向掘进施工通风技术上已取得一定突破,有相关经验可循,但石鼓山隧道为开挖断面大达162 m2的单洞三车道特长隧道,可供借鉴的国内外类似成熟经验很少,有必要对其施工通风技术进行研究。

2 隧道施工通风技术研究现状

2.1 通风方式

隧道施工通风方式大体分为压入式、排出式、混合式,压入式、排出式通风又细分为集中式、串联式、射流式,混合式可细分为巷道式、局扇式等。几种有代表性的通风方案适用范围见表1。

表1 隧道施工主要通风方式的适用范围

2.1.1 压入式通风

压入式通风即为在隧道洞口设置集中送风机,将隧道外新风压入作业隧道内。国外采用该施工通风方式的隧道最长为3.4 km,位于法国。国内采用掘进机(TBM)法施工时,利用该通风方式施工的隧道长度超过10 km。但采用无轨运输钻爆法施工时,其掘进长度最长为3.6 km,为位于浙江金华的赣龙铁路隧道;而超过3 000 m公路隧道采用单向压入式施工通风的案例还未见报道。

2.1.2 巷道式通风

龙潭隧道位于沪蓉国道主干线,为长度超过8 500 m的高速公路隧道,该隧道采用双向掘进无轨运输出渣方式施工,单向掘进最大长度为4 300 m。鉴于该隧道为整个项目控制性工程,且施工工期紧张,必须采用高效施工工艺并配合可靠通风方式。经比选,采用巷道式通风可大大增加通风距离,满足该隧道施工工艺要求。再如亚洲曾经最长的公路隧道日本关越公路隧道,单洞长11 km,上下线分期实施建设。先期建设下行线时,为加快施工进度,增设辅助坑道,主洞与辅助坑道均采用人工开挖、机械车无轨运输施工。主洞和辅助通道开挖断面面积分别为85.3和21.3 m2,施工时借用辅助坑道采用压入式巷道通风方式,不仅增加了送风距离,也增大了送风量,最大送风量达6 200 m3/min。

2.1.3 射流通风

射流通风方式利用风机工作时产生的巨大升压力伴随高风速诱导空气在洞内纵向流动原理,达到隧道内外空气置换的目的。该通风方式的实现是将射流风机直接安设在洞内各通风区段,无需修建风道和风机房送风,也不需设置风阀控制风量,而是利用隧道本身自成通风管道为隧道通风。这种通风方式因其设备布置灵活、建设投资低、方便管理、能耗低等特点在公路隧道运营通风中得到大量应用,但很少作为施工通风方式在隧道建设时应用,同时国内少有该施工通风方式实施案例介绍。中铁隧道集团科研所曾尝试利用该通风方式进行铁路隧道施工,取得了一些成功经验。由于采用该通风方式直接将风机暴露在施工隧道内,隧道内存在瓦斯时通风机应采用防爆等级较高的设备。

2.2 通风技术的特点

根据施工经验,中国目前采用的隧道施工通风技术具有以下特点:

(1)掘进长度小于2 km,且洞内无瓦斯及其他有害气体(如硫化物、氢化物等)的隧道采用压入式通风的效果优于排出式。

(2)混合式通风较适用于掘进长度2～4 km的隧道,具体方式可以是压入式和排出式混合、射流式、巷道式等。但采用以上通风方式时,宜在开挖面附近增设局扇以增加工作面通风效果。

(3)若为双洞隧道或设置有平导、专门通风井的隧道,可利用这些通风道采用巷道式通风方式。

(4)对于单向掘进特长公路隧道,宜根据隧道特点,有条件时可优先考虑巷道式通风。

2.3 存在的问题

尽管中国对隧道施工环境质量制定了严格标准,但由于长期以来重视施工进度、忽视施工环境等,制约了施工通风技术的发展。目前中国隧道施工通风技术存在以下问题:

(1)采用的施工通风方式普遍单一,多数隧道未根据各施工阶段的建设需求和客观条件适时调整通风方案,普遍为施工全过程均采用一种通风方案,且以压入式和排出式通风方式居多,偶尔采用巷道式通风。

(2)隧道开挖距离较短时采用无管道通风方式,即洞外射流风机直接向施工隧道送风,该通风方式最长适用距离一般不超过0.6 km;隧道掘进长度超过0.6 km时设置通风管,为开挖工作面送风;特长隧道利用自身通风平导或通风井采用巷道式通风方式的案例较多。

(3)大多数隧道施工作业面的工作粉尘及机动车有害气体排放超标。

(4)近年来,随着工业技术的飞速发展,通风设备及其配套设施得到发展,但通风技术并未随之取得较大突破,仍停留在既有水平。

总之,通风方式单一、作业环境恶劣、施工通风技术发展滞后是目前中国公路隧道施工中存在的问题,这些问题反映了人们对环境品质需求的提高与施工技术发展的不和谐。如何提高通风效率,改善施工作业环境,合理利用先进通风设备是业界亟待解决的问题。

3 隧道施工作业环境的卫生标准

中国对施工作业的卫生标准制定了相关规范,其指标涵盖有害气体、粉尘等。根据DL/T 5099-2011《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》、GBZ 1-2010《工业企业设计卫生标准》、JTG D62 -2004《公路隧道施工技术规范》等规范,中国有关隧道施工作业环境卫生标准的规定见表2。

4 通风计算

4.1 需风量计算

计算需风量应取各计算工况的最大需风量值。施工通风需风量计算主要考虑以下工况:

表2 环境卫生标准

(1)洞内同一时间全部人员作业需风量。

(2)稀释洞内爆破时产生的有害气体需风量。

(3)最小需风速需对应的洞内风量。

(4)稀释机械设备作业时污染物排放需风量。

(5)采用不同通风方式时通风机需要提供的计算风量。

前4项需风量计算在中国相关行业标准中都有具体要求,下面仅给出采用不同通风方式时通风机需风量的计算方法。

4.1.1 压入式通风计算

采用压入式通风时,通风机需提供的送风量按式(1)计算:

式中:Q为通风机提供的风量(m3/s);t为强制通风时间(min);G为爆破炸药量(kg);A为开挖断面面积(m2);L为隧道开挖长度或爆破后烟气流经的临界长度(m)。

烟气流经临界长度按下式计算:

式中:L为炮烟流经的临界长度(m);b为1 kg炸药爆破时所产生的CO气体体积;K为扩散系数;P为风管漏风系数。

4.1.2 排出式通风计算

采用排出式通风时,通风机需提供的排风量按下式计算:

4.1.3 混合式通风计算

混合式通风中,压入式通风段通风机需提供的风量按式(4)或式(5)计算,吸出式通风段通风机需提供的风量按式(6)计算。

式中:Lb为送风口至工作面的距离(m);ϕ为使用淋水降低炮烟浓度的计算系数。

4.2 通风阻力计算

需风量计算除需考虑上述工况外,还需考虑隧道通风管产生的通风阻力。尤其是长大隧道施工通风采用的风管较长,风管在洞内弯曲点较多,通风管道阻力带来的损失往往决定通风方案的可靠性。

通风阻力主要考虑沿程损失和局部损失,按式(7)计算:

式中:H为通风总阻力(Pa);Rf为沿程通风损失[(N·s2)/m3];Rξ为局部损失[(N·s2)/m3];hf为沿程摩擦阻力损失(Pa);hξ为局部阻力损失(Pa);h其他为风管自重带来的管道折曲损失(Pa)。

沿程摩擦阻力hf按式(8)计算:

式中:λ为沿程阻力系数;Dr为隧道/风管当量直径(m);ρ为空气密度(kg/m3);v为管内平均流速(m/s)。

沿程损失Rf按式(9)计算:

局部阻力hξ按式(10)计算:

4.3 漏风量计算

柔性风管以其运输方便、易组合、造价低等特点而被广泛运用于施工通风。但由于洞内施工环境复杂,常常造成风管破损,并且长距离通风时风管接头较多,故其漏风造成的送风量损失不可小视。管道漏风损失的风量按式(12)计算:

式中:ξ为局部阻力系数。

局部风阻Rξ按式(11)计算:

式中:P漏为管道漏风系数;P100为百米漏风率。

4.4 通风机选型计算

电机容量按式(13)计算:

式中:N为电动机容量(k W);Qf为风机提供的风量(m3/s);η1为风机静压率;η2为风机效率;B为电机容量贮备系数,电机容量为5 k W时取1.3,＞5 k W时取1.2。

通风机的升压力按式(14)计算:

式中:Pj为射流风机压力(Pa);vj为风机出口风速;β为风道与隧道断面积比;α为风道与隧道风速比; M为风机喷射系数,M=0.85。

5 巷道式射流通风风阻调节

隧道掘进采用巷道式施工通风时,离施工作业面最近的横通道应呈开启状态,其余横通道均应采用密闭物封实,以确保相邻隧道污风不发生串流。但在实际施工中,为满足施工出渣、进料的需要,增加运输工作面,洞内所有横通道均呈开启状态。为避免开挖隧道相邻洞内出现污风循环或新风短路,必须对横通道内风流进行控制。

设置风门或在横通道内增设射流风机是调节横通道风流的有效措施。利用射流风机控制横通道内风流是一项简单易操作的方法,但风机如何设置、设备如何选型,暂无成熟理论和经验。可根据横通道射流减阻调节法、横通道射流增阻调节法、横通道无射流调节法3种通风调节方式的特点,按照掘进实际情况选择合适的风流调节方法。

5.1 横通道射流减阻调节法

射流减阻调节方法是将射流风机设置在横通道及隧道内,其风流控制方向与施工通风风向一致。如图1所示,隧道主洞掘进时,新风由A洞进入,污风由B洞排出。射流风机设置在A洞及横通道X 内,其风向与隧道A洞及B洞施工通风风向一致,起减阻作用。

5.2 横通道射流增阻调节法

该调节方法是将射流风机设置在横通道及隧道内,其风流控制方向与施工通风风向相反。如图2所示,隧道主洞掘进时,新风由A洞进入,污风由B洞排出。设置在A洞内的射流风机的风向与隧道A洞及B洞施工通风风向一致,设置在横通道X内的射流风机的风向与隧道A洞及B洞风向相反,在横通道内射流风机起增阻调节作用。

图1 射流减阻调节法示意图

图2 射流增阻调节法示意图

5.3 横通道无射流调节法

该调节方法是射流风机不设置在隧道横通道内,而是设置在隧道主洞内。如图3所示,隧道A洞内靠近横通道处设置射流风机,其风向与A洞和B洞掘进时施工通风风向一致,新风由A洞进入,污风由B洞排出,横通道内无射流风机调节风向。

图3 无射流调节法示意图

6 大断面特长隧道单向掘进施工通风方案

石鼓特长隧道长距离单向掘进施工中,洞内无瓦斯等有毒有害气体泄漏,故从开挖初期至掘进到2 km以内采用单一压入式通风。掘进至2～4 km时,通风风阻随掘进长度的增长成倍增加,纯压入式通风无法满足洞内开挖需风量要求,故借助横通道,采用巷道式射流通风方案。

6.1 2 km以内的施工通风方案

根据施工经验,掘进长度小于2 km的隧道,若洞内无瓦斯等有毒有害气体泄漏,压入式通风方式能充分发挥其高效节能优势。石鼓山隧道从开挖初期至掘进到2 km以内,在隧道外设置2台大型轴流送风机为隧道主洞压入式送风(见图4)。根据隧道掌子面空气质量检测结果,工作面粉尘及机械作业设备带来的尾气等排放污染物浓度均满足工作环境卫生标准。

图4 2 km以内压入式施工通风方案示意图(单位:m)

6.2 2～4 km掘进段施工通风方案

石鼓山隧道开挖至2 km后,由于洞内风阻增大,采用纯压入式通风无法满足施工需风量要求,需采取措施克服洞内通风阻力,增加工作面送风量。结合该工程实际情况,利用横通道有效控制洞内污风流向。施工时,由隧道左线集中送入洞内工作需风量,污风经横通道由右洞排出,形成左洞送风、右洞排风的气流方式。为克服洞内通风阻力,在洞内适当位置增加射流风机;为提高工作面施工环境,在靠近开挖面30 m范围内增加射流风机集中送风,风管有序组织通风气流(见图5)。