黄 礼 维

(中国水利水电第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

1 概 述

近年来,水利工程建设在全国范围内受到了广泛的关注和重视,随着国民经济发展和粮食危机等因素相互叠加和影响,致使水资源短缺、水污染、洪涝和干旱等问题愈发突出,进而对水资源、水环境和水灾害管理提出了新的挑战,对水利工程建设提出了更高的要求。

由我公司承建的向家坝灌区北总干渠一期工程内江供水管道自贡段,设计为混凝土衬砌后内径为2.4 m的圆形压力输水隧洞。该标段共设置隧洞10座,总长度约为3 764.631 m,其中长度超过1 000 m的隧洞1座,为石塔村隧洞;其余隧洞的长度均小于1 000 m。石塔村隧洞的长度为1 226.77 m,该隧洞计划施工总工期为710日历天,且因隧洞进口处部分农户处于爆破振动范围内,目前征迁工作难度较大。该隧洞计划从出口位置采用矿山法单头掘进,预计开挖施工进度为3～5 m/d,平均进度为4 m/d,计划开挖施工工期约为300 d。

鉴于采用矿山法施工在隧洞内爆破后会产生大量的有毒有害气体,如一氧化氮、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物等,隧洞内爆破后长时间作业人员无法进入而导致工序延后,工期势必会受到影响。随着隧洞施工作业的深入,洞内有毒有害气体聚集、氧气浓度下降、粉尘浓度升高等问题将会相继出现,导致作业人员长期处于恶劣环境作业,因此,必需将洞内的粉尘和有害气体排出洞外或稀释到安全浓度,在了解粉尘和有害气体产生原理的基础上做到从源头避免或减少其产生[1]。对于不同长度隧洞的通风方式必须进行科学的选择,以为后续高节奏施工做好辅助工作,同时亦为洞内施工创造良好的施工条件,加快施工进度,确保施工安全[2]。 对于石塔村隧洞这种小洞径长隧洞,其通风系统必须24 h不间断运行,向隧洞内输送新鲜的空气,以对洞内有害气体的浓度进行稀释,进而改善隧洞内的空气质量[3]。项目部技术人员针对该隧洞的实际情况,对目前常用的三种隧洞通风方式具有的优缺点进行了分析比较,以求找出适合该工程的通风方式。

2 针对三种通风方式进行的比较与分析

2.1 压入式通风方式

压入式通风方式系指通过机械方式强制将新鲜的空气压入隧洞内,通过新压入的新鲜空气将洞内污浊的空气挤压、稀释排放至洞外,以实现隧洞内空气的流通,满足作业人员及机械设备对氧气的需求。压入式通风方式见图1。

图1 压入式通风方式示意图

(1)优点。提供新鲜空气:压入式通风方式能够将新鲜的外部空气直接压入隧洞内的掌子面,为掌子面的作业人员有效地提供充足的氧气,改善掌子面作业人员的工作环境,保证作业人员的身心健康。通过设置合理的引风点和风机风速、风量的调控,可以精确地控制气流的方向,使气流均匀分布于隧洞内的各个部位,将隧洞内各部位的污浊空气全部挤压排出,防止有毒有害气体的聚集,提高通风的效果和质量。压入式通风能够将相对较低温的新鲜空气引入隧洞,通过新鲜气体与洞内气体的交换,能够有效降低隧洞内部的温度,提供更为舒适的工作环境;特别是对一些高地热高湿度环境的隧洞,压入式通风能够有效解决掌子面作业人员的高热高湿环境,提升作业人员的工作效率。压入式通风方式适用于各种类型的隧洞,无论洞径大小,隧洞长短,其都可以通过合理设置风机功率和数量实现需要的通风效果。

(2)缺点。压入式通风需要借助大功率的风机将空气压入隧洞,因此而需要消耗大量的能源,增加能耗成本;鉴于通风过程中其风量损失较大,若要在掌子面达到预期的风量,就必须加大风机的功率,势必造成能源消耗的增加。为实现压入式通风,需要在隧洞内安装风机及相应的管道设备,进而增加了施工及维护的工作量;隧洞内的机械设备、隧洞走向、结构物、洞壁的摩擦阻力以及其他阻碍物都会对气流造成阻力而降低通风效果。由于隧洞内产生的废气、烟尘、有毒有害气体等主要集中在掌子面,而压入的新鲜空气直达掌子面后将废气、烟尘、有毒有害气体挤压到已挖掘出的隧洞排出,导致整个隧洞除掌子面外长期处于污染状态。

2.2 吸出式通风方式

吸出式通风方式系指通过机械的方式将隧洞内的污浊空气抽出来,洞外的新鲜空气随着气压和气流变化进入隧洞内实现空气的流通。吸出式通风方式见图2。

图2 吸出式通风方式示意图

(1)优点。吸出式通风方式能够将隧洞内掌子面的污浊空气抽出,保持洞内空气清新,减少有害气体和粉尘对作业人员的影响,提高其工作环境的质量。通过抽出隧洞内的热空气和湿气,吸出式通风可以有效降低隧洞内部的温度和湿度,提供更为舒适的工作环境;吸出式通风在掌子面吸出大量的污浊空气,洞外新鲜的空气随着洞内的气压变化进入隧洞内,在已开挖的隧洞内除了掌子面外其整体均为新鲜的空气。

(2)缺点。需要排放污染物:吸出式通风方式将污浊的空气排放到隧洞外,在设备安装的附近可能会对周围环境造成一定的污染,需要采取相应的措施进行处理和净化以达到环境保护的要求;吸出式通风需要使用大功率风机连续不停工作抽出污浊的空气,特别是对于洞径较大的隧洞,吸出污浊空气的速度慢,时间长,因此需要增加、消耗一定的能源,导致能耗成本直线增大;隧洞的走向、吸出管道的摩阻、管道的密封性等因素均会影响气流的行走速度和效率,可能导致吸出式通风效果不佳;在掌子面吸出污浊空气的重点主要为吸出口的布置和数量,若掌子面面积过大,污浊空气吸出的速度整体较为缓慢,将对后续作业工序造成影响。

2.3 混合式通风方式

混合式通风方式系指通过同时采用压入式和吸出式通风方式实现通风的方法。混合式通风方式见图3。

图3 混合式通风方式示意图

(1)优点。综合利用优势:混合式通风方式结合了压入式和吸出式通风方式的优点,既能够提供新鲜空气,又能够有效排除污浊空气,提高通风效果。通过合理设置压入口和抽风口的位置和数量,可以根据实际需要灵活调节通风量,满足不同工况下的通风要求;混合式通风方式适用于各种类型的隧洞,可以根据具体情况选择合适的通风方式,提供最佳的通风效果。

(2)缺点。设备的安装与维护复杂:混合式通风方式需要同时安装压入口和抽风口的设备并进行相应的管道布置,进而增加了施工和维护的难度;混合式通风方式需要同时使用压入式和吸出式通风设备,因此其能耗较大,导致能耗成本增加;混合式通风方式需要综合考虑压入式和吸出式通风的因素,包括气流分布、风机功率等,需要进行合理的设计和调试;同时还需考虑在隧洞开挖初期与后期隧洞的通风距离不一致,既要在初期隧洞较短时减小设备功率,又要在后期隧洞较长时能够满足通风要求。

3 三种通风方式优缺点的对比分析

3.1 通风效果

压入式通风方式通过提供新鲜空气、控制气流方向、降低空气温湿度以及适用性广泛等特点,对掌子面的空气流通和置换具有良好的通风效果。吸出式通风方式通过定点吸出污浊空气、降低温度和湿度等特点,对整个隧洞的新鲜空气流通和置换具有较好的通风效果。混合式通风方式通过综合利用优势、灵活调节通风量和适用性广泛等特点,在污染较小时可以采用压入式通风和吸出式通风的单机使用模式;在爆破后或长时间累积空气污染严重时可以联合使用,进而可以提升隧洞整体的通风效果。

鉴于该项目隧洞洞径较小,施工过程中的可用空间小,只能按照顺序施工作业方式,在开挖作业过程中主要集中在掌子面作业,因此,从通风效果进行分析,优先选择的通风方式为压入式通风。

3.2 能耗

鉴于该项目隧洞通风方式的选择系采用计算风量选择设备的方式,可通过设备的功率进行能耗对比分析。其风量的计算为:

(1)按照洞内同时工作的最多人数计算风量Q1:

Q1=q×m×k

式中:q为每人每分钟呼吸所需的新鲜空气量,取4.0 m3/人;m为洞内同时工作的最多人数,取25人;k为风量备用系数,取1.2。

计算得到:Q1=120 m3/min。

(2)按允许最低风速计算风量Q2:

Q2=60×v×A

式中:v为工作面最小风速,全断面开挖时取0.15 m/s;A为掘进面积,隧洞衬砌完成后半径为120 cm,隧洞衬砌厚度为40 cm,初支厚度为15 cm,超挖控制按照5 cm计算,则隧洞掘进面积A=πr2=10.2 m2。

计算得到:Q2=91.8 m3/min。

(3)洞内使用的设备均为电动设备,故不考虑内燃机废气。

(4)以上计算结果取最大值Q=Max (Q1,Q2)=120 m3/min 作为控制设计通风量。

(5)考虑漏风因素计算:

式中:L为通风距离,该工程隧洞最长为1 226.77 m,拟计划单头掘进1 000 m,则通风距离选择为1 000 m;P100为百米漏风率,取2%。

计算得到:P=1.25。

则其风机的供风量应不小于Qmax=Q×P=150 m3/min。

通过计算得知风机的最小供风量满足150 m3/min即可。经过市场信息匹配,采用压入式通风电机功率约为2×5.5 kW(11 kW)即能够满足通风风量的要求;采用吸出式通风电机则需要采用7.5 kW功率电机方能够达到吸出风量要求;若采用混合式通风方式则需要选择压入式电机功率为2×2.2 kW(4.4 kW),吸出式电机功率为5.5 kW,合计电机功率为9.9 kW方能够达到通风风量的要求。

从能耗方面分析得知:吸出式通风设备的功率小于混合式通风设备的功率,混合式通风设备的功率小于压入式通风设备的功率。若仅从能耗方面考虑,可以选择吸出式通风方式。

三种通风方式的主要设备均采用电动机,其消耗电力能源,较其他工程常用的机械设备采用内燃机消耗化石能源,通风工程属于“环保卫士”。

3.3 安全性

三种通风方式的主要设备一般均设置在洞口,其用电和设备安全能够得到保障;压入式通风采用PVC 增强塑纤布拉链式Φ600风管,具有质量轻巧、安装简便、风量损失大、使用安全性高等特点,安装前必须检查风袋是否有漏风,风袋吊挂与隧洞拱顶平直以确保通风安全[4];吸出式通风风管一般采用铝合金或铁板制成通风管,其具有一定的刚度和硬度,运输和使用较为繁杂,风量损失小,安装工艺复杂、损坏维修和更换难度大、成本高、占用空间体积大等特点;混合式通风风管采用了具有压入式通风和吸出式通风两种特点的材料,能够满足混合式通风的要求,但其占用空间最大,对各工序施工影响大,安全风险更高。鉴于该隧洞的开挖直径仅为3.6 m,隧洞内的可用空间较小,建议采用压入式通风方式。

在通风过程中,笔者建议安装通风监测系统。通过所安装的监测设备实时监测通风风量、风速和空气质量等,以确保通风系统的正常运行,降低隧洞内施工作业人员的安全风险,提升通风效果[5]。

4 结 语

综上所述,该项目对隧洞通风方式的选择主要从通风效果、能耗、安全性进行了分析,经过比较后认为:压入式通风除能耗较高外,通风效果和安全性均优于其他两种通风方式。在充分考虑掌子面作业人员的健康要求后,该项目最终选择了压入式通风方式。笔者建议:类似水利工程小洞径长隧洞选择通风方式时,应综合考虑工程工期要求、施工技术方案选择、炸药的类型等,深入了解施工现场的实际情况,最终根据各种具体需求,结合压入式通风、吸出式通风和混合式通风的特点,选择出最适合的通风方式。同时,还需要考虑工程成本、通风效果和维护难度等因素,做出合理的决策。