1、概况
位于延安市延川县的黄河引水工程是陕西省委、省政府确定的全省“双网”联合调度重点供水工程和省重点水利工程,是延安市“十二五”规划建设的重大水源工程。其关键环节就是杨家山输水隧洞,全长11.34km。因为较长,所以设置了 10 个工作面,分 5 个标段施工。隧洞为圆拱直墙型,断面尺寸宽 2.5m,高 3.05m。输水隧洞进口位于柏树坬山塬上,出口位于清涧河左岸坡。工程采用钻爆法施工、全断面开挖及小型运输车运输进行施工,整个工程于 2011年 11 月开工建设。
2、 施工中通风遇到问题
由于杨家山输水隧洞较长,且工程量大,所以施工中的通风特别重要。因为其地质结构复杂,隧洞离地面埋藏较深,使得隧道施工通风较难,其技术难点主要表现在以下几个方面:
(1)原设计施工装渣为耙渣机,实际开挖中发现,部分石渣粒径较大,以至耙渣机无法满足施工要求,我们改为小型装载机出渣,氧气消耗量加大,加大了通风需求量。
(2)原设计施工出渣为农用三轮车,由于该标段有斜井,而且坡比较大,农用三轮车安全性较差,因此,我们实际采用小型四轮农用汽车进行运输,也加大了氧气的消耗量,对通风效果提出了更高要求。
(3)设计斜井及主洞断面尺寸较小,宽×高为 2.5m×3.05m,洞内采用小型运输车运输,运输设备的宽×高为1.8m×2.2m,剩余空间很小,还要布设风、水、电路,再安通风管,实际工作断面更小,根本无法安装吸风管及设备,同时由于施工过程中风带损坏较严重,风损较大,以至通过斜井送入主洞的风量明显不足,洞内空气质量无法保证,随着开挖进尺的加大,极可能造成洞内缺氧。
(4)单口通风距离长;斜井与主洞交点至Ⅱ、Ⅳ两标段交汇点的距离达 2160 m,加上李家沟斜井约 728 m,单口通风距离长达2888 m,使得通风速度慢、效果不佳。
(5)进入主洞后,上下游两个掌子面同时开挖,如果洞外送风量不足,极有可能形成上下游烟气串流的现象,非常不安全。
(6)洞内气压小于洞外,且斜井与主洞高差超过 50m,会造成洞内烟气不能排除或者排除缓慢的问题。
(7)无法增设竖井通风的方案,由于Ⅲ标段主洞埋深较大,基本在 150m 左右,而且打井的位置都只能选在山上,施工难度大,工期长,不可能及时解决洞内的通风排烟问题。
(8)原设计的通风方案,通风经过斜井在交接处转弯再送到主洞工作面上,风量明显不足,以致洞内空气质量极差,作业人员的健康及安全受到直接影响,而且随着施工掘进深度的进一步加大,问题将会更严重。
3、 通风设计方案
隧道施工中常用的通风方法有机械法、巷道法、管道法,其中管道法按其送风方法可分为压入法、吸出法、混合法三类。压入法的优点是排污浊空气速度快,安装拆卸简单方便,缺点是空气通过全部通道;吸出法的优点是施工操作点空气快速净化,空气质量较高,但是风机需要频繁地移动,噪音污染大,管道易漏风且会造成重复污染;混合法虽然是施工隧道通风中最佳的,空气质量好、速度快,但是受施工隧道的空间限制,难以实施。根据杨家山隧道的实际施工情况,综合考虑多种制约因素,认为压入法较为合理、可行。针对施工通风中存在的问题,我们主要从以下几个方面去解决。
3.1 洞内的温度与风速及空气标准
在洞内实施机械施工,会产生大量的热量,增加洞内空气的稀薄程度。因此,我们要以通风速度来降温。其中温度与风速及空气标准按照我国《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》(DL/T5099-1999)的规定,根据不同的温度,按表 1 调节洞内的风速,以提高散热效果,但工作面附近的最小风速不得低于 0.15m/s,最大风速也不得大于 4.0m/s。
规范规定洞内每个作业人员应供新鲜空气 3m3/min。洞内空气中氧含量为 10%以上,游离 SiO2粉尘的最高浓度为 2mg/m3。
3.2 通风量分析
3.2.1 施工通风分析。根据施工经验及国内外有关资料介绍,在独头巷道掘进时,如爆破后立即开始通风,当采用电雷管起爆时,则炮烟的扩散距离为 25m 左右。在爆炸的瞬间及之后数分钟内,被炮烟污染的仅是距工作面几十米的隧洞空间。如能采取有效措施,及时将炮烟控制在抛掷距离附近,防止扩散,则能大大减少排烟所需的通风量,缩短通风时间,且可减轻或避免污染整个隧洞。
3.2.2 设计参数。(1) 开挖断面积 S = 10.48m2;(2) 一次开挖进尺 2.0 m;(3) 一次爆破用药量 G= 64kg;(4) 洞内最多作业人数 15 人;(5) 爆破后的通风排烟时间 t= 30 min;(6) 通风管( 筒) 直径 d= 0.8 m;(7) 空气质量密度 C= 1.2 kg/m3;(8) 重力加速度 g= 9.8 m2/s;(9) 风管(筒)一个接头的漏风率 Pt=0.003。
3.3 通风方式与布置
通风方式与布置应根据施工方法、设备条件、掘进长度、开挖面积以及污染物质的含量与种类等情况确定。选择通风方式的一般原则:有轨运输施工的隧道宜采用吸出式或混合式通风。无轨运输施工的隧道宜采用压入式或变换式通风。有平行导坑施工的隧道宜采用巷道式通风。自然通风因其影响因素较多,不稳定且不易控制,长距离掘进的隧道应避免采用。通风方式的选择应考虑污染源的特性,且要有利于快速施工。本隧道的主要污染源为爆破产生的炮烟及内燃机产生的有害气体。因此,根据本工程的实际情况,采用压入式通风,风管末端距掌子面的距离小于5 S姨,S 为隧道开挖断面面积。
3.4 通风量计算
施工人员所需风量:Vp=upmk式中,Vp———施工人员所需风量,m3/min;Up———洞内每个人所需新鲜空气量,为3m3/min;m———洞内同时工作的最多人数,取m=15;k———风量备用系数,取用 1.10~1.15。则 Vp=3×15×1.15=52(m3/min)。按洞内要求最低风速所需风量:V1=V×S×60式中,V1———工作面设计风量,m3/min;V———最小风速,m3;S———最大断面积。则 V1=0.15×10.48×60=94.32m3/min。按稀释爆破炮烟计算风量:V2=19/t GLA姨式中,t———通风时间,取 20 min;G—一次爆破用药量,取 64kg;L———从工作面至炮烟稀释到允许浓度的距离,即临界长度,取 100 m;A———开挖断面积 10.48m2。则 V2=246.03(m3/min)。
通过上述计算,稀释爆破炮烟所需风量最大,故 V= 246.03 m3/min 作为风管的末端风量。
3.5 导风装置形式选择
导风装置可根据制造材料的不同,分成由帆布、人造革、塑料及胶皮等做成的柔性风筒和由铁皮、铝板等做成的金属风管。根据本工程的特点,决定选用帆布风筒,它具有重量轻,连接、悬吊方便等特点。选择风筒时,要考虑风筒的漏风率和风阻。
3.6 选择通风机
选择通风机主要是依据风量和风压,以及确定在这样的风量和风压条件下通风机的功率。我国目前生产的隧道开挖通风机都是配套设备,只要由供风量和风压选定相应的设备就行了,不需计算动力。通风机有轴流式和离心式两种,出厂产品都有主要技术性能说明书或附有通风机特性曲线,因此,可以按计算出的 QI 和全负压 H 从产品说明书中选取;或根据 H=R 给出风筒特性曲线,找出它与通风机特性曲线的交点,即工况点,选取所需的通风机。结合本工程特点,选用轴流式通风机,因其比离心式通风机体积小,安装方便,效率也高,但噪音较大。
4、 通风方案的实施
(1)经计算可知,在斜井施工时,洞口选择SDFNO8/Ⅱ的风机能满足斜井施工要求。
(2)当主洞施工时,通风经过斜井在交接处转弯再送到主洞工作面上,风量明显不足,以致洞内空气质量极差,作业人员的健康及安全受到直接影响,而且随着施工掘进深度的进一步加大,问题将会更严重。因此,为了保证洞内作业人员的安全,保证工程能够顺利按期完工,在主洞施工期间,通风方案变更为斜井洞口采用 SDF№10/Ⅱ的风机供风,以加大洞外供风量,斜井段通风管采用 φ800mm 负压变形导风筒,以减小风损。
(3)主洞开挖至一定距离后,会采用双掌子面同时施工,此时单口通风就会出现串风现象,所以在斜井桩号 0+691 处,垂直主洞轴线方向开挖一通道,与主洞相交,做 20m 隔断,用 50cm 砖墙封堵,将风送入隔断内,再向上下游工作面送风,上下游各选用 1 台 SDF№8/Ⅱ轴流通风机送风,风管用 φ800mm 帆布风带,如图 1 所示。
5、 结语
小断面的隧洞施工通风一直是我国地下工程施工中常遇到而又难以解决的问题,特别是像杨家山输水隧洞这样小的断面、如此长的距离,极其困难的施工通风环境,没有先例。此项通风技术的成功应用,在国内水电基建工程越来越多的情况下,具有非常积极的实践意义。一是极大地改善了施工环境,保护了施工人员的健康和安全;二是大大缩短了爆破后的通风排烟时间,加快了施工作业循环,保证了整个工程进度;三是节约了成本,创造了经济效益。陕西水利。
