对螺旋曲线公路隧道施工通风的研究

李 洲

(中铁十七局集团上海轨道交通公司,上海 200135)

对螺旋曲线公路隧道施工通风的研究

李 洲

(中铁十七局集团上海轨道交通公司,上海 200135)

通过全长2 332 m的老店子1#螺旋曲线公路隧道施工中的通风方案的比选,揭示了在长大隧道无轨运输施工方案中,计算通风机总供风量方法,并大胆进行了高压送风的设想,在这一领域进行了一些探讨。

隧道; 无轨运输; 通风

云南省水富至麻柳湾高速公路老店子1#螺旋曲线隧道位于云南省水富县境内,全长2 332 m,为上下行分离式双线公路隧道,隧道有效净宽9.75 m,有效净高5.0 m。其右幅隧道起止桩号为K40+025～K41+ 153,全长1 128 m,右幅位于R=537.818 m和R=253.977 m的卵形曲线上,纵坡采用+0.72%单向坡,最大埋深约为349 m;左幅隧道起止桩号为K40+125～K41+329,全长1 204 m,左幅位于R=561.902 m和R=312.531 m的卵形曲线上,纵坡采用+0.44%单向坡,最大埋深约为335 m。隧道出口端与该合同段控制工期性工程的一座大桥相连,且出口施工场地狭小,无法进行桥隧共同作业,故该隧道只能在进口端进行单口作业施工。

由于既有设备、工期及投资等诸多因素的影响,该隧道施工组织设计采用无轨运输施工方案。由于该隧道独头掘进1 km以上,且又位于卵形曲线上,因此,隧道的通风排烟问题便成为首要解决的难题。

1 总供风量的计算

1.1 隧道内有害气体的构成及通风排烟卫生标准

根据国内外研究资料表明,采用无轨运输掘进方案施工中,隧道内有害气体的主要来源有两个,即钻爆掘进时爆破作业产生的有害气体及出碴时工程机械不完全燃烧时产生的有害气体,其余的污染主要来自于工程机械作业时产生的有害气体。隧道内有害气体的主要成分为一氧化碳、氧化氮、碳化氢、氧化硫、醛等,同时,柴油机械还排出大量的煤烟,再加上隧道掘进时产生的粉尘,相互影响,严重威胁人体健康。迄今为止,解决隧道施工作业中有害气体的唯一办法仍然是加强通风排烟。

1.2 不同的供风总量计算理论

长期以来,隧道作业中所需要的通风总风量,全世界尚无合适的公式可计算,始终停留在根据经验来推断,或采取不同的公式计算后取最大值作为通风量选择的依据。

1)按隧道内最小风速计算风量

铁路部门常采用“在规定的时间内将同一时间爆炸的最多炸药产生的有害气体降低到允许浓度之下”的计算理念来计算风量,即Q≥VminS。

该种计算方法在衡广铁路复线大瑶山隧道、成昆铁路乌斯河隧道等长大铁路隧道施工中取得成功,但上述几座隧道均采用有轨运输,隧道掘进时爆破作业产生的有害气体占据绝对主导。随着隧道掘进方式方法及隧道施工机械的进步更新,越来越多的隧道(尤其是断面较大的公路隧道)将无轨运输作为首选方法。由工程机械在施工过程中不完全燃烧产生的有害气体已远远超过隧道爆破作业时产生的有害气体,占据隧道内有害气体总量的主体,采用上述方法验算所得出的结论显然不符合施工现场的客观实际,明显偏小。

2)按隧道内作业的最多总人数所需的新鲜空气计算风量

广大铁路施工部门长期实践证明,当每分钟供应新鲜空气满足3 m3/(人·min),即可保证工人的身体健康,即总供风量为Q总≥3S。

随着隧道掘进方法、施工科技的进步,直接在现场从事施工作业的一线员工日益减少,而机械设备作业所排放的有害气体及机械自身耗费的氧气越来越多,仍按隧道中施工人员的数量计算所需新鲜空气的数量,显然偏少。

3)按施工中坑道内空气的最小流速来计算风量

施工坑道内空气的流动是一个较为复杂的过程,不仅涉及到通风空间的大小、断面形式,还涉及到隧道内作业车辆往来造成的“活塞风”、隧道内外温度差引起的气压差,从而直接影响到隧道内外空气的自然对流速度。因此,纵然严格按计算的风量提供新鲜空气,但隧道内空气的实际流速与计算流速相差甚远,该理论的前提条件完全建立在一个与事实差别较大的假设的基础上,仅可供参考。

4)按内燃机作业的总功率计算所需的风量

在无轨运输施工方案中,由工程机械在出碴时产生的废气约占整个隧道全部废气总量的75%,通常,采用每千瓦功率机械设备的供应风量不少于3 m3/min来计算总供风量。公式为:Q=μ1∑qi。

显然,对于长大隧道的无轨运输方案来讲,利用该方法得出的结论相对而言比较切合实际。但由于工程机械发展的不均衡性,不同种类和同一种类的工程机械在新旧不同时期以及机械设备在不同的保养状态,其做相同功所排放的有害气体截然不同,必须进行调整;同时,机械设备在隧道施工中,决不是始终处于满负荷工作状态,决不能仅依靠机械设备的额定总功率来计算所需要的供风量,而应引入机械设备的状态系数μ2及同时工作系数μ3的概念,具体情况具体分析,才能得出最切合实际的数据。

从表1可以得出,采用前三项计算所得的总风量结果明显偏小,与该方案理论上存在的误差相吻合,上三项只能作为总需供风量的下限;第四项由于未采用系数进行折减,因此计算结果偏大,只能作为总需求供风量的上限;而第五项采用系数折减后,计算结果比较符合实际情况,应作为选择通风机的重要依据。

2 风压计算

在进行通风排烟设计时,常常有一个误区,认为只要所选择通风机的总供风量满足设计要求即可,事实上,通风机所提供的供风量仅仅是在未接风管时的理论进风量(相当于机械设备的空载状态),通风机在接通风管后,经过长距离输送后,实际到达作业面的风量是经过漏风折减并克服沿途各种阻力后出口数值。

沿途风压损失:hf=9.8λu LQ2/S3

计算风量:Q=PQ计,

其中,L为通风管长度(m);d为通风管直径(m);u为通风管周边长度;S为通风管过流断面积(m2);λ为沿途阻力系数,取3×10-4;P为漏风系数,取1.85;Q计为设计供风量(m3/s)。

3 隧道通风方案实施情况及优化方案的设想

该方案初步实施阶段,隧道通风效果较好,洞内空气质量各项指标均能满足规范标准要求,但随着隧道掘进尺度的不断增加,洞内空气状况不断恶化,掘进深度达到800 m以后,洞内空气质量已明显不能满足标准要求。要彻底改善隧道掘进时隧道内的空气状况,及时有效地排出工程内燃机械产生的废气及爆破作业时产生的有害气体,必须进一步增大作业面的总供风量。

3.1 加大通风机总供风量的常规方法

增大通风机总供风量的方法有:增大主机功率;加大通风管直径;改变风管的材质与结构,以减少风管漏风率及阻力系数等。

3.2 采用高压供风的设想

鉴于空气具有可高度压缩的特征,参照远距离供电的做法,先采用空气压缩机,将新鲜空气高度压缩,并采用无缝钢管输送到作业面附近,然后,再采用压力容器,将高压空气降为常压,并通过消声处理后,释放到作业面(主要出口处风速不大于10 m/s即可)。

4 结 语

随着科技进步,地下工程及公铁路隧道的长度不断延伸,施工过程中的通风这一古老的难题,越来越制约着人们前进的步伐,仅仅依靠常规方法已无法彻底有效地改变这一局面,必须引入全新的方法和观念。该文通过对施工过程中常规通风理念及通风方式的详尽分析,提出了高压供风的设想,值得今后在施工生产过程中进一步研究与探讨。

[1] 王海峰,张春雨,张吉钊.杨家坝隧道无轨运输长独头施工通风技术[J].铁道建筑技术,2002,5(增):39-40.

[2] 杨家松.隧道无轨运输独头掘进超9600m施工通风技术[J].探矿工程,2008(10):66-70.

[3] 谢国权,曾新华.某特长隧道无轨运输施工通风技术研究和应用[J].人民长江,2007,38(11):48-50.

[4] 陈 琳.公路隧道无轨运输条件下长距离施工通风技术[J].铁道建筑,2011(8):33-35.

[5] 雷升翔.对单线长隧道无轨运输施工的在思考[J].世界隧道,1998(2):61-63.

Research on Construction Ventilation in Spiral Curve of Road Tunnels

LI Zhou
(China Railway 17th Bureau Group Co Ltd,Shanghai 200135,China)

The comparison between the ventilation schemes of old 1#spiral curve in high tunnel construction of fulllength 2 332 m revealed the total computation fan air supply method in the tunnel without rail transport construction scheme,and proposed a possible thought of high pressure air supply.Some discussions on tunnel construction ventilation are also carried out.

tunnel; trackless transport;ventilation

2014-04-18.

李 洲(1979-),工程师.E-mail:drzhouqiang@hotmail.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.021