水下隧道合拢施工临时排风装置研究

韩 中

（上海振华重工集团股份有限公司，海工平台事业部 上海 200125）

水下隧道合拢施工现场，焊接作业量大，以港珠澳大桥最终接头合拢焊接施工现场为例，采用二氧化碳气体保护焊，现场的大量烟气从下往上升，积聚在施工作业上空，并伴随二氧化碳气体从上往下沉，积聚于施工区域底部。若采用传统的上部排风方式，其施工区域的废气从下至上排出的过程，使作业环境内空气更加浑浊，导致施工人员所处作业环境更加恶化，容易造成人身体不适和肺部疾病［1，2］。

另外，随着跨海隧道的长度增大，若将施工作业区产生的废气从隧道相邻其他管节排出，便会造成隧道内空气污染［3］；若将废气引出隧道外排出在岸上，风管的长度近似于隧道的长度，不仅风管对接安装难度加大，而且耗费大量风管管材，使得临时施工通风成本上升［4］。

针对上述问题，本文设计开发了1种施工区域上下同时排风，在尽可能降低管材消耗的情况下，将废气引出隧道外排出在岸上的水下隧道合拢施工临时排风装置及排风方法。

1 装置结构设计

一种水下隧道合拢施工临时排风装置包括软管、风机、关断阀、通舱件、软接头、排风管、金属丝网，风机一端与软管相连，另一端与关断阀相连，关断阀通过通舱件与排风管相连，排风管排风口在施工区域分为上下两路设置，每个排风口安装金属丝网。排风管路的长度延施工隧道的延伸长度而设置；施工区域的新风，可通过最终接头本身的竖井结构自然通风，也可另行增加空调管路。所述通舱件由腹板、通舱件本体、垫片、通舱件法兰和盲板法兰组成，通舱件所有焊缝水密焊接。所述软接头一端连接通舱件，一端连接风管，其为防火材料并内衬钢丝圈。

在下水前，首先将所有通舱件安装于端封门上，并用盲板法兰将通舱件两端水密密封；同时将最终接头内的风管完成预装。最终接头下水后，待结合腔内的水排净构成施工作业区后，拆除通舱件两端的盲板法兰，将风管与通舱件连接，完成风管安装。将轴流风机布置在隧道内，开启风机进行诱导通风，将施工区域内上部的烟气和下部的二氧化碳分别吸入风管，通过风机另一端连接的软管排至隧道外的岸上。若结合腔漏水，可关闭关断阀，拆除端封门上连接通舱件的软管，用盲板法兰重新密封通舱件，保持舱室水密。图1、图2所示。

图1 最终接头施工区域主视图

图2 装置现场实物图

2 参数设计

2.1 新风风量

高峰时工作人员需要的风量：

其中，N取50人，计算可得风量Q1为200m3/min。

按不利工况，计算最小风速Vmin要求的风量：

其中，Vmin取为0.15m/s，Amax为施工最大横截面面积，取为118.3m2，计算可得要求风量Q2不能小于1064m3/min

2.2 排烟风量

由焊机所产生的二氧化碳：

其中，系数16是16台焊机同时工作，二氧化碳气体流量F取为40L/min［5］，计算可得二氧化碳排风量Q3为640L/min。

焊接产生的烟气：

其中，M为施焊时发尘量，取为650mg/min［6］； C为焊接产出的烟气容许的最大浓度，取为2mg/m3计算可得焊接烟气量为648m3/min。

施工所需风量Q为要求的最大新风量与排烟风量之和，计算可得1712.64m3/min。

2.3 阻力计算

等效摩擦风阻：

其中，摩擦系数取为0.0029kg/m3；L为施工隧道长度，取为5348m；D为排风管直径，取为0.45米；计算可得等效摩擦风阻15.5N·S2/m8。

排风压力损失：

其中，Qm为风机出口风量，取为2000m3/min；QL为5348m处管内流量，取为650m3/min；将等效摩擦风阻代入，计算可得排风压力损失5580Pa。

3 优化设计

3.1 材料选用

在排水腔施工作业区，考虑防火和预装要求，可采用钢质管；而排水腔外的隧道内，由于施工隧道长度长，并且仅仅是为施工临时安装排风装置，施工完毕后将拆除。因此，为降低施工成本、提高安装效率和减少施工时间，可选用PVC塑料管替代钢质管。

3.2 降低阻力

降低风管阻力是实现水下隧道合拢施工临时排风经济性和实用性的关键，而等效摩擦阻力与装置排风管的直径成反比。因此，在管隧中廊道作业空间布置允许的条件下，加大风管直径，可有效降低管道内等效摩擦阻力，减少压力损失。此外，增大风管节长，可减少接头个数，从而减少漏风量，现场实践证明，25～30m比较适用。

3.3 提高排风管安装质量

要保证装置运行后良好工作，排风管安装时，其吊索要拉直拉平。由于隧道管节内采用PVC排风管，重量较轻，吊环间距可较钢质管适当增大，间隔约为2m。安装时保证排风管平稳、对中，待水下隧道合拢施工临时排风装置运行后，排风管自然平直。

4 结束语

本文设计开发了1种隧道合拢施工临时通风装置，具有以下特点：第1，结构简单，安装方便，能够在下水前完成主体部分预装，减少水下安装作业量，从而减少施工时间。第2，装置上下同时排风可将烟气与二氧化碳分别吸入，减少两种气体对流，施工环境得到显著改善。第3，风机出口采用软管代替钢质管，可大幅减少管材消耗，从而降低施工期间临时通风的成本。第4，使用软管连接通舱件与排风管，不仅能够校准钢质风管的安装误差，而且可以在漏水时快速拆卸。第5，通舱件盲板法兰与关断阀的设计，可以有效应对作业空间漏水切断隔离的紧急情况。