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小断面长隧洞通风研究

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：朱顺洪徐钰辉

[导读]

        浙江华东工程咨询有限公司浙江杭州 311100
        1.工程简介
        梅州抽水蓄能电站地处广州～汕头粤东部分的中部，位于广东省梅州市五华县南部的龙村镇黄狮村境内，电站上、下水库均位于黄狮村内。上水库在龙狮殿，下水库在黄畲，上、下水库集水经先水河汇入琴江，属韩江流域琴江河支流。上、下水库落差约400m。电站距广州市直线距离210km，距汕头市直线距离约120km，距五华500kV变电站直线距离约8km，距梅州市、汕头市的公路里程分别为166km、222km。
        电站装机容量2400MW，共装设8台单机300MW立轴、可逆、单级混流式水泵水轮电动发电机组，发电库容按周调节考虑，电站满装机发电时间为14h。电站拟分期建设，上、下水库按终期规模一次建成，一期装机1200MW。
        梅州抽水蓄能电站自流排水洞洞口位于进场公路K5+000～K5+020之间底部大梧溪河右岸的岸坡上，洞口高程为293.500m；尾部（地下厂房端）接厂周底层排水廊道右侧，控制高程298.000m。自流排水洞全长3593.886m，坡度为1.25‰。自流排水洞断面采用城门型断面，断面净尺寸为3.0m×2.9m（宽×高）。洞室围岩以Ⅱ类～Ⅲ类为主。
        7#施工支洞（主要作用是为自流排水洞开挖支护提供施工通道）与乡道Y318相接，洞口位于上坪冲沟左岸岸坡上，洞口高程为324.000m；支洞尾部接自流排水洞（桩号P1+755.566m），底板高程295.698m。7#施工支洞全长600.454m，坡度为4.71%。支洞断面采用城门洞型，断面净尺寸为3.0m×3.0m（宽×高）。洞室围岩以Ⅱ类～Ⅲ类为主。
        隧洞开挖采用手风钻钻孔、2#岩石乳化炸药爆破、扒渣机装车、小型自卸汽车运输出渣的方式施工，循环进尺按Ⅰ～Ⅲ类围岩2.0～2.5m、Ⅳ类围岩1.8m、Ⅴ类围岩1.4m进行控制，最大装药量约为32kg。
        2.隧洞通风的目的
        在长隧洞施工过程中，由于隧洞深入到山体之中，隧洞中的氧气量较少，并且混合油非常多的有害气体导致隧洞中的空气质量差，严重威胁施工人员的身体健康。采取相应的通风措施可以使有害气体的浓度得以降低，保证施工人员身体健康，提高施工效率，保证施工安全有序地开展。隧洞施工通风的过程是不断向洞内提供新鲜空气，用新鲜空气冲淡和排除各种有害气体、粉尘和烟尘，使其浓度降到规定的允许范围以内，给施工人员创造相对较好的气候条件，改善洞内的施工环境。
        3.小断面长隧洞通风普遍存在的问题
        影响隧洞开挖支护施工期间内空气质量的因素主要包括：爆破开挖、出渣产生的粉尘；喷混凝土施工产生的颗粒物；施工机械设备产生的废气。
        以梅州抽水蓄能电站（下称梅蓄电站）为例，由于洞径小，洞身长，随着隧洞不断开挖，隧洞不断增长，梅蓄电站自流排水洞开挖掘进至P2+464.0桩号处初期设计的通风系统通风排烟效果越来越差，掌子面空气质量已不能满足正常的施工要求，进而影响施工进度，急需对通风系统进行优化。
        4.通风量的计算及确定
        4.1 通风量计算理论依据
        洞内施工所需风量根据洞内同时工作的最多人数所需要的空气量，或使同一时间爆破的最多炸药量梁产生的有害气体降低到允许浓度所需要的空气量，或使同时在洞内作业的内燃机械产生的有害气体稀释到允许浓度所需要的空气量，或满足洞内允许最小风速要求等条件进行计算确定。以其中最大者选择通风设备。
        4.2 计算参数的确定
        隧洞断面面积：S=11㎡
        同时爆破的炸药量：Q=32kg
        通风距离：L1=1755.6m（7#施工支洞贯通前，桩号0+000.0~1+755.6段）
        L2=2438.3m（7#施工支洞贯通后，桩号1+755.6~3+593.8段）
        洞内最多作业人数：m=10人
        爆破后通风排烟时间：t≤30min
        塑料管道百米漏风率：P=1.5%
        4.3 施工人员所需风量
        Vp=qmk=3×10×1.5=45m³/min               ——（1）
        式中 Vp—施工人员所需风量，m³/min；
        q — 洞内每人每分钟所需新鲜空气量，取3m³/min；
        m — 洞内同时工作的最多人数，取10人；
        k — 风量备用系数1.3～1.5，取1.5；
        4.4 爆破散烟所需风量
        4.4.1 按纯稀释炮烟的理论计算风量
        VL=5QB/t=5×32×0.04÷30=0.21 m³/min      ——（2）
        式中 VL — 爆破散烟计算风量，m³/min；
        Q — 同时爆破的炸药量，取32kg；
        B — 炸药爆破所构成的折合一氧化碳体积，根据规范取40L/kg；
        t — 通风时长，t=30min；
        4.4.2按通风方式计算风量
        （1）从开挖面至稀释炮烟到安全浓度的距离L’
        L’=400Q/S=400×32÷11=1163.6m            ——（3）
        工程实际洞口至工作面最大的通风距离：
        L1=1755.6m（7#施工支洞贯通前，桩号0+000.0～1+755.6段）
        L2=2438.3m（7#施工支洞贯通后，桩号1+755.6～3+593.8段）
        因L1、L2均大于L’，故式（4）中的安全距离L均取值1163.6m。
        （2）压入式通风

        式中 Vy—压入式通风计算风量，m³/min；
        S — 隧洞断面面积，取11㎡；
        L — 开挖面至稀释炮烟到安全浓度的安全距离，取1163.6m；
        （3）吸出式通风

        式中 Vx — 吸出式通风计算风量，m³/min；
        Q — 同时爆破的炸药量，取32kg；
        S — 隧洞断面面积，取11㎡；
        布置时，风管吸风口距工作面的距离Lx宜小于风流有效吸程Lx’。

        若Lx＞Lx’时，则按公式计算的吸出风量需增加20%。
        此时，Vx=52.6 m³/min。
        （4）混合式通风

        （式中，M=QS2Ly2=32×112×302=3484800）
        混合式吸出时：Vhx=1.3Vhy=51.2m³/min          ——（8）
        上述两式中，Vhy — 为混合式压入通风量，m³/min；
        Vhx — 为混合式吸出通风量，m³/min；
        Ly — 压风管口至工作面距离，取30m。
        4.4.3 洞内最小风速所需风量
        Vd≥60VminS=60×0.25×11=165m³/min            ——（9）
        式中，Vd—保证洞内最小风速所需风量，m³/min；
        Vmin—洞内允许最小风速，取0.25m/s；
        S — 隧洞断面面积，取11㎡；
        4.5 使用柴油机械时的通风量
        洞内使用柴油机械时，需考虑与同时施工的人员所需的通风量叠加。
        Vg=V0N+qmk=4×24+3×3×1.5=109.5 m3/min        ——（10）
        式中，Vg — 使用柴油机械时的通风量，m3/min；
        Vo — 单位功率需风量指标，根据规范取4.0m³/kw.min；
        N — 同时在洞内工作的柴油机械的总额定功率，本工程出渣采用2辆小型自卸汽车，取24kw；
        q — 洞内每人每分钟所需新鲜空气量，取3m³/min；
        m — 洞内同时工作的最多人数，取3人；
        k — 风量备用系数1.3～1.5，取1.5；
        4.6 通风量的确定
        根据规范及施工手册，通风量的确定一般取上述各式计算结果的最大值。而从式（1）～式（10）的计算结果可见，由于通风方式的不同，其最大值有两种情况，分别如下：
        1）采用吸出式或混合式通风时，V=165 m³/min；
        2）采用压入式通风时，V=456 m³/min；
        5.通风机工作风量计算
        5.1采用吸出式或混合式通风时的工作风量
        自流排水洞及7#施工支洞均采用风管式通风，其风机工作风量分别为：
        Vm1=（1+PL1/100）V=（1+1.5%×1755.6÷100）×165=208.5 m³/min       ——（11）
        Vm2=（1+PL2/100）V=（1+1.5%×2438.3÷100）×165=225.3 m³/min       ——（12）
        式中，Vm — 风机工作风量，m³/min；
        V — 洞内施工需要的有效风量，165m³/min；
        L1、L2 — 分别为7#施工支洞贯通前后的风管长度；
        P — 100m塑料风管漏风量，取1.5%。
        5.2 采用压入式通风时的工作风量
        自流排水洞及7#施工支洞均采用风管式通风，其风机工作风量分别为：
        Vm1=（1+PL1/100）V=（1+1.5%×1755.6÷100）×456=576.2 m³/min      ——（13）
        Vm2=（1+PL2/100）V=（1+1.5%×2438.3÷100）×456=622.6 m³/min     ——（14）
        式中，Vm — 风机工作风量，m³/min；
        V — 洞内施工需要的有效风量，456m³/min；
        L1、L2 — 分别为7#施工支洞贯通前后的风管长度；
        P — 100m塑料风管漏风量，取1.5%。
        6.通风机工作风压计算
        自流排水洞及7#施工支洞的通风机工作风压分别为：
        Hm1=Hky1+Hp1=（1+25%）Hky1=1.25×0.05×1755.6=109.5 mmH2O       ——（15）
        Hm2=Hky1+Hp1=（1+25%）Hky1=1.25×0.05×2438.3=152.5 mmH2O       ——（16）
        式中：Hm — 风机工作风压，mmH2O；
        Hky — 沿程风压损失，mmH2O，计算式为Hky=μL；
        Hp—局部风压损失，mmH2O，此处按沿程风压损失的25%计；
        μ—每米风管沿程损失，mmH2O/m，按“通风计算诺模图”查得，μ=0.05；
        L1、L2 — 分别为7#施工支洞贯通前后的风管长度；
        7.通风机的电动机容量计算
        7.1 采用吸出式或混合式通风时的电动机容量
        自流排水洞及7#施工支洞的通风机的电动机容量分别为：
         =（3.48×109.5×1.2×1.2）÷（102×80%×1）=6.7KW      ——（17）
         =（3.76×152.5×1.2×1.2）÷（102×80%×1）=10.1KW      ——（18）
        式中：N1、N2 — 通风机电动机容量，KW；
        Vm1、Vm2 — 通风机工作风量，分别为3.48m3/s、3.76 m3/s；
        Hm1、Hm2 — 风机工作风压，mmH2O；
        η1 — 静压效率，取80%；
        η2 — 机械传动效率，直接传动，取1.0；
        B — 电动机容量储备系数，取1.2；
        γ — 空气重率，取1.2kg/m3。
        7.2 采用压入式通风时的电动机容量
        自流排水洞及7#施工支洞的通风机的电动机容量分别为：
         =（9.6×109.5×1.2×1.2）÷（102×80%×1）=18.6KW     ——（19）
         =（10.4×152.5×1.2×1.2）÷（102×80%×1）=28.0KW     ——（20）
        式中：N1、N2 — 通风机电动机容量，KW；
        Vm1、Vm2 — 通风机工作风量，分别为9.6m3/s、10.4m3/s；
        Hm1、Hm2 — 风机工作风压，mmH2O；
        η1 — 静压效率，取80%；
        η2 — 机械传动效率，直接传动，取1.0；
        B — 电动机容量储备系数，取1.2；
        γ — 空气重率，取1.2kg/m3。
        8.通风方案比较及选择
        根据上述计算结果，自流排水洞及7#施工支洞的通风方式及通风机的选择有以下几种方案：
        方案一：采用吸出式通风，宜在作业面附近分别布置一台风机，其电动机容量应分别大于6.7KW、10.1KW，且工作风量分别不小于165m³/min。
        方案二：采用混合式通风，宜在两个洞口及相应的作业面附近分别布置一台风机，其电动机容量两两叠加后应分别大于6.7KW、10.1KW，且工作风量两两叠加后分别不小于165m³/min。
        方案三：采用压入式通风，宜在两个洞口分别布置一台通风机，其电动机容量应分别大于18.6KW、28.0KW，且工作风量不小于456m³/min。
        现将上述三种方案比较如下：
        表7.1 方案对比表