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引水隧洞TBM施工长距离独头通风问题探析

2024-11-18 101 上传者：管理员

摘要：为探究长距离独头引水隧洞TBM掘进施工中通风方案的设计思路及应用要点，以连山县德建水库长距离供水工程为例，从所需风量、风机选型、总送风量、通风管管径等方面展开TBM独头掘进施工通风设计，并对通风系统布置情况进行分析，对通风效果展开监测。结果表明，长距离独头引水隧洞TBM掘进施工通风方案的设计必须综合考虑最不利工况下各种可能的影响因素，并加强方案实施后粉尘浓度监测值与计算值的比较分析，以不断改进通风效果。

关键词：
TBM
供引水工程建设
引水隧洞
通风方案
长距离引水工程
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随着我国供引水工程建设规模的不断扩大，长距离引水工程更加常见。在长距离独头引水隧洞TBM掘进施工过程中，因破岩、钻爆、清渣等施工任务的展开，隧洞内粉尘及有毒有害气体含量持续增大，氧气含量降低，严重威胁施工人员人身安全。长距离独头隧洞施工通风的主要目的在于向洞内输送新鲜空气，加速粉尘及有害气体排出，为洞内提供良好的施工条件，保证施工安全及工效。为确保通风效果，必须提前展开长距离独头引水隧洞通风方案设计及参数选取研究。基于此，文中依托引水隧洞工程实际，对其长距离独头通风方案展开设计及实施要点分析，以期为此类通风技术的推广应用提供借鉴参考。

一、工程概况

连山县德建水库长距离供水工程引水管线大部分以隧洞形式穿越山脉，山体连续、雄厚，地表植被发育，隧洞所经山体高程在300～800m之间；其余埋管线路则位于地势平坦的河流冲积阶地。输水隧洞设计长度为7,500m。隧洞进、出口段分别长300m和200m，采用钻爆法施工；通过钢筋砼结构内部衬砌后成为净宽4.5m、净高4.35m的城门洞型式；长度为7,000m的中段则采用TBM施工，开挖洞径按照4.0m确定，喷混凝土后净洞径缩小为3.8m。根据围岩类别隧洞衬砌主要采用设计厚度300～400mm的C30钢筋砼。隧洞开挖断面采取城门洞和圆形洞两种形式，断面底宽4.0～5.6m，高5.13～5.30m，并展开挂钢筋网、锚固剂锚杆、系统锚杆等不同形式支护。

综合室内试验结果以及工程地实测成果，该供水工程引水隧洞全线岩土层主要物理力学指标取值情况见表1。其中(2)-1层淤泥质土及部分黏土、粉质黏土呈软塑状，含水量高，抗剪强度低，不适合展开放坡开挖，必须加强临时支护。

二、TBM独头掘进施工通风设计

表1 岩土层主要物理力学指标取值情况

对于引水隧洞TBM施工过程而言，长距离独头通风设计阶段主要展开最不利工况下所需风量、回风速度、风机风压、风机实际出风量等的计算与确定[1]；同时还应结合实际施工规模进行隧洞内允许施工人员数量、最低风量、设备允许功率等的确定，便于指导通风设备选型及机械配置。

1．所需风量

结合现行规范，隧洞施工作业面所需风量应为充分考虑开挖断面面积后将同时作业内燃机械释放有害气体稀释至允许浓度的总风量。故该引水隧洞TBM施工长距离独头通风所需风量为排尘最低风速计算风量与稀释内燃机具释放气体所需风量两者中的较大值[2]。其中，排尘最低风速计算风量按下式确定：

式中：Qf为排尘最低风速计算风量，m3/s;S为引水隧洞开挖断面面积最大值，㎡；V为引水隧洞内允许风速最小值，m/s。根据相关参数取值，该引水隧洞TBM掘进施工期间排尘最低风速计算风量为37.95m3/s。

此外，考虑引水隧洞内单位施工人员所需风量、内燃机局释放气体稀释所需风量以及内燃机局作业率后得出，稀释内燃机具释放气体所需风量为30.78m3/s。相比后，该引水隧洞TBM施工长距离独头通风所需风量按37.95m3/s确定。

2．风机选型

该引水隧洞TBM掘进施工期间主要通过轴流风机送风。此处展开其总送风量和总风压的计算。

(1）总送风量

轴流风机总送风量是全段风管所泄露风量与施工面所需风量之和。风管中风量和风压分布并不均匀，为保证实际送风量满足设计要求，必须计算风管中每米区段泄露风量，即：

其中：QT为轴流风机总送风量，m3/s;Ql为风管中每米区段泄露风量，m3/s；其余参数含义同前。

(2）总风压

为保证轴流风机能将所需风量顺利吹送至施工面，还必须展开风机配件压损失及施工面风管出口动压[3]等的确定。

式中：为施工面风管出口动压，Pa；ρ为引水隧洞中空气密度，kg/m3;Q为风量，m3/s;S为断面面积，㎡；Pl为风机配件压损失，Pa；ξl为风机配件压损失系数；PT为轴流风机总风压，Pa;P1为轴流风机钟型口压损失，Pa;P2为轴流风机保护网压损失，Pa;P3为轴流风机消音器压损失，Pa;P4为轴流风机风管接头压损失，Pa;P5为轴流风机风管压损失，Pa;为轴流风机含弯头风管压损失，Pa。

结合该引水隧洞TBM掘进施工长距离独头通风实际，将相关参数值代入以上公式，得到的轴流风机相关参数取值，见表2。其中，引水隧洞后两处转弯对应较大的曲率，无风阻形成，故在轴流风机风量计算时忽略两处风阻系数，同时不考虑风管弯头安装。

3．通风管直径

结合相关理论，空气运行于风管内的阻力与其直径反向变动，为此，必须尽可能增大通风管直径。应用TBM展开引水隧洞掘进开挖期间，风带装载盘每间隔300m由运料车输送1次。施工过程中，通过对相应道岔的拖行形成双轨区段，有效缩短等料时间；此类道岔设计高度在0.5m左右。对于设计洞径的施工隧洞而言，应按照以下公式确定通风管直径：

式中：Dm为引水隧洞TBM施工长距离独头通风管管径，m;Dn为引水隧洞TBM施工段净直径，m;hc为长距离独头通风管底管片平台与洞底垂直高度，m;hr为TBM轨道设计高度，m;hs为引水隧洞轨面与相应道岔轨面的高度，m;hp为平车设计高度，m;hd为风带盘设计高度，m;hh为通风管悬挂后下垂高度，m;h0为通风管和临近结构间的最小距离，m。

将以上参数取值代入公式后，得出该引水隧洞TBM施工长距离独头通风管管径为1.74m，故取1.70m整数值。

三、通风系统布置及效果监测

1．通风系统布置

将2台ZVN1-20-630/4型轴流风机布设在该引水隧洞工主洞口，设置高度及与洞口的距离均应按照规范进行确定。顺着隧洞拱顶向布置风筒，借助钢绞线及挂钩将风筒悬吊于拱顶。在TBM后部相应区段预留风袋储存仓，风筒长度根据具体掘进进程而延长，以确保风筒末端风能的较好供应。主洞口掘进段使用φ3,000mm风管，其余洞段则使用φ2,600mm风管，风管节段长度均为300m。

2. TBM施工粉尘含量控制标准

TBM掘进施工中粉尘主要由开挖、破岩、运输、爆破、喷锚等过程产生，其中，刀具破岩是引发粉尘的主要环节。此后环节因TBM除尘系统喷射处理，已经不产生大量的粉尘。

按照《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》（SL378-2017），隧道工程施工期间每单位方量空气内游离Si O2含量在10%以上的粉尘量应不超出2.0mg。此外，《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》（GBZ2.1-2019）中对隧道施工期间粉尘浓度也做出相应规定。结合此类规定，本研究指出，该引水隧洞TBM施工长距离独头掘进期间粉尘含量应控制在每单位方量空气内游离Si O2含量在10%以上的粉尘量在1.0mg以下[4]的水平。

表2 轴流风机参数取值情况

3．通风效果监测

在采取以上通风系统布置思路后，还应将计算值与实际通风效果展开比较，为此，必须加强引水隧洞TBM施工期间通风情况监测。测点的布置见图1。对其中前4个测点所测粉尘实际浓度与计算值展开比较，具体见图2。

图1 TBM掘进施工现场粉尘浓度测点布置

图2 粉尘浓度实测值与计算值的比较

根据比较结果看出，该引水隧洞TBM施工掌子面周围粉尘浓度较大，并逐渐向作业面扩散；掘进机械操作室和连接件周围粉尘浓度也较高，沿程呈骤降趋势；测点3及以后施工区段的粉尘浓度得到较好控制，基本位于安全范围以内；到TBM尾部施工区段，空气中基本无施工粉尘。充分说明，粉尘浓度受隧道掘进长度的影响并不大；且本工程引水隧洞TBM施工期间所采取的通风措施切实有效，通风除尘效果显著。

四、结论

因材料、技术、设备等方面的限制，国内隧道工程长距离通风技术理论研究成果较少，实践经验匮乏，这为隧洞掘进施工长距离通风设计，通风设备的选用，风量及风压等风机参数选取均造成很大困难。考虑到隧道独头掘进施工距离长，洞内施工机械数量多，单纯依靠独头压入通风设备无法达到长距离通风要求。文中分析结果表明，引水隧洞TBM掘进施工长距离独头通风设计阶段必须展开最不利工况下所需风量、回风速度、风机风压、风机实际出风量等的计算与确定，以便为通风设备选型、机械配置及最大风量的确定提供基础。文中分析结果在工程中应用后，结合隧洞内粉尘监测结果，实际粉尘含量略低于计算值，且粉尘含量明显低于规范浓度限值。充分说明文中所提出的引水隧洞TBM掘进施工长距离独头通风设计方案切实可行，在较好满足工程安全施工的基础上，为类似工程洞内通风提供了可借鉴思路。

参考文献:

[1]任勇.长距离隧洞全断面掘进机施工通风设备的选型及运行维护管理[J].四川水泥,2023,(8):207-209.

[2]王锋.中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究[J].施工技术(中英文),2023,52(16):49-56.

[3]曾俊,暴艳利,陈昱钦.基于MathCAD的长距离输水隧洞TBM施工通风计算[J].科学技术创新,2022,(29):123-127.

[4]洪松,孙宝升.深埋长隧洞TBM施工超长距离独头通风解决方案研究[J].海河水利,2019,(5):34-37+50.

文章来源:聂炜婷.引水隧洞TBM施工长距离独头通风问题探析[J].中国水运(下半月),2024,24(11):103-104+107.