壁板坡隧道施工通风方案

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  摘要:长大隧道通风是施工期间需重点解决的问题,壁板坡隧道出口左右线分修,加一贯通平导,共三条隧道平行施工,单口施工七公里以上,国内罕见。五公司施工的壁板坡隧道出口段结合施工组织设计的工作面布置和通风要求进行通风系统设计,计算各工作面所需风量、风压,风机选型必须满足风量、风压的要求,通风效果必须满足各个工作面施工人员职业健康要求及机械设备正常工作要求,根据施工进度分四阶段分别采用压入式通风与巷道式通风相结合,取得较好的通风效果。
  关键词:壁板坡隧道通风方案
  Abstract: The long tunnel ventilation is required during construction focused on solving the problem, siding around the tunnel exit line of slope repair, plus a flat lead through a total of three parallel tunnels construction, single-port construction seven kilometers or more, domestic rare. Five companies construction siding slope at the exit of the face with the construction organization design layout and ventilation requirements for ventilation system design, calculate the required face wind, air pressure, fan selection must meet the wind, air pressure requirements, ventilation results must meet all construction workers face occupational health requirements and mechanical equipment to work requirements, according to the construction progress of the four stages were used forced ventilation and tunnel ventilation combined to achieve better ventilation.
  Keywords: wall sloping tunnel ventilation plan
  中圖分类号:TU74
  1 工程概况
  壁板坡隧道全长14756m,最大埋深约735m,进口位于贵州盘县红果镇上纸厂村,出口位于云南省富源县后所镇三丘田村。 线路设计型式为 “进口合修、出口分修”,合修段长1363m,分修段13393m,出口段左右线最小线间距31.5m。线路坡度设计为人字坡,最大纵坡25‰;辅助坑导为贯通平导,全长14717m。平导单车道断面5.6m×6m面积36.8m2,双线正洞轨上面积为100 m2,单线正洞轨上面积为70m2。
  2 通风标准及设计思路
  2.1 施工通风标准
  洞内作业环境应符合《铁路隧道施工规范》要求,达到以卫生标准:
  (1)每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘不大于2mg。空气中氧气含量按照体积计不小于20%。
  (2)CO最高容许浓度为80ppm。
  (3)洞内最小风速:正洞内不小于0.15~0.25m/s,平导内不小于0.25m/s。
  (4)洞内有瓦斯时,瓦斯浓度应小于0.5%。
  2.2 设计思路
  结合施工组织设计的工作面布置和通风要求进行通风系统设计,依据隧道施工规范计算各工作面所需风量、风压,风机选型必须满足风量、风压的要求,通风效果必须满足各个工作面施工人员职业健康要求及机械设备正常工作要求。
  (1)壁板坡隧道为特长隧道,辅助坑导只有一条贯通平导,且出口段为左右线分修,通风组织较困难。为简化通风组织,施组原则为“平导加快,左线紧跟,右线正常推进”。
  (2)根据施工进度情况,分阶段选用不同的通风方式,进洞初期采用压入式通风方式,在距洞口30米以外安装轴流式通风机,直接对工作面通风;随着工作面前移,横通道与正洞贯通具备巷道式通风条件后则选用巷道式通风,考虑到平导施工超前,断面较小不利于污风排放,利用平导作为新鲜风进风巷道,利用左线正洞排出污风,左线正洞工作面与横通道贯通后,主风机移至平导内,通过风管给各个工作面通风,平导只作为进风通道,进风段的平导不再作为运输通道。
  (3)巷道式通风系统设计,对于降低通风成本具有重要意义,施工组织时应要考虑加快横通道与正洞贯通以及相邻横通道之间的贯通,尽早形成巷道式通风。
  3 施工通风计算
  3.1 风量计算
  风量的计算主要是分别计算出各种情况下所需的通风量,如人员呼吸、稀释围岩释放出的有害气体、爆破产生的炮烟、内燃机械尾气、施工产后的粉尘等所需的风量,选择最大风量作为隧道通风的需风量,一般分为5种情况来计算风量。
  3.1.1 隧道内作业人员呼吸所需要的总风量
  我国隧道施工中采用的是每人3m3/min,因此隧道作业人员呼吸所需的总风量为:
  
  式中:-隧道作业人员呼吸需要的总风量(m3/min);
  -隧道内最多作业人员数量。
  表1各工作面最大工作人数需风量计算表
  
  
  我国隧道计算出的作业人员呼吸所需风量只是参与风量的比较,而不是额外加到其它风量中的最大值上。
  3.1.2 爆破排烟需风量
  作业面爆破产生的炮烟主要包括一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有毒气体以及粉尘。爆破后排出炮烟需风量计算是以一氧化碳为基础的,其计算公式和方法很多,而且通风方式不同,计算方法也有区别。我们隧道采用通风方式是的是送风式通风,根据国内行业现场应用经验,推荐沃洛宁公式。但该公式中Ca为最高容许浓度(MAC),当要求的浓度标准为短时间接触容许浓度(PC-STEL),即15min加权平均浓度时,当b=40L/kg,Ca=0.008%,Pq=1时沃洛宁公式简化为:
  
  式中:—爆破排烟工作面需风量(m3/min);
  —通风时间(min),取15min(由于技术进步通风时间不需30 min,现在一般15 min);
  —同时爆破的炸药量(kg);
  b—每千克炸药产生的CO(L/kg),常见炸药CO产生的量见相关资料,一般取b=40 L/kg,遇到煤层时取b=100 L/kg;
  A—隧道开挖的断面积(m2);
  —通风长度(m);其中,—炮烟的抛掷长度(m),电雷管起爆时,=15+G/5,—安全系数,取1.2。取值:平导56.88m,双线正洞66m,单线正洞58.32m。
  —通风区段内通风管始末端风量之比;先取=1;(按风管不漏考虑)
  —CO要求达到的15min加权平均浓度。取0.008%;《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)规定特殊情况下施工人员必须进入工作面时CO的浓度为100mg/m3,即80ppm或0.008%。
  表2工作面排除炮烟需风量计算表
  
  
  3.1.3 按允许最低风速计算风量
  隧道施工规范规定:风速在全断面开挖时不小于0.15m/s,坑道内不小于0.25m/s,但均不应大于6m/s。
  工作面风量计算:
  —最小风速风量(m3/min);
  V—允许最低风速(m/s)V取0.25m/s;
  A —开挖断面积(m2)。
  表3各工作面最小允许风速需风量计算表
  
  
  3.1.4 按稀释和排出内燃机废气计算风量
  根据隧道施工规范,稀释内燃机设备所需的总风量为:
  
  式中:—稀释内燃机设备废气所需的总风量(m3/min);
  —洞内同时作业的内燃机设备的总功率(kw);
  -每种内燃机设备的额定功率(kw)。
  此式按3m3/(min·kw)供风,实际上执行的是CO浓度为50ppm的卫生标准。风量的计算应按洞内同时作业的内燃机设备的总额定功率计算,有一台算一台,不必用实际功率。
  表4稀释和排出内燃机废气风量计算表
  
  
  平导:259*2+142*1=660kw(2台出碴车1台挖机)
  正洞:259*2+150*1=668kw(2台出碴车1台装载机)
  3.1.5 按瓦斯涌出量计算风量
  若工作面有瓦斯涌出,必须供给工作面充足的风量,冲淡、排出瓦斯,保证瓦斯浓度在允许浓度以下。即:
  
  式中:—排除瓦斯所需风量(m3/min);
  —工作面瓦斯涌出量(m3/min);
  —工作面允许瓦斯浓度,取0.5%;
  —送入工作面的风流中瓦斯的浓度;
  K—瓦斯涌出不均衡系数,K=1.5~2。
  壁板坡隧道根据施工实际情况而定,暂不考虑。
  3.1.6 需风量计算
  通过以上风量计算,平导设计需风量1980 m3/min,单线正洞设计需风量2004 m3/min。
  设计需风量须考虑管路漏风量,根据日本青函隧道公式,需要的风量为:
  壁板坡隧道风管选择的是直径为1.5m的涂塑或浸塑布制成的拉链式软风管,摩擦系数=0.0180,风管百米漏风率平均值=0.95%。平导按L=2500m;正洞按L=2100m考虑,则:
  日本青函隧道公式:
  
  表5需要的风机风量
  
  
  3.2 管路的通风阻力计算
  3.2.1 摩擦阻力
  当管路漏风时,计算公式为:
  
  —管路的摩擦阻力(Pa);
  —摩擦系数;取=0.0180;
  —空气密度(kg/m3)取=1.293kg/m3;
  —过风断面当量直径(m);取d=1.5m;
  —风管百米漏风率平均值;取拉链软风管0.95%;
  L—风管长度(m);平导按L=2500m;单线正洞按2100m。
  —风机工作点风量或送到作业面的风量(m3/s)。
  表6各工作面管道摩擦阻力计算表
  
  
  3.2.2 局部阻力
  风流流经突然扩大或缩小、转弯交叉等的管路时,会产生能量消耗,根据平导和正洞风管布置,平导不拐弯,不变径,正洞(左右线)风管从平导拐入正洞按2次45°“之”字形拐弯考虑,不变径。其按以下公式计算如下:
  
  —管路的局部阻力(Pa);
  —摩擦系数;
  —空气密度(kg/m3);
  A1—管路小断面面积(m2);
  —风机工作点风量(m3/s)。
  =0.008α0.75/n0.8
  α=45°(转角)
  n=R/d
  R-转弯处曲率半径,d-风管直径
  =0.02
  =46.8 Pa
  表7各工作面局部阻力计算表
  
  
  3.2.3 其它阻力
  管道入口=0.6;
  管道出口=1.0;
  管道分岔处=1.0;
  其它阻力按局部阻力的5%考虑。
  3.2.4 管道总阻力
  不考虑风机进口损失,风机全压即为出口全压:
  
  再考虑局部阻力及其它阻力,则风机的风压计算如下:
  表8各工作面风机风压计算表
  
  
  4 通风设备的选择
  4.1 风管选择
  根据壁板坡隧道断面、送风最大距离、需风量、漏风率等选择的风管是直径为1.5m的涂塑或浸塑布制成的拉链式软风管。
  4.2 风机设备选型
  表9设计风量、风压表(摩擦阻力)
  
  
  表10平导选用风机参数表
  
  
  5 施工通风方案
  为便于施工组织和通风组织,左线工作面按照“1个正洞工作面+2個横通道工作面”的原则安排布置,右线安排要与左线拉开一定距离,即在左线已贯通段安排右线工作面施工。
  5.1 第一阶段通风方案(洞口)
  第一阶段通风方案为洞口段,平导与左右线之间通道未贯通,平导与左、右线分别进行通风,通风方式为压入式。
  
  
  图1第一阶段通风方案
  5.2 第二阶段通风方案
   第二阶段通风方案为平导与左线间横通道已贯通,左线已开2个横通道,但横通道施工左线之间未贯通,右线未开横通道,不具备巷道式通风条件,采用压入式通风。
  
  
  
  图2第二阶段通风方案
  5.3 第三阶段通风方案
  左线横通道已贯通,通风机进入平导内,平导为新鲜风进风通道,禁止车辆通行,施工车辆从横通道拐入左线正洞通行。对应左线已贯通段的右线横通道已开展施工,但横通道之间未贯通,通过邻近的平导与左线的横通道从平导进风通道直接给右线供风,采用压入式通风。此方案为现阶段通风方案。
  
  
  图3第三阶段通风方案(现阶段通风方案)
  
  5.4 第四阶段通风方案
  平导超前,左线保持2个工作面施工,平导和左线形成巷道式通风;右线保持3个工作面施工,出口横通道及对应左线通道已贯通,从进风通道直接向右线采用压入式通风。
  
  
  
  图4第四阶段通风方案
  5.5 射流风机的设置
  (1)风机进洞距离较远时在进风段增设射流风机,加快新鲜风的流速。
  (2)在污风通道上的横通道处设置射流风机进行导流。
  (3)在二衬台车处设置射流风机,加快掌子面至二衬工作面之间的污风排出。
  6 施工通风监测
  (1)管道通风监测:用比托管、U型压力计以五环10点法测试风管全压和静压,用1.2m、1.0m比托管、DGM-9型补偿式微压计测试管道内风的动压。
  (2)气象条件测试:用数字式温度计测试管道内、外气温,用空盒气压表、干湿球温度计测试巷道内各点气压和湿度值。
  (3)巷道通风监测:与管道通风测点相同截面上用电子风速仪以9点法测试巷道风速、风量。
  (4)隧道内炮烟及有害气体扩散规律测试:用P-5型数字粉尘计自动记录各测点烟尘每分钟浓度动态变化,用远红外线CO测试仪记录每个测点炮烟中一氧化碳浓度动态变化。
  (5)施工通风监测可根据需要进行,也可安排定期监测,监测根据测试结果进行通风系统改进。
  表12通风检测设备
  
  
  
  7 效果评价
  壁板坡隧道现为第三阶段通风方案,经实测工作面风速及粉尘含量,能满足通风标准。在通风方案执行过程中,需加强通风系统的维护,否则很难保证通风效果。
  (1)风管挂设要平、顺、直;风管接头采用带内衬裙和两层外密封边的拉链式接头,防止漏风。经常对风管进行检查,发现破损等情况及时处理,对于严重破损的管节,必须及时更换。
  (2)因洞内渗水和温度变化的影响,风管内会积水,故应定期排水,以减少风管承重和阻力。
  (3)通风机专人定期维护保养。
  (4)第三、四阶段通风方案中,横通道贯通后不使用时应进行封闭,防止污浊空气进入平导。
  参考文献:
  [1] 铁道部工程管理中心.铁路隧道施工通风技术与标准化管理指导手册.北京:中国铁道出版社,2009年.
  [2] 中铁二局集团有限公司.铁路隧道施工规范(TB10204-2002).北京:中国铁道出版社,2002年.
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