隧洞通風(fēng)是個(gè)難題，本篇隧洞工程論文分析施工組織調(diào)整及通風(fēng)需求，設(shè)計(jì)通風(fēng)方案，提出通風(fēng)設(shè)備選型及布置的方法。可以發(fā)表隧洞工程論文的期刊有《橋梁建設(shè)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，由中國(guó)鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司主辦，主要報(bào)道和交流我國(guó)橋梁工作者在科技、設(shè)計(jì)、施工等方面的實(shí)踐成果和理論探討，重點(diǎn)突出橋梁工程領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)計(jì)、新設(shè)備、新材料及最新科研成果，為讀者提供相關(guān)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)信息。本期刊具有準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位和突出的辦刊特色，已成為國(guó)內(nèi)橋梁界具有權(quán)威性的刊物，在全國(guó)橋梁工程領(lǐng)域具有較高的知名度。

　　錦屏二級(jí)水電站引水系統(tǒng)采用 4 洞 8 機(jī)布置形式，包括 A、B 輔助洞共有 7 條深埋特長(zhǎng)隧洞，4 條引水隧洞長(zhǎng)度均在 16. 67 km 左右，為世界規(guī)模最大引水隧洞群。其實(shí)際鉆爆法施工獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了12. 5 km，TBM 獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離達(dá)到了 14. 5 km。隨著工程建設(shè)的陸續(xù)進(jìn)行，隧洞群設(shè)計(jì)及施工組織均有較大調(diào)整。且地質(zhì)等因素也影響隧洞布置，諸如輔引支洞、橫通道及其他交通線路均有所變化，故隧洞群施工通風(fēng)方案也隨之做出了較大的相應(yīng)調(diào)整。特別是在洞身長(zhǎng)度增長(zhǎng)后，洞身段出現(xiàn)通風(fēng)不暢，導(dǎo)致整條隧洞長(zhǎng)期處于污染或死風(fēng)狀態(tài)，生產(chǎn)處于停頓，嚴(yán)重影響工程建設(shè)進(jìn)度和安全。

　　本文針對(duì)錦屏二級(jí)水電站特長(zhǎng)隧洞高污染且嚴(yán)重影響施工人員安全和工程進(jìn)度等通風(fēng)難題，運(yùn)用隧洞通風(fēng)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)試驗(yàn)等手段與方法，充分結(jié)合錦屏工程實(shí)際情況和國(guó)家相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，研究出適合錦屏引水隧洞洞群在不同施工階段(工況) 進(jìn)風(fēng)通道、工點(diǎn)(工作面、隧洞洞段)、出風(fēng)通道等通風(fēng)方案及其參數(shù)。進(jìn)而提出復(fù)雜條件下錦屏特長(zhǎng)隧洞群施工高強(qiáng)度通風(fēng)技術(shù)，以此確保所有隧洞群通風(fēng)質(zhì)量，使得隧洞不會(huì)因空氣污染致使施工停滯，最終確保整個(gè)工程建設(shè)順利完成。

　　1 施工組織調(diào)整及通風(fēng)需求分析

　　由于引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體且沿線隧洞埋深1 500 ～ 2 525 m，受高地應(yīng)力和其他地質(zhì)因素影響，巖爆日趨頻繁且烈度越來(lái)越高，已經(jīng)嚴(yán)重影響所有隧洞掘進(jìn)施工安全和進(jìn)度。由此導(dǎo)致了施工進(jìn)度大幅滯后于原計(jì)劃的不利局面，必須對(duì)施工組織進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新分析和論證。

　　1. 1 施工組織變化

　　依據(jù)隧道工程理論[1-2]，結(jié)合目前施工現(xiàn)狀，采取增加工作面以及提前釋放應(yīng)力等一系列措施可以加快隧洞群掘進(jìn)的速度。為此對(duì)隧洞布置做出了較大調(diào)整，調(diào)整后隧洞群布置見(jiàn)圖 1。

　　1) 增設(shè)排引 1#、2#和 3#隧洞首先，掘出排引 1#隧洞并利用其作為交通和通風(fēng)通道，同時(shí)也可由此通道作為施工支洞分別向上、下游方向掘進(jìn) 3#和 4#引水隧洞，理論上最多可以增加 4 個(gè)工作面。其次，利用排引 1#隧洞作為交通和通風(fēng)通道，從施工排水洞開(kāi)口與 4 條引水隧洞 45°斜交掘進(jìn)排引 2#隧洞，完成后由排引 2#隧洞作為施工支洞分別向上、下游方向掘進(jìn) 1#、2#、3#和 4#引水隧洞，理論上最多可以增加 8 個(gè)工作面。最后，利用排引 1#隧洞、排引 2#隧洞和 4#引水隧洞作為交通和通風(fēng)通道，從 4#引水隧洞開(kāi)口向排水洞方向斜交掘進(jìn)排引 3#隧洞，完成后由排引 3#隧洞作為施工支洞掘進(jìn)施工排水隧洞，理論上最多可以增加 2 個(gè)工作面。

　　2)增設(shè)輔引 1#、2#和 3#隧洞與掘進(jìn)排引 1#、2#和 3#隧洞同樣道理，在后期掘進(jìn) 3 條輔引隧洞，分別從 A 輔助洞開(kāi)口進(jìn)入，與 4 條引水隧洞在不同里程位置 45°斜交。利用輔引隧洞作為交通通道，理論上可以在不同施工階段分別增加 8 個(gè)工作面。

　　由上述調(diào)整可知，這些施工組織變化，將使錦屏工程隧洞群數(shù)量大大增加，且隧洞群的設(shè)計(jì)、施工條件以及管理難度發(fā)生了極大變化，隧洞平面和空間布置極為復(fù)雜。另外，調(diào)整后所有以排引 1#及排引 2#施工支洞開(kāi)挖出的巖渣均須由 4#引水隧洞無(wú)軌運(yùn)出，4#引水洞已經(jīng)成為了多達(dá) 4 ～ 6 個(gè)工作面掘進(jìn)出渣的總交通和運(yùn)輸通道(見(jiàn)圖 2)。因此，調(diào)整后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(直到工程竣工)內(nèi)對(duì) 4#引水洞本身的支護(hù)襯砌等后續(xù)施工、洞段路面維護(hù)、高強(qiáng)度運(yùn)輸通過(guò)能力以及通風(fēng)系統(tǒng)均有極大影響。一旦處理不當(dāng)或出現(xiàn)問(wèn)題則有可能造成所有工作面停工的嚴(yán)重后果，特別是大功率運(yùn)渣車輛大量尾氣排放后，對(duì)洞身段通風(fēng)能力以及隧洞管理帶來(lái)極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。

　　1. 2 通風(fēng)系統(tǒng)的新要求

　　依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，調(diào)整前通過(guò) 4#引水洞的車流量約為1 500輛 /d，其中大功率運(yùn)輸車輛有1 200輛。洞內(nèi)空氣污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，洞內(nèi)工作人員施工效率明顯下降，有效工作時(shí)間急劇減少。施工組織方案調(diào)整后，4#引水洞內(nèi)的車流量將達(dá)4 000輛 /d，其排放污染物的總功率高達(dá)1 167 kW，總需風(fēng)量為5 403m3/ min。4#洞目前的通風(fēng)水平已經(jīng)難以滿足施工需要，更不用說(shuō)滿足調(diào)整施工組織方案后高強(qiáng)度運(yùn)輸大量尾氣排放的通風(fēng)要求。故必須對(duì) 4#引水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)的方案及其參數(shù)重新論證和分析，以確保工程順利完成任務(wù)和施工人員的身體健康。

　　2 通風(fēng)方案分析

　　4#引水隧洞洞身段通風(fēng)中的風(fēng)量主要來(lái)自工作面的返程風(fēng)，這些風(fēng)流經(jīng)過(guò)工作面后已較大程度受到污染，隨著洞身段長(zhǎng)度不斷增加，其排出效果將急劇下降。如果按照最新施工組織設(shè)計(jì)方案，運(yùn)輸車輛排出的大量尾氣使得洞內(nèi)空氣受到更加嚴(yán)重的污染，若通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不足，很可能洞內(nèi)出現(xiàn)死風(fēng)。鑒于 4#洞內(nèi)的施工實(shí)際與通風(fēng)需求，解決洞身段空氣質(zhì)量問(wèn)題主要考慮采用加大通風(fēng)強(qiáng)度和降塵凈化等措施:洞內(nèi)系統(tǒng)布設(shè)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)排風(fēng)，將污濁空氣排至東引 2#施工支洞;采用噴淋設(shè)施形成水幕降低爆破和出渣的粉塵;利用噴霧水車對(duì)隧道內(nèi)個(gè)別污染嚴(yán)重地段進(jìn)行噴霧降塵除煙。其中風(fēng)機(jī)布設(shè)最為關(guān)鍵，必須對(duì)其排風(fēng)方式、風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)阻、排風(fēng)能力以及設(shè)備規(guī)格與配置進(jìn)行重新計(jì)算和論證分析。

　　3 通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

　　按隧道通風(fēng)理論與技術(shù)[3-6]，結(jié)合 4#引水洞的鉆爆掘進(jìn)和承擔(dān)的交通運(yùn)輸實(shí)際情況，4#引水洞的通風(fēng)風(fēng)量和設(shè)備數(shù)量必須由工作面生產(chǎn)以及洞身段排污總量?jī)刹糠譀Q定。4#引水洞一方面需要排出 4#引水洞掌子面的污染空氣，另一方面需要承擔(dān) 2#排引洞多工作面施工運(yùn)輸?shù)呐盼郏�所以洞身段的通風(fēng)量是掌子面和運(yùn)輸車輛所需通風(fēng)量總和。

　　3. 1 通風(fēng)量計(jì)算

　　由于洞身來(lái)往車輛密度大，車輛最大頻率4 000輛 /d，即 2. 78 輛 /min，每輛 213. 3 kW，則運(yùn)輸車輛所需通風(fēng)量為 Q1= 2 370. 2 m3/ min。考慮 4#工作面需風(fēng)量 Q2= 3032. 8 m3/ min，故洞身通風(fēng)量 Q = Q1+ Q2= 5 403 m3/ min。

　　3. 2 風(fēng)壓計(jì)算

　　4#隧洞橫斷面面積 AT= 137 m2，長(zhǎng)6 000 m，水力直徑 13. 2 m，洞壁摩阻系數(shù) λ = 0. 088，局部阻力系數(shù)ξ = 3. 6，平均風(fēng)速 V = 0. 657 m/s。計(jì)算得出風(fēng)流的流動(dòng)阻力為 h = 9. 7 Pa

　　3. 3 環(huán)境條件

　　由于隧道的地理位置不同，隧道進(jìn)出口的環(huán)境條件存在較大差異，如自然風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、高程、大氣壓等條件會(huì)差別較大，從而會(huì)導(dǎo)致煙囪效應(yīng)，故應(yīng)從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應(yīng)。隧道兩端大氣壓差而引起的阻力 PS應(yīng)由測(cè)量值確定，并增加到系統(tǒng)阻 力 中，由 此 4#引 水 洞 為 反 坡 隧 道 獨(dú) 頭 掘 進(jìn)6 000 m，高程增加 21. 36 m。h環(huán)= 215 Pa

　　3. 4 隧洞中總推力 T

　　T各項(xiàng)阻力損失之和，即 h總= h + h環(huán)= 9. 7 + 215 =224. 7 Pa。考慮到車輛和機(jī)械設(shè)備的損失需增加局部空氣阻力和溫度影響，取 h總= 300 Pa，則用于克服隧洞中的空氣阻力的總推力為TT= h總AT= 300 × 137 = 41 100 N

　　3. 5 射流風(fēng)機(jī)推力

　　射流風(fēng)機(jī)的基本推力等于風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣動(dòng)量的變化。風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口空氣動(dòng)量等于空氣質(zhì)量流量與進(jìn)口或出口的平均流速之乘積。根據(jù)隧道中射流風(fēng)機(jī)的布置原則，通常認(rèn)為射流風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣流速為 0，故射流風(fēng)機(jī)的理論推力為:Tm= ρQVFVF式中，ρ為空氣密度(kg/m3);QVF為風(fēng)機(jī)中空氣體積流量(m3/ s);VF為風(fēng)機(jī)出口空氣平均流速(m/s)。選擇 SDS-180 型 75 kW /37 kW 射流風(fēng)機(jī)，QVF為77. 6 /57. 6 m3/ s，VF為 30. 3 /22. 5 m/s; 排 風(fēng) 量 65m3/ s，開(kāi)動(dòng) 75 kW 可滿足排風(fēng)量要求。Tm= ρQVFVF=(1 331 ～ 2 415)N上式僅適用于流速均勻分布的情況。而風(fēng)機(jī)中的流速分布通常差別很大，主要取決于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長(zhǎng)度的比、葉片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(自由流動(dòng)、強(qiáng)制流動(dòng)或旋渦流)、整流體的效率以及流動(dòng)障礙物的布置等。因此，射流風(fēng)機(jī)的測(cè)試推力僅為理論推力的 0. 65 倍或更低，故 Tm取1 650 N。

　　3. 6 隧道中射流風(fēng)機(jī)數(shù)量的確定根據(jù)隧洞中所需總推力41 100 N 的要求，當(dāng)所選射流風(fēng)機(jī)單機(jī)推力1 650 N 時(shí)，所需風(fēng)機(jī)數(shù)量為 25 臺(tái)。污濁空氣通過(guò)系統(tǒng)射流風(fēng)機(jī)排出，每 240 m 布置一臺(tái)。

　　4 通風(fēng)設(shè)備選型及布置

　　4. 1 通風(fēng)設(shè)備配置( 見(jiàn)表 1)

　　變壓器 300 kVA 9 臺(tái) 每三臺(tái)射流風(fēng)機(jī)配備一臺(tái)低壓電纜 150 4 800 m配電箱 32 臺(tái)灑水車 10 t 1 輛 用于空氣污染嚴(yán)重地段噴淋射流風(fēng)機(jī) SDS-180 25 臺(tái) 每 240 m 設(shè)置一臺(tái)

　　4. 2 通風(fēng)風(fēng)機(jī)布置

　　4#引水隧洞的通風(fēng)主要包括工作面通風(fēng)和高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣污染后洞身段污風(fēng)排放，其工作面取風(fēng)與污風(fēng)排放風(fēng)路及風(fēng)機(jī)布置分別見(jiàn)圖 3 和圖 4。

　　5 結(jié)論

　　1) 4#引水隧洞通風(fēng)系統(tǒng)問(wèn)題非常嚴(yán)重，掌子面和洞身內(nèi)因高強(qiáng)度無(wú)軌運(yùn)輸尾氣污染后的污風(fēng)風(fēng)量極大，且持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)(直到工程結(jié)束)，如果不采取切實(shí)可行的工程措施，將會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量、進(jìn)度并傷害施工人員身體健康。

　　2) 采用 240 m 布置一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)排污風(fēng)的方案可以滿足 4#引水洞掌子面掘進(jìn)污風(fēng)以及洞身內(nèi)的因高強(qiáng)度運(yùn)輸尾氣排放要求。

　　3) 由于隧洞斷面較大，在隧洞頂部布設(shè)射流風(fēng)機(jī)，會(huì)使隧 洞上部 風(fēng)速大于下部 風(fēng) 速，下 部 風(fēng) 速 在0. 325 ～ 0. 400 m / s 之間，隧洞上部排風(fēng)效果要好于下部。