石林特长隧道2号斜井工区综合通风技术

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  摘要:本文介绍了石林特长隧道2号斜井工区随着施工进展形成的三个阶段通风方式:长管路压入式通风、竖井通风、巷道式通风的设计、计算和组织管理要点。
  关键词:斜井; 压入式; 竖井; 巷道式;通风
  Abstract: This paper introduces the design, calculation and organizational management points of the three stages ventilation modes: long pipe press-into ventilation, shaft ventilation, tunnel ventilation formed in the construction process of extra long tunnel 2# slope construction area in Stone Forest.
  Keywords: slope; the press-into type; shaft; tunnel type; ventilation
  中图分类号: [U25]文献标识码:A文章编号:
  
  1 工程概况
   云桂铁路石林特长隧道全长18208m,由中铁一局五公司承建,为云桂线最长隧道、全国最长单洞双线隧道、世界最长钻爆法施工的岩溶隧道。隧道最大埋深约250m,最小埋深约6m。该隧道设置“一平导+两斜井”的辅助坑道模式。平导设置于左线线路中线右侧35m,全长18122m。1号斜井位于隧道左线线路左侧,长度938m, 2号斜井位于隧道左线线路左侧,长度998m。石林隧道地质以灰岩为主,穿越6个断层4个破碎带,其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占31.3%。主要地质风险为岩溶,为Ⅰ级风险隧道。
   石林隧道2号斜井设计为曲线斜井,断面尺寸7.0m*6.5m(宽×高),与正洞垂交于DK662+000,井口到井底高差84m。根据整体施工组织设计安排,斜井进入交叉口后平导、正洞4个工作面同时施工。该工区独头最长施工距离3510m。为提高通风效果,经过经济比选决定在斜井进交叉口横通道(DK662+000)位置增设压风竖井,人工挖孔,深度103m,护壁后直径2.0m;在隧道正洞DK661+900拱顶中部增设排烟竖井,人工挖孔,深度78m,护壁后直径2.0m。
  
  
  2 施工通风控制条件
   2.1保证洞内作业人员有足够的新鲜空气,洞内空气中氧气含量按照体积计不小于20%。
   2.2粉尘含量容许浓度:每m3空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg;每m3空气中含有10%以下游离二氧化硅的粉尘为4mg。
   2.3空气中常见有害气体浓度应符合下列要求
   2.3.1一氧化碳容许浓度不得大于30mg/m3,特殊情况下,施工人员必须进入开挖工作面时,浓度可为100mg/m3,但工作时间不得大于30min。
   2.3.2二氧化碳按体积计不大于0.5%。
   2.3.3氮氧化合物换算成二氧化氮浓度应控制在5mg/m3以下。
   2.4隧道内气温不高于28℃。
   2.5隧道内噪声不得大于90dB。
   2.6洞内风量要求:隧道施工时供给每人的新鲜空气量不应低于3m3/min,采用内燃机械作业时供风量不应低于3m3/(min.kw)。
   2.7风速的确定:正洞内不小于0.15m/s, 平导内不小于0.25m/s。
  3 各阶段通风方案设计
   通风设计分三阶段设计,以最大需风量为依据选配通风设施。2号斜井第一阶段通风(斜井井身段及交叉口)采用长管路压入式;第二阶段通风充分利用增设的2个通风竖井进行压风和排烟,在排烟竖井安设射流风机1台辅助排烟;第三阶段通风利用横通道位置竖井和平导巷道式通风。
  3.1第一阶段长管路压入式通风
   风机采用SDF(c)轴流风机,通风管采用定制风管,解决行车净空及降低风阻。长管路压入式送新鲜空气至掌子面,污风沿洞身自然流出。
  
  
  3.2第二阶段竖井通风
   平导在施工中是超前导洞,为正洞进行地质预报;同一里程平导底标高比正洞低2.1m,解决施工及运营中的排水问题;施工中可根据施工进展情况,及时增加工作面,降低工期风险;运营后是应急救援通道。平导顶低于正洞顶约7m,根据洞内污风排放规律,经过经济比选在斜井进交叉口横通道(DK662+000)位置增设压风竖井,深度103m;在隧道正洞DK661+900拱顶中部增设排烟竖井,深度78m。提前安排,在正洞及横通道开挖前完成竖井施工,确保施工安全。
   轴流风机从横通道竖井吸入新鲜空气,在横通道口通过定制设风门三通钢风筒、软风筒送达掌子面。在交叉口横通道顶部设一射流风机,引导平导污风加速流动。为提高排烟效果,在正洞排烟竖井下部安装射流风机一台,通过引流经由竖井排放。加之洞内外高差及温差的综合作用,排烟速度快,工作区域空气质量好,工效大大提高。
  
  
  3.3第三阶段巷道式通风与压入式通风形成的综合通风方式
   在正洞通过交叉口后第一个横通道,封闭交叉口横通道正洞侧,轴流风机设置于平导,轴流风机面向掘进方向通过风门封堵。由竖井、横通道、平导组成新鲜空气通道,轴流风机送风至掌子面,污风通过横通道、正洞、正洞竖井排出,形成巷道式、压入式、竖井排烟的综合通风方式。在正洞一定间距布置射流风机,加快污风速度。随着新横通道开挖贯通,封闭后方横通道,平导轴流风机前移。有效缩短了通风距离,降低了风机功率,节约通风成本。
  
  
  4 通风参数的计算
  4.1轴流风机选择
   4.1.1风量计算
   1)按洞内同时工作最多人数进行计算
   (4-1)
   Q1为按洞内同时工作最多人数计算需要的风量, m3/min;
   q为每人每分钟呼吸所需空气量,q=4m3/min;
   m为同时工作人数;
   K为风量备用系数,取K=1.15。
   2)按允许最低风速进行计算
   (4-2)
   Q2为按允许最低平均风速计算需要的风量, m3/min;
   A为隧道断面积,变断面时取最大值,m2;
   V为最小风速,取0.15m/s。
   3)按爆破后稀释CO至许可浓度进行计算
   (4-3)
  Q3为按爆破后稀釋CO至许可浓度计算需要的风量, m3/min;
   t为通风时间,取t=30min。
   G为同时爆破炸药用量,Kg。
   L为掌子面满足下一循环施工的长度,取200m。
   4)按稀释和排除内燃机废气进行计算
   (4-4)
   Q4为按稀释和排除内燃机废气计算需要的风量, m3/min;
   k为功率通风计算系数, k=3.0m3/min;
   Ni为各台柴油机械设备的功率
   Ti为利用率系数
   Q=max[Q1,Q2,Q3,Q4] (4-5)
   Q为通风设计量,m3/min;
   (4-6)
   Pc为风管漏风系数;
   l为最长通风距离,m;
   β取值0.015;
   (4-7)
   Q供为通风机供风量, m3/min;
   4.1.2风机风压计算
   (4-8)
   Rf为风阻系数;
   α为摩阻系数,;
   D为风筒直径。
   (4-9)
   Hf为风机设计全压,Pa;
   HD为隧道内阻力损失,取50 Pa;
   H其他为其他阻力损失,取60 Pa。
   4.1.3风机功率计算
   (4-10)
   Hf为风机工作风压
   η为风机工作效率,取80%
   K为功率储备系数,取1.05
   4.1.4第一阶段斜井长管路压入式通风轴流风机计算
   1)风量计算
   m取30人,由公式(4-1)得,Q1=180m3/min;
   A取45m2,由公式(4-2)得,Q2=405m3/min;
   计划进尺3m,炸药单耗0.9kg/m3,炮眼利用率90%,故G取135Kg,由公式(4-3)得,Q3=577m3/min;
  
  
   根据表1,由公式(4-4)得,Q4=1793m3/min;取Q=1793m3/min。
   l取1000m,由公式(4-6)得,Pc=1.163;由公式(4-7)得,Q供=2085m3/min。
   2)风机风压计算
   D取1.5m,由公式(4-8)得,Rf=1.926;
   代入前面计算结果,由公式(4-9)得,Hf=2110Pa。
   3)风机功率计算
   代入前面计算结果,由公式(4-10)得,W= 96kW。
   4.1.5第二、第三阶段正洞轴流风机计算
  
  
   同4.1.4计算过程,m取60人,A取140m2,G取294Kg(最大进尺3m,炸药单耗0.6kg/m3,炮眼利用率90%),l取600m,D取1.5m。
   经计算,Q供=2924m3/min;Hf=2617Pa;W= 167kW。
   4.1.6第二、第三阶段平导轴流风机计算
   平导开挖断面和斜井相同,除l取600m外,其它同斜井参数。
   经计算,Q供=1964m3/min;Hf=1241Pa;W= 53kW。
  4.2射流风机选择
   4.2.1通风阻力计算
   (4-11)
   式中:ΔPr为通风阻力,Pa;
   ζ为局部阻力系数(对特长隧道而言,每500~600m设置横通道一处,局部阻力相对沿程摩擦阻力较小,计算时可忽略);
   λi为隧道内沿程摩擦阻力系数;
   di为隧道的水力直径, m ;
   V = Q/A,为隧道内的风速, m/s;
   ρ为空气容重,取1.2kg/m3。
   (4-12)
   式中: 为隧道壁面粗糙度,单位mm;
   (4-13)
   式中:C为隧道断面周长,m。
   4.2.2射流通风升压力计算
  (4-14)
   式中:ΔPj为射流通风升压力,Pa;
   K为喷流系数,取0.85;
   Vj为射流风机出风口风速,m/s;
   φ为面积比,φ=Fj/A;
   Fj为射流风机的出风口面积,m2 ;
   A为隧道横断面面积,m2;
   Ψ为速度比,Ψ =V/Vj。
   4.2.3射流风机台数计算
   (4-15)
   式中:n为射流风机需要台数;
   ΔPr为通风阻力,Pa;
   ΔPj为射流通风升压力,Pa。
   4.2.4第三阶段通风平导射流风机计算
   ζ取0,λi取,0.15,di取7.7m, l取3510m,Q经计算取1964 m3/min,由式(4-11)得,ΔPr=22Pa;
   Vj取44.5m/s,Fj取1.13m2,其它同前,由式(4-14)得,ΔPj=50Pa;由式(4-15)得,n≈1。
   4.2.5第三阶段通风正洞射流风机计算
   ζ取0,λi取,0.15,di取13m,l取3510m,Q经计算取2924 m3/min,由公式(4-11)得,ΔPr=2.5Pa;
   Vj取44.5m/s,Fj取1.13m2,其它同前,由式(4-14)得,ΔPj=16.2Pa;由式(4-15)得,n≈0。
   4.2.6各阶段通风计算汇总表
  
  
  5 通风设备选型
   根据计算结果,结合侯马风机风量风压曲线表,选定风机型号、功率。2号斜井第一阶段通风轴流风机选用1台SDF(c)12.5型,风管选用φ1500mm定制风管。第二、第三阶段平导轴流风机选用2台SDF(c)11型(两个工作面)、正洞轴流风机选用2台SDF(c)12.5型2*110kW,射流风机选用SSF型30kW,平导安设2台,正洞顶部排烟竖井安设1台。平导风管选用定制φ1500mm定制风管,正洞风管选用φ1500mm柔性拉链风管。风管平均百米漏风率不大于0.015,平均百米静压损失为70Pa,摩阻系数不大于0.02。考虑长大隧道防火防爆要求,采用阻燃、抗静电双抗软风管,抗静电阻大于108Ω,阻燃氧指数大于27。
  
  
  6施工通风管理要点
  6.1通风质量控制
   6.1.1严格按通风专项方案中要求的风机型号、风管配置,保证通风质量。
   6.1.2二衬台车设计时预留通风管通道,可设置钢制硬风筒两头连接或穿过,减少弯折,确保平顺度,降低风阻。
   6.1.3在二衬台车上安设大型换气扇,降低二衬作业区段温度,杜绝截流风量事件发生。同时及时对通风管破损修补,减少漏风量。
   6.1.4不过车横通道封闭墙封堵严密,减少漏风量,避免造成污风循环。
   6.1.5爆破后开挖面可通过洒水降尘、水幕降尘等措施,减少扬尘。
   6.1.6安排专人负责风机的运营管理,把握好通风时机和通风时间。
   6.1.7内燃设备安装废气净化装置并保证有效运转,降低废气排放量。
   6.1.8及时铺底,保证洞内运输道路平整,减少内燃设备污染物排放。
   6.1.9射流风机布置在拱顶,并严格按通风专项方案间距布置射流风机,保证排污风效果。
   6.1.10风管节长由以往的20-30m加长至50-100m,减少接头数量,减少漏风量。
   6.1.11建立以岗位责任制和奖惩制为核心的通风管理制度,组建专业通风班组。通风班组全面负责风机、风管的安装、管理、检查和维修,严格按照通风管理规程及操作细则组织实施。
  6.2安全保证措施
   6.2.1辅助坑道洞口风机支架尽可能设置单侧支架,避免龙门支架,防止自卸车通行时后箱未放下时拉倒支架事故发生。
   6.2.2 射流风机每根吊顶锚杆必须确保锚杆孔注浆饱满、砂浆或锚固剂强度达到要求、锚杆抗拔力满足受力负荷计算要求,防止射流风机坠落事故发生。
   6.2.3在排污风通道侧横通道口必须封堵,防止人员误入。
  6阶段性实施效果
   2号斜井于2011年5月初到达井底,正洞、平导分别向进、出口两个方向施工,作业面增至四个。目前通风方式为竖井通风阶段,在洞内洒水降尘条件下,洞内空气清新,通风质量良好。经现场现场实测掌子面附近风速1-2m/s。地表进风竖井口风速10-11m/s;排烟竖井口风速9.5-10m/s。
  7结束语
  合理的通风系统、理想的通风效果是实现长大隧道快速施工、施工人員身心健康和安全施工的重要保证,高水平的施工通风管理是保证通风效果的关键。
  
  
  
  参考文献:
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