桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM施工段通风系统设计

2022-07-21 12:30:02| 浏览次数：

【摘要】为了解决TBM长隧洞施工中通风系统如何设计才能满足施工要求的技术难题，该文根据施工规范及以往施工经验通过理伦计算，设计了桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM施工段通风系统，通过前期设计，完成了风管选型、风机选型工作，该系统投入使用后，达到了预期的效果。

【关键词】TBM施工；长隧道；通风

工程简介

本工程隧洞部分主要为窑瓦～六浪隧洞全长23.75km，其中桩号B2+449～6+075、B10+275～13+275、B25+184～26+197为钻爆法施工，桩号B6+075～10+275、B13+275～25+184为全断面隧洞（隧道）掘进机施工。该通风系统设计只是针对该工程的通风难点桩B26+197～B11+599.573TBM施工段，总共通风长度14648米。

1 TBM施工通风系统要求

（一）TBM施工通风除尘要求

TBM施工隧道通风距离长度为14648米，这对隧道施工通风带来很大的技术难题，要求风压、风量大，漏风率低，需与后配套系统上风管储存延伸装置进行集成，而且需统筹考虑从后配套系统尾部到TBM刀盘的二次助力通风及除尘风机的整体方案。TBM设备复杂，液压、电气、自动控制系统多，零部件制造精密，对温度、粉尘反应敏感，因此，对空气中的粉尘量和环境温度要求更为严格，以防止或减少因粉尘、温度超标引发的各种故障。

TBM施工通风除尘要求，主要有以下三个方面内容：

1、通风量

TBM施工通风量，通常按掘进工作面最多作业人数所需风量、不同地段不同风速所需风量、排除作业粉尘至允许浓度所需风量、冲淡内燃机械所排的有害气体至允许浓度所需风量以及机械散热至允许温度所需风量分别计算，再取其中最大值作为掘进工作面的所需通风量。

2、降温

洞内各作业面的环境温度不宜超过28℃。

3、除尘

TBM施工的粉尘来源，其一是刀具破岩产生的粉尘，其二是喷射混凝土作业时产生的粉尘。洞内各作业面粉尘浓度要求不超过2mg/m3。

（二）TBM通风系统功用及组成特点

1、TBM施工通风系统的功用

在隧道施工中，洞内O2体积分数、粉尘和有害气体控制、作业环境温度等对作业人员及设备至关重要，良好的运行环境是保障作业人员人身安全和TBM安全运行的前提条件。

《铁路隧道施工规范》（TB10204-2002）规定，在整个隧道施工过程中，作业环境应符合下列安全标准。

（1）洞内空气中O2体积分数不应小于20%。

（2）粉尘容许浓度，每立方米空气中含有10%以上游离SiO2的粉尘不得大于2mg。

（3）CO最高允许质量浓度为30mg/m3；CO2的按体积计不得大于0.5%；氮氧化物（换算成N O2）质量浓度为5 mg/m3以下。

（4）隧道内气温不得高于28℃。

（5）没人应供应新鲜空气3m3/min。采用内燃机械作业时，供风量不宜小于3 m3/（min.KW）。

2、TBM施工通风系统的组成及特点

TBM施工通风系统主要由风管、风机、软风管储存筒、TBM后配套系二次通风统等组成。

（1）风机是通风系统的动力设备，通风系统主送风机通常安装在洞口外，有时需要在洞口处设多级风机或在隧道中间加设助力风机，如下图所示。由于TBM及其后配套系统本身很长，需要将尾部风继续向前输送到TBM主机处，因此有时还需要有接力风机安装在TBM后配套系统拖车上。风机多采用大风量、高压风的隧道施工用轴流风机。

（2）风管是通风系统的重要组成部分，用于空气的输送，主送风机通过风管将洞外的新鲜空气输送到TBM施工区域。由洞外主风机接至TBM的软风管储存筒的风管通常采用软风管，以便于随TBM掘进风管能连续延伸，如下图所示。各节软风管之间一般采取拉链式连接方式，对于承压特别大的软风管，可能需要考虑采用法兰等其他连接方式，TBM软风管储存筒后面的在后配套系统上的风管则采用金属风管，这样便于风管在TBM上的安装固定。

（3）软风管储存筒是储存软风管的专用设备，安装在TBM后配套系统拖车的尾部，它的作用是在TBM掘进同时保证风管同步延伸。随着TBM掘进，折叠在软风管储存筒内的风管被拉出，可保证通风系统连续运行，如下图所示。每节软风管能够达到的长度与风管加工工艺有关，目前该项目准备采用风管每节长度为50m，风管储存筒的设计可容纳软风管长度为200m。

2 TBM施工通风系统理伦计算

（1）通风方式的选择

使用通风机和通风软管的通风系统时TBM隧道施工采用的最普遍的通风方式。通风系统的布置方式有压入式、压出式和混合式。压入式是布置在洞口外的通风机将新鲜空气经风管压入工作区；压出式是将通风机布置在洞内工作区附近，污浊空气经风管排至洞外；混合式是压入和压出两种通风方式的有机结合。

压入式通风系统的主要优点是将洞外新鲜空气通过风道直接送达工作区，可有效地改善工作区的空气质量，并且随掘进延伸，只需要接长风管而无须移动通风机；压出式通风系统的主要优点是可将工作区产生的有害物及时排出；混合式通风系统的优点则是集二者的优点于一身，因此，选择TBM施工通风方式时应综合工程具体情况优先选择混合式通风。

（2）通风系统的通风量计算

TBM施工时，主要施工工序和施工人员集中在TBM主机及后配套系统，即工作区，通风系统的通风量就是由通风系统送达工作区时的风量，通风量计算必须考虑一下几个方面：

1）应满足TBM及其后配套系统施工作业人员所需新鲜空气量的要求；

2）应能稀释和排除隧道内产生的有害气体和粉尘，使其浓度满足规范最低要求；

3）应能排除TBM掘进时产生的热量及内燃机械作业时产生的热量，以保证隧道施工环境温度达到规范要求。

①按隧道内施工人员数量计算送风量

K-安全系数，具体选择参数时要考虑多方面因素，如有害物的毒性、有害物在隧道内散发和分布的不均匀性及通风的有效性等，可取1.5～2。

B、当不能确定隧道内有害物散发量时，可按最低容许风速计算通风量。（该项目不能确定隧道内有害物散发量，所以按方法A计算所需通风量）

在TBM掘进过程中，有害物散发量大都是不易精确确定的，这时可按保证隧道内最低风速计算通风量，规范规定：全断面开挖时，隧道施工通风风速不应小于0.15m/s，实践证明，对于钻爆法施工，保证隧道内风速不低于0.15m/s就可以保证粒径在5μm以下、对人体危害较大的粉尘处于悬浮状态，并通过通风气流排出洞外，同时也保证隧道内有害气体的浓度被稀释到规范规定的容许值。对于大直径TBM施工，要求隧道内通风风速为0. 5m/s，据此，通风量可按下式计算：

下面，我们从另一方面来计算在通风最困难时期，即掌子面推进到检修支洞B11+599.5时的需风量：

我们认为，当掌子面推进到检修支洞时，我们只需保证风筒的出口风量不小于其时要求的排尘风量即Q213.99 m3/s就可以了。原因有三：一是13.99 m3/s本身大于Q1，Q2和Q4；二是内燃机车很少全部集中在掌子面作业；三是风筒的沿途（基本均匀）漏风，可以补给在其它位置工作的内燃机车部分新风；

根据厂家数据表明，对于直径1.8米以上的优质风筒，其百米漏风率不会大于0.5%（有风筒厂家为0.44%），我们按0.5%来计算。要求风筒的出口风量大于13.99 m3/s时，风筒进口应该供给的风量为：

Q5=Q3/（1-0.5%）L/100=13.99/0.995146.48=13.99/0.47987=29.15 m3/s

因此，确定掘进机先从窑瓦～六浪隧洞出洞口安装调试后开始进洞到掘进机从拆卸竖井吊出。在TBM掘进过程中的通风量为：13.99～29.15 m3/s。

⑤通风机设计风量确定

风量是选择通风机的主要参数之一。首先，通风机设计风量的确定要同时满足洞内工作人员的新风需求以及稀释和排除隧道产生的有害气体和粉尘的风量要求，因此设计风量计算依据应取其中的最大值。

1）计算风机风量：

4）通风机选择

根据计算的通风机设计风量和风压，结合通风方式选择通风机类型。TBM施工通风机应选用轴流式风机。根据平安电气股份有限公司风机的性能参数，应选择风机为：4SDF-4-№13/4×90 kW。风机安装时避开隧洞出口位置30m左右，防止污浊空气二次进入洞内。

3 结论与讨论

通过以上的计算，确定了该工程的通风系统各项参数，该通风系统在使用过程中，达到了预期的通用效果，各项参数达标。但通风系统在后期的使用过程中管理也是非常重要的，如何确保风管的漏风率达到设计要求，这就要求从细节上对通风系统进行管理，风管有破损及时的进行修补。