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水电工程长大隧道通风方案设计之研究

时间:2010年11月05日来源:本站原创 作者:李丹锋 点击:
 
                             水电工程长大隧道通风方案设计之研究
                                                                    李丹锋
                              (二滩水电开发有限责任公司,四川成都   610051)
 

1  长大隧洞通风特点
⑴雅砻江锦屏水电站引水隧洞埋深大,隧洞长的实际情况决定了只能采用压入式风管进风,有效的进风通道少,致使通风难度非常高。
⑵按隧洞地质、山体及空间实际情况,工作面污风只能沿已开挖洞段原路返回,可能因隧洞特长而使污风长时间滞留在洞内影响施工。
⑶受到各种尾气及扬尘污染,导致已开挖完成隧洞段通风质量是一大施工难题。
通风污染源及控制标准
2.1主要污染源
隧洞内施工环境的要求包括:洞内空气中的有害气体浓度、粉尘和烟尘浓度、空气温度和湿度、风速、噪音等等。见表1。
表1  洞内主要污染源

序号
污染源 产生原因 备注
1 炮烟 开挖面爆破 炸药爆破产生的有毒有害气体
2 粉尘 开挖面爆破、混凝土喷射、路面扬尘  
3 施工机械尾气 洞内出渣、运输、辅助作业 挖掘机、装载机、自卸车、交通车等
4 H2S 围岩中的臭大理岩 有毒气体
 
2.2 有害气体控制标准
《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》(DL/T5099-1999)中规定的地下工程施工中有害气体允许浓度见表2。
CO容许浓度当作业时间在1h以内时,可放宽到50mg/m3,半小时以内可达100mg/m3,15~20min可达200mg/m3。在以上条件下反复作业时,两次作业时间应间隔2h以上。
表2 空气中有害气体的最高容许浓度

气体名称
体积浓度 重量浓度
% ppm(即10-6) (mg/m3)
二氧化碳(CO2) <0.5 <5000  
一氧化碳(CO) <0.0024 <24 <30
氮氧化合物换算成二氧化氮(NO2) <0.00025 <2.5 <5
二氧化硫(SO2) <0.00052 <5.2 <15
硫化氢(H2S) <0.00066 <6.6 <10
甲烷(CH4) <1    
醛类(丙烯醛)     <0.3
 
2.3 粉尘控制标准
《工业企业设计卫生标准》(TJ36-79)中规定的与地下工程施工有关的粉尘允许浓度见表3。
表3 空气中粉尘容许浓度

粉尘种类
允许浓度(mg/m3)
含有10%以上游离二氧化碳的粉尘(含石英、石英岩等) 2
石棉粉尘及含有10%以上的石棉粉尘 2
含有10%以下游离二氧化硅的滑石粉尘 4
含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘 6
游离二氧化硅含量在10%以下,不含有毒物质的矿物性和动植物性等其它粉尘与煤尘 10
含有80%以上游离二氧化硅的生产粉尘 1
 
2.4 风量控制标准
洞内风量要求:每人每分钟供应新鲜空气不少于3m3
洞内使用柴油机械施工时,每马力每分钟供风3m3,并与同时工作人员所需的通风量相加。洞内空气中的氧气含量不低于20%。
通风系统方案
为便于进行通风系统方案的分析,本文假定的施工状况为单条独头隧洞开挖施工,长度设定为10KM左右,隧洞断面面积约为140M2。以隧洞目前已开挖了5KM,临近掌子面约1KM处开挖了一条施工支洞辅助施工的情况进行分析,拟采用轴流风机、射流风机相结合的方案实施,主要对轴流风机的配置进行了研究。
3.1施工通风系统流程
施工通风系统设计流程见图1。


施工前调查
现场调查
采样试验
现场试验
 
开挖方法确定
运输方案确定
掌握有害气体种类及数量
有害气体、缺氧空气、高温高热、呼吸、爆破后气体、灰尘、焊尘
自然通风
强制通风(巷道式通风、管道通风、压入式、吸出式)
选定风机风管
确定洞内施工
设备及人员数量
选定通风方式
维修管理
通风效果检查
施  工
隧道结构形式
通风长度
断面形状和面积
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2掌子面风量计算
⑴按允许最小风速计算
根据隧洞内平均风速应大于v0=0.25m/s的要求,钻爆法隧洞全断面面积A0=140 m2,工作面风量:
Q1=60×v0×S=0.25×140×60=2100m3/min              (式1)
⑵按同时爆破的最多药量计算。
取单位炸药用量1.2kg/m3,单循环进尺4.5m,上台阶开挖断面面积A=86 m2一次爆破炸药用量G=1.2×4.5×86=464kg,按在t=30min内排烟计算,工作面风量:
(式2)
l0——炮烟抛掷长度,l0=15+G/5=15+464/5=108m
⑶按照施工人员计算
每人每分钟供应新鲜空气不少于3m3,洞内施工含开挖支护、衬砌、灌浆最高作业人数450人。
Q3=3×450=1350m3/min                                   (式3)
⑷按内燃机需要风量计算
Q4= Q0Σp =4×593=2372m3/min                           (式4)
式中: ∑P—同时在洞内作业的各种内燃机的功率总和(kW);按规范及综合考虑各种因素后,功率总和按额定总功率的65%计算; CAT966H装载机每台额定总功率195kW, CAT320D挖掘机每台额定总功率103kW,北方奔驰2528型自卸车内燃发动机每台额定总功率205kW,总功率ΣP =(195+103+205×3)×65%=593kW;
Q0—内燃机单位功率所需风量指标,按《隧道设计手册》,取Q0=4.0 m3/min.kW;
⑸因此,所需的最大风量为:
Q=maxQ1Q2Q3Q4=2372m3/min                   (式5)
3.3风管漏风及最终设计风量
按照最大距离不超过1000m考虑,取管道平均百米漏风率P100=0.8%1000m管道漏风系数为:
                   (式6)
钻爆工作面风机的供风量应为:
Qj= PlQ =1.008×2372=2390 m3/min                   (式7)
则单个钻爆法工作面最终风机风量:Q=2400 m3/min=40 m3/s
3.4风阻(风压损失)计算
在通风过程中,要克服风流沿途所受阻力,保证将所需风量送到洞内,并达到规定的风速,则必须要有一定的风压。因此,风压计算的目的就是要确定通风机本身应具备多大的压力才能满足通风需要。
气流所受到的阻力有摩擦阻力、局部阻力(包括断面变化处阻力、分岔阻力、拐弯阻力)和正面阻力,其计算可用下式表示


式中    ——通风机的风压;
    ——风流受到的总阻力;
    ——风流经过各种断面的管(巷)道时产生的摩擦阻力;
    ——气流经过断面变化,拐弯、分岔等处分别产生的阻力;
    ­——巷道通风时受运输车辆阻塞而产生的阻力。
从理论上讲,通风系统克服通风阻力后在风管末端风流具有一定的动压,克服阻力则取决于系统静压,动压与静压之和即为系统需供风压。
⑴摩擦阻力(
摩擦阻力是管道(巷道)周壁与风流互相摩擦以及风流中空气分子间的扰动和摩擦而产生的阻力,也称沿程阻力。
按照供风管道直径Ф1.8m,1000m风管计算。
摩擦阻力系数:据风管厂提供的技术指标,采用PVC增强塑纤布作风管材料,值取0.0008/m4
供风管道的摩擦风阻:
                (式8)
式中  α—摩擦阻力系数(N·s2/m4
      L—风管长度(m)
      U—风管圆周长度(m)
Q—风道流量(m3/s
      S—风管截面面积(m2
风管直径1.8m,风管采用优质通风塑料软管,则S=2.54 m2U=5.65m, Q= 2400 m3/min=40 m3/sα=0.0008 N·s2/m4
⑵局部阻力(
风流经过风管的某些局部地点(如断面扩大、断面减小、拐弯、交岔等)时,由于速度或方向发生突然变化而导致风流本身产生剧烈的冲击,由此产生风流阻力即局部阻力。
                (式9)
式中   ζ—局部阻力系数,N·s2/m4
γ—12N/m3
g—重力加速度,g=9.81m/s2
v— 风流经过局部断面形状变化后的速度(m/s
 ⑶总阻力(
                (式10)
因此风机需要提供不低于526Pa的风压补偿,通风管径越大,则系统阻力越小。
3.5风机选型
               (式11)
式中  Q——总需风量(m3/s);
h—— 总负压(Pa);
102——功的换算值,102kg·m=1kW
η1——静压效率;
η2——机械效率,计算时一般取0.95;
B——电机容量储备系数。
轴流风机选取SDFB-NO.12.5型对旋式轴流通风机,最大风量2900m3/min,全压5355Pa,电动机功率2×110kW
3.6射流通风机选型
射流通风机布置可根据洞身通风量、洞内风压、风流的流动阻力以及环境条件综合考虑,一般情况按照每500m一台进行布置,安装在I16工字钢支架上。
通风管理
隧洞施工通风管理水平的高低,是影响通风质量的关键因素之一。隧道通风不好,除了通风系统布局不合理、风机风管不匹配等技术原因外,主要问题是通风管理不善,管道通风阻力大,使开挖工作面得不到足够的新鲜风流,沿途污浊空气不能及时排出洞外。因此,必须以“合理布局,优化匹配,防漏降阻,严格管理,确保效果”二十字方针,作为施工通风管理的指导原则,强化通风管理。
4.1 通风组织与管理
建立以岗位责任制和奖惩制为核心的通风管理制度和组建专业通风班组,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。项目部定期根据通风质量给通风班组兑现奖惩办法。
施工产生的粉尘应进行综合治理,除采用常规的机械通风、湿式凿岩、放炮喷雾、出渣洒水、冲洗岩帮等措施外,还可以采取局部净化的方法,控制尘源所产生的粉尘扩散。进洞车辆推广使用低污染柴油车辆,并尽量减少进洞内燃车辆的数量,以减少废气排放量。
4.2 防漏降阻措施
以长代短。每段软风管的长度由以往的20~30m加长至50~100m,减少接头数量,并严格按操作规程执行,以减少漏风率。
以大代小。在净空允许的条件下,尽量采用大直径软风管。
以直取弯。掘进过程中,按照5m间距埋设吊挂锚杆,并在杆上标出吊线位置,再将φ8mm的盘条吊挂线拉直拉紧焊接于锚杆上,将φ6mm的盘条弯成“V”形,跨于吊挂线上,两端分别挂于软风管两侧的吊环,要求φ6mm“V”形盘条长短一致。这样,就可保证风管安装达到平、直、稳、紧,不弯曲、无褶皱,减小通风阻力。
软风管在储存、运输过程中要注意保护,避免造成人为损伤和机械损伤,从而减少漏风量。
通风管线路的终点距工作面不应大于30m,必要时应在通风管上设置中间接力风机,以保证良好的排出污染空气。
此外,加强风管的检修,检查内容包括悬挂是否完好、接头连接状况、风管有无破损等,对存在的问题及部位做好记录并及时处理。
 
参考:1、JTJ042-94《公路隧道施工技术规范》
2、《公路隧道施工》 人民交通出版社2004年版
3、《隧道施工通风与防尘》 中国铁道出版社1994
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