小断面长隧洞 TBM 施工独头通风技术探讨

朱浩男

中铁十九局集团第一工程有限公司 辽宁辽阳 111000

内容提要

以台州市朱溪水库工程土建II标为背景，线路总长26.32km，其中详细的介绍了TBM施工段独头掘进12km的通风系统，计算了风机风量，风压和通风功率，对怎样选取正确的风机型号，风筒直径及每节风筒的长度进行了优化匹配。

关键词 小断面 长距离 TBM 通风设计

1. 工程概况

本标段为土建Ⅱ标，主要包括输水系统桩号K2+000.000m后的所有土建工程（包括但不限于：采用TBM＋钻爆法施工的输水隧洞、调压井、遥岩埋管、三份管桥、长潭跨库管桥、上朱管桥、上朱埋管、长潭埋管、放水阀室等，线路总长26.32km）、TBM设备以及相应的措施项目和其他项目。其中，TBM施工段洞长15.72 km（桩号：5+697.57～16+844.244段11.15km，17+499.244～22+071.019段4.57km），TBM始发洞430m和中间检修洞段655m（上游55m、下游600m）为钻爆法施工段，中间连接检修段长滩支洞长560m。TBM掘进至检修洞段贯通后进行风机转场，所以整个通风方案的设计长度为TBM施工段（桩号：5+697.57～16+844.244段）、检修洞段上游和长滩支洞长度之和11.76km，按12km计算。

小断面长距离水工隧道施工难度大，且本工程独头通风距离是国内较长之一，且是长距离断面较小隧洞。最长通风距离约12km，同时由于隧洞成洞断面小为4m，且考虑机车运行空间，安装风管的剩余空间不足以安装大断面的风管，小断面风管长距离大流量通风又需要高压力的通风机、高强度和低漏风率的风管，因此，为保证施工人员身体健康，提高施工效率，保证施工安全有序地开展，施工通风系统至关重要。

2. 通风方式的选择

隧洞通风方式主要有两大类，分为管道式通风（即独头通风）和巷道式通风，管道式通风又分为三大类，包括压入式、吸出式和混合式，考虑到本工程是TBM施工，在TBM设备上配置增压风机，通过直径500mm风管向TBM主机前部压风，提高前部通风环境。后配套系统的除尘风机通过封闭管道将TBM前部的浊风向外抽。将根据掘进长度调整风量和确定开启风机台数，以满足掘进工作面的风量需要又不浪费资源。保证洞内不断有新鲜空气的提供，因此，本工程TBM施工采用管道压入式通风。

3.风机和风筒的选择

考虑到风机位置附近有居民居住且受施工场地的限制，由于轴流式风机具有体积小、质量轻、噪声低、便于安装和效率高等优点，故采用轴流式风机。

风筒分为无骨架柔性风筒、带刚性骨架的柔性风筒和硬质风筒。本工程采用压入式通风，无骨架柔性风筒质量轻、易于储存、搬运、连接和悬挂，且节约成本，故采用无骨架柔性风筒。并考虑到TBM施工需用机车，为避免风筒与机车干涉，且保证洞内通风安全，风筒直径定为1200mm，每节长200m，摩擦阻力系数0.0024,百米漏风率0.55%,总长12km。

在吊挂风筒时，应注意高度，避免与机车发生摩擦与碰撞，沿着正拱顶每隔5m钻一个200mm深的悬挂眼，吊钩制作大小统一型号，保证安设在同一高度。

顺着吊钩拉一根粗号钢绞线，然后用紧线器拉紧钢绞线，要尽量使风筒吊挂平直，拐弯缓慢。

使用风筒上自带的吊钩挂在钢绞线。

无骨架柔性风筒的悬挂要做到平、直、紧、稳、拐弯缓慢，风筒如悬挂不好，就会增大局部阻力而影响通风效果。

4.风机型号的选择

4.1风机风量估算

⑴按照洞内平均每人需要3m³/min的空气量，TBM机施工过程中，进洞按平均30人进行计算，施工断面D=4m，面积S=π*d²=12.566m²,则洞内施工人员所需风量为

Q₁=3×30=90m³/min=1.5m³/s

⑵洞内最小风速(V₂=0.15m/s)风量为

Q₂=V₂×S=0.15×3.1416×2.0²=1.885m³/s

⑶洞内排尘时，风速为V₃=0.5m/s,所需风量为

Q₃=V₃×S=0.5×3.1416×2.0²=6.28m³/s

⑷已知掘进头的通风量为Q₄=7m³/s

我们认为，当掌子面推进到12000米时，我们只需保证风筒的出口风量不小于其要求的掘进头的通风量为Q₄=7m³/s就可以了。原因有三：一是Q₄本身大于洞内排尘所需要的通风量Q₃，二是Q₃本身又大于Q₁和Q₂，三是风筒在延伸的过程中，每段风筒连接处的漏风（基本均匀），可以为洞内补充部分新风。

⑸实测数据显示，选择直径1.2米以上优质的风筒，每百米的漏风长度不会大于0.4m，我们选择0.6%(考虑接部分接头漏风控制不到位)来计算。当掌子面推进到12000米，我们需要风筒的出口风量Q

₄需超过7m³/s时，风筒进口风量应为：

Q₅=Q₄×（1+0.6%L/100）=7×（1+0.6%×120）=12.04m³/s

考虑到TBM掘进时会释放大量热量，掌子面附近处环境温度较高，因此，我们还要计算温度T与风速V的关系。当风筒出口的风量为7m³/s时，我们计算风速为：V=Q/S=7/(3.1416*0.62)=6.189m/s，符合上述要求。

因此，TBM施工在开拓掘进过程中的通风量为：0～12.04m³/s。

4.2通风阻力、风压计算

整个通风系统要克服通风阻力（包括沿程摩擦阻力和局部阻力）并保证风管末端的风流量具有一定的动压。通风机产生的风压来克服这些阻力，以维持风流的连续流动。

风筒阻力计算：

引入计算公式——

⑴摩擦阻力定律：H=RQ²，Pa

式中，H为摩擦阻力，Pa；R为摩擦风阻，NS²/M⁸；Q为管道内的流量，m³/s；

⑵摩擦风阻定律：R=aLU/S³，NS²/M⁸

式中，R为摩擦风阻，NS²/M⁸；

a为摩擦阻力系数，NS²/M⁴，对于圆形柔性塑胶风管，管内压力大于2000Pa时，可取值0.003～0.0035NS²/M⁴。

4.3风机型号确定

遂道通风长度12km，风速不大于0.8m/S，百米漏风率为0.4，采用强力纵向无缝塑胶专用风筒，其百米漏风率不会大于0.6%，我们按0.6%来计算，风量只需12.04m³/s（这里取13m³/s），风压14998.72Pa（最大风压按15000Pa考虑），则电机工作所需的最大功率为：

考虑到风机的动压损失，取动压系数为1.05

N=K×(Pst×1.05)×Q/（1000×ηst）

=1.20×(15000×1.05)×13/（1000×0.75）

=327.6kW

上式中，K为电机功率贮备系数，取1.10～1.20（上式中取K=1.20）,ηst为风机静压效率，N为所需四台电机的总功率。

分析：考虑负压，保证送风距离，采用用三级№8对旋轴流式通风机，考虑到风机选型应充分留有余地，采用3×90kw较为稳妥，所以风机设计选型为：

为节约能源，风机可根据掘进进度来分级使用，电机电压为380V，考虑采用ABB变频器控制。因考虑到无备用风机，ABB变频器本身就具有软启动功能，除了具有软启动器所具有的能使风机平稳启动、减少对风筒和电网的冲击的功能外，此外还有软启动器所不具备的通过调节电机的转速来调节风量风压，从而达到节能的目的，另外在风机转速较低的情况，还能降低噪声。为了确保风机长期安全稳定运行，风机采用ABB变频器柜控制最好。

为节约成本，保证送风距离，整个隧道风筒采用强力无缝正压风筒即可，每节风筒长度200米。

5.保证通风安全的相关举措

（1）风机要安排做过岗前培训的人专职看守，并严格按照培训内容与规章制度进行风机的相关操作，维保班要定期对风机进行检修，保证风机正常工作，保证洞内安全通风。

（2）安排专门的风筒维修工人。每早班都要对所有的风筒进行检查，调整不顺不平的地方。如果发现风筒出现了漏风等情况，要立即进行处理，对于破损不严重的风筒，使用线进行补缝。

（3）对二次风机和除尘风机要做到每早班进行细致检查，排查故障。

6.结束语

根据本项目施工通风经验，主要有以下几点

（1）施工通风在特定的条件下，具有一定的技术难度，针对具体工程对象要进行具体分析，改变惯有思维。

（2）通风机的选择是否合理，直接影响通风效果的好坏，是能否实现良好通风的前提，针对不同的工程情况，应以不同的设计思路去设计最优的施工方案。

（3）对通风所需的设备，材料要进行细致的掌握，了解其性能，尽量使用性价比高的产品。

（4）通风组织和施工现场管理是保证通风质量的关键，降低防漏的好坏直接关系到施工人员的安全，为搞好通风，必须配备责任心强，技术能力过硬的专业人员。

作者简介： 朱浩男（1994-10），男，汉族，黑龙江省绥化，本科学历，工班长，助理工程师，主要从事盾构机水利工程项目管理及技术管理等工作。