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中国工程科学 渤海海峡隧道施工通风方案探讨 吴元金， 邹翀 （中国中铁隧道集团有限公司技术中心， 河南洛阳 471009） [摘要]由于海上施工竖井布设难度大， 致使渤海海峡隧道独头单口掘进长度加大， 几个工作面独头单口掘 进长度都在25 km左右。本文采用渤海海峡隧道现有的设想方案， 通过通风方式的选择、 通风计算和通风设 备选型对本工程的施工通风进行研究， 提出利用巷道式通风解决独头单口掘进25 km隧道施工通风的方案， 为渤海海峡隧道的可行性研究提供施工通风方面的技术支持。 [关键词]渤海海峡隧道； 施工通风； 巷道式通风； 方案设计 [中图分类号]U453.5[文献标识码]A[文章编号]1009-1742 （2013） 12-0090-05 1前言 近百年来国内外已建成、 正在建设和拟建的海 底隧道越来越多。已建成的海底隧道中著名的有 全长53.9 km的日本青函隧道、 全长50.5 km的英法 海底隧道和全长 18.7 km 的日本新关门铁路隧道 等。我国的厦门翔安海底隧道、 青岛胶州湾海底隧 道和狮子洋隧道等的修建， 为我国拟建的类似工程 提供了重要的指导作用。美国俄罗斯白令海峡 隧道、 琼州海峡隧道、 台湾海峡隧道[1]、 渤海海峡隧 道[24]等拟建的特长海底隧道都在研究阶段， 这些隧 道的修建都有一个相同的难题超长距离施工 通风[57]， 而我国利用隧道掘进机 （TBM） 施工的隧道 施工通风技术正在逐步提高[8， 9]， 在隧道结构断面允 许的条件下， 利用巷道式通风能极大地提高隧道独 头单口掘进距离[10]， 并达到节能的目的， 因此研究利 用巷道式通风解决超长距离施工通风具有重要的 意义。 2渤海海峡隧道工程概况 渤海海峡隧道初步方案为双洞单线服务隧道 方案， 见图1。主隧道与服务隧道中线之间的距离 为30 m， 沿隧道纵向每隔700 m设置一条横通道连 接主隧道和服务隧道。 图1渤海海峡隧道横断面 Fig.1Cross section of Bohai Strait tunnel 根据我国高速铁路隧道断面大小， 内净空面积66 m2可以满足客车200250 km/h的行车速度要求， [收稿日期]2013-10-08 [基金项目]中铁隧道集团有限公司重大课题 （隧研合2012-15） [作者简介]吴元金 （1984） ， 男， 江西玉山县人， 工程师， 主要从事地下工程科研与施工工作； E-mail 258334960 90 2013年第15卷第12期 并在参考英法海底隧道和我国狮子洋隧道断面大 小的基础上， 初步设计主隧道外径为11.3 m， 服务隧 道外径为7.5 m， 横通道外径为4.5 m， 采用复合式衬 砌， 主隧道初期支护为30 cm， 二次衬砌为40 cm； 服 务隧道初期支护为30 cm， 二次衬砌为30 cm。 拟建的渤海海峡隧道的主隧道与服务隧道均 采用敞开式TBM钻爆法施工， 隧道共分为5个施 工段 （见图2） ， 即第1段从蓬莱端隧道口到北长山岛 竖井， 第2段从北长山岛竖井到砣矶岛， 第3段从砣 矶岛到北隍城岛竖井， 第4段从北隍城岛竖井到老 铁山水道中部， 第5段从老铁山水道中部到旅顺端 隧道口。采用 15 台 TBM 施工， 其中每段隧道用 3 台， 2台掘进主隧道， 1台掘进服务隧道。服务隧 道可作为超前导洞先施工， 查明详细地质情况， 如 果遇到不良地质， 通过服务隧道对主隧道进行各种 超前预处理。 图2渤海海峡主隧道、 服务隧道掘进段划分图 Fig.2Tunneling section graph partitioning of Bohai Strait main and service tunnel 3TBM施工特点 TBM 区别于钻爆法施工， 具有以下特点 a. TBM设备配置复杂， 机电、 液压和精密高科技设 备多； b. 作业人员主要集中在前方后配套的作业平 台上； c. 掘进连续快速； d. 作业产生的粉尘不多， 但 集中发热现象严重， 热量多； e. 非爆破作业。 TBM施工作业特点对与之配套的通风系统提 出了相应的要求。机电、 液压和精密高科技设备 多， 对作业环境的要求高； 作业产生的粉尘多， 热量 多， 必须采取除尘降温措施； 非爆破作业， 不存在对 风管的破坏问题， 风管维护相对容易。设备人员集 中， 通风除尘重点突出； 掘进连续快速， 通风管路要 快速跟进。 4施工通风设计 隧道掘进的施工通风方式有压入式、 排风式、 混合式和巷道式等。巷道式通风是最节能且通风 效果最好的通风方式， 但实施应用需要相应的条 件。由于渤海海峡隧道是单线三洞隧道同时掘进， 且单口掘进长度达到25 km， 就目前的通风设备及 技术来看是无法实现独头压入式、 排风式和混合式 通风的。结合本工程的特点， 在通风方式的选择上 可满足巷道式通风实施条件， 因此本隧道选择巷道 式通风较为合理。 4.1风量计算 本文取北隍城岛竖井所处隧道段进行通风 计算， 其他隧道段通风计算与其相似， 不再重复 计算。 采用TBM施工的需风量计算同钻爆法一样， 主 要从除尘、 降温、 稀释有害气体和作业人员呼吸4个 方面来考虑， 与钻爆法不同的是不需要考虑排除炮 烟的需风量。TBM施工通风的风量计算基本上沿 用的是国外的标准。英国 建筑工业中隧道开挖作 业安全实用规程 认为， 当风速小于0.5 m/s时， 粉尘 会逆风扩散， 因此本规程把这一风速作为最低标 准。此标准在其他国家也被广泛采用。 渤海海峡隧道施工通风风量计算主要参数见 表1。 表1渤海海峡隧道施工通风相关参数 Table 1The construction ventilation parameters of Bohai Strait tunnel 施工通风相关内容 服务隧道断面/m2 主隧道断面/m2 单工作面最多施工人数 每人需新鲜风量/mmin-1 TBM施工功率/kW 风管送风长度/m TBM施工除尘最低风速/ms-1 风管摩擦阻力系数 风管百米漏风率 隧道壁面沿程阻力系数 参数 51.5 78.86 80 4 1 000 1 500 0.5 0.01 0.015 0.021 91 中国工程科学 TBM施工通风风量按人员呼吸、 稀释围岩散发 的有害气体、 对TBM施工降温和除尘各项所需风量 中的最大值作为单口掘进的需风量。经计算， 除尘 所需的风量 （洞内允许的最低风速） 为最大需风量， 因此， 主隧道需风量为2 366 m/min， 服务隧道需风 量为1 545 m/min。 4.2通风设备匹配计算 本工程施工通风第一阶段 （前1 500 m之内） 采 用压入式通风， 第二阶段采用巷道式通风。 4.2.1第一阶段 竖井施工期间以及正洞施工1 500 m以内采用 压入式通风， 风机架设在竖井外靠上风侧， 污风从 竖井内排出。通风布置示意图见图3， 经计算， 主隧 道选用 SDF（c）№12.5 （3） 风机， 服务隧道选用 SDF（ c ）№11.5 （0） 风机， 风管均选择直径为ϕ1 800 mm 的风管， 能满足主隧道和服务隧道的需风量要求。 风管百米漏风率取0.015， 风管摩擦阻力系数取0.01 进行计算， 计算结果如图4、 表2和表3所示。 图3第一阶段压入式通风布置示意图 Fig.3Layout sketch map for forced ventilation of the first phase 图4风机选型匹配曲线 Fig.4The matching curves of the draught fan selection 注（a） 为SDF（c）№12.5 （高速） 风机与ϕ1 800 mm风管匹配曲线；（b） 为SDF（c）№11.5 （高速） 风机与ϕ1 800 mm风管匹配曲线 表2主隧道送风计算结果 Table 2Ventilation calculation for main tunnel 叶片角度 -3 0 3 出口风量/m3min-1 1 881.95 2 075.80 2 400.59 风机静压/Pa 1 398.17 1 701.05 2 274.99 风机风量/m3min-1 2 188.16 2 413.56 2 791.19 风管风阻/Ns2m-8 1.051 24 1.051 24 1.051 24 局部阻力百分比/ 4.88 4.88 4.88 92 2013年第15卷第12期 表3服务隧道送风计算结果 Table 3Ventilation calculation for service tunnel 叶片角度 -3 0 3 出口风量/m3min-1 1 515.16 1 667.35 1 916.98 风机静压/Pa 912.53 1 105.06 1 460.71 风机风量/m3min-1 1 761.69 1 938.65 2 228.90 风管风阻/Ns2m-8 1.058 49 1.058 49 1.058 49 局部阻力百分比/ 5.53 5.53 5.53 4.2.2第二阶段 当竖井施工完成、 正洞施工超过1 500 m时采 用巷道式通风， 通风布置示意图见图5， 同样主隧道 选用SDF（c）№12.5风机， 服务隧道选用SDF（c）№11.5 风机， 风管均选择直径为ϕ1 800 mm的风管， 计算结 果与第一阶段计算相同。 图5第二阶段巷道式通风布置示意图 Fig.5Layout sketch map for gallery-type ventilation of the second phase 4.3射流增压计算 4.3.1通风最不利时服务隧道射流增压计算 服务隧道最长施工距离为25 km， 属于新鲜风 道， 为三路隧道施工提供所需新鲜风， 通过送风计算 得到三路风机供风量Q7 521 m/min （ 125.35 m/s） 。 服务隧道衬砌后断面积A51.5 m2。断面风速v Q A 即服务隧道断面风速为v 2.43 m/s。服务隧道阻 力计算如下 PλL d ρ 2 v ˉ 2 （1） 式 （1） 中， P为服务隧道阻力， Pa； v ˉ 为服务隧道断面 平均风速， m/s； λ为隧道壁面沿程阻力系数 （本隧道 为混凝土拱墙、 无碴轨道， 沿程阻力系数取0.021） ； L 为计算段隧道长度， m；d为隧道当量直径； ρ为空气 密度， 均取1.20 kg/m3。 单台射流风机升压力Pj计算 Pjρv 2 jφ 1-Ψ 1 Kj （2） 式 （2） 中，vj为射流风机出口风速 （55 kW射流风机 vj32.2 m/s， 11 kW射流风机vj18.8 m/s） ； φ为面积 比， φFj/F， Fj为射流风机出口面积 （55 kW射流风机 Fj1.54 m2， 11 kW射流风机Fj1.23 m2） ， F为隧道 断面积； Ψ为风速比， Ψve/vj，ve为隧道内风速，vj 为射流风机出口风速； Kj为射流损失系数， 通过查 表， 55 kW射流风机取Kj1.13， 11 kW射流风机取 Kj1.12。 通过计算， 服务隧道通风总阻力为229.64 Pa， 55 kW射流风机应用到服务隧道中的单机升压力为 24.82 Pa， 因此， 服务隧道最少应设置10台55 kW射 流风机， 分5组， 每组2台。一般情况下， 每组风机 纵向间距取隧道截面积的当量水利直径 （服务隧道 为8.1 m） 的10倍或10倍以上， 只要每组风机之间 具有足够的纵向间距， 则风机尽可能地布置在靠近 隧道洞口的位置。针对本隧道， 射流风机从竖井底 部服务隧道入口开始安装第一组， 间隔100 m安装 一组。 4.3.2主隧道射流风机布置 主隧道的射流通风计算与服务隧道相似， 计算 结果为 单台11 kW射流风机在主隧道的升压力为 5.82 Pa， 每个主隧道的通风阻力为8.12 Pa， 需要两 台11 kW的射流风机。建议在离掌子面最近的横通 道处的主隧道靠近竖井一侧分别布设一组射流风 93 中国工程科学 机， 使污风能顺利从两个主隧道排出。 5结语 1） 25 km 的巷道式通风在之前的隧道施工 通风中从未遇到过， 通过之前通风方式的研究和 计算， 渤海海峡隧道施工时采用巷道式通风是可 行的。 2） 渤海海峡隧道施工通风设计存在一个需要 施工过程中解决的问题 竖井被分割成3个区域， 中 间区进新风， 两边区出污风， 如何在井外把新鲜风 和污风分割开来， 需要在施工的过程中采用合理的 措施防止洞内出来的污风又通过竖井中间区进入 隧道， 形成污风循环。 3） 隧道在施工期间， 射流风机布设位置至竖井 或洞口端的横通道建议及时封闭， 以此来保证服务 隧道新鲜风流的质量， 避免污风循环。 4） 笔者从事多年的长大隧道施工通风设计与 管理工作， 对隧道施工通风深有体会， 再好的设计 都需要现场精细的管理才能体现出设计效果。因 此， 建议本工程施工期间组建专业的通风班组进行 施工通风管理。 参考文献 [1]杨艳， 陈宝春. 世界跨海工程概况与台湾海峡通道可能性[J]. 福建建筑， 2007 （8） 26-28. 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The construction ventilation of Bohai Strait tunnel is studied in terms of ven- tilation mode selection，ventilation calculation and facility selection，on the basis of the existing devised pro- gram. In the end，the gallery-type ventilation is proposed to solve the ventilation problem of the men- tioned tunnel. The paper can provide ventilation technical support to the study on Bohai Strait tunnel. [Key words]Bohai Strait tunnel； construction ventilation； gallery-type ventilation； program design 94