水电施工技术２０３４・第２期总第７６期 ＴＢ Ｍ施工长距离大直径深埋隧洞 通风除尘技术研究 ・张修高 李光前伍伟／／（ 司水利水电 一ｕ』 徉局仃限 １尔北分局） 【摘要】本文通过我国东北某输啦项哥四标，在进行ＴＢＭ施工过程中通风技术的实施进行研究分析，从通风机设 计原则、不同通风机选型、经济比较、除尘效果等多个方面进行分析，为我国长距离、大直径深埋隧洞ＴＢＭ施工通 风技术提供了一定的参考。 【关键词】长距离大直径ＴＢＭ通风除尘技术 １前言 在ＴＢＭ进行隧洞施Ｔ中，洞内作业面含氧量、 ３．１国内外ＴＢＭ施工通风技术调研 根据困内外ＴＢＭ施Ｔ过稗巾通风的凋研情况， 特别是困内山两引黄Ｔ程先后使川６白ＴＢＭ，辽宁 大伙房输水Ｔ程，同时使，Ｌ｝ｊ ３台ＴＢＭ以及国外英 目 粉尘、温度指标和ＣＯ等有害气体，对ＴＢＭ机上操 作人员、材料运输人员以及设备运行安全尤为重 受 特别是在长距离、大直径深埋隧洞下的ＴＢＭ施 吉利海峡同时使 ｌ ｌ台等ＴＢＭ过程中的通风系 目ｄ 统经验．并针对东北地 冬季严寒最低气温达一 Ｔ ｒ｛１，有害气体和粉尘的处理丁 作更为重要。如何 解决长距离、大直径深埋隧洞通风问题对于机上操 作人员以及没备的安全运行影响非常突ｆ¨，据不完 全统¨‘．ＴＢＭ在隧洞施Ｔ中由于通风除尘问题造成 ３８ｑＣ实际情况。在综合以上ＴＢＭ施ｒ通Ｊｘ【技术的 眦 口 基础上，对ＴＢＭ通风机的选型、风管布材料选择以 及ＴＢＭ机上除尘类型的选择进行渊研。 本标段隧洞Ｔ程主支洞分段施１ 布置示意图 ＴＢＭ停机运行时问占ＴＢＭ故障的３％ ５％左有。 （如图１），实施中的主支洞通ＪｘＬ』ｘＬ简直径的设计均 吸取了国内外成熟的经验和教训。 ２工程特征 我公司在承建东北某输水ｌＩ 程施丁中，负责洞 长达９９ｋｍ巾的３５．４４ｋｍ，开挖直径８．５ｍ、最大埋深 达４３０ｍ的长距离、大直径深埋隧洞施工，同时，采 Ｊ｛ｊ 台ＴＢＭ自下游向Ｌ游方向掘进过程中使用通 Ｊｘｌ、除尘技术。标段ＴＢＭ３—１段最大通风长度为 Ｉｌ １２８ｎ１， ＦＢＭ４一ｌ段最大通风长度为９８７４．５ｍ。根据 憎峨、— 僵Ｉ申．Ｉ｜ｔ●，—过 憎蚺粕１一时御，■ 簋刚ｔ置ｔ工Ｉ●医 ｍｇｉＰＪｔＴｔｔ４￣ｔ 自囊．慷置－工－●区 十 、■垃、 Ｉ￣ｌＵｍ．Ｊｔｈｉ＇ｔｔＩ医 各段施Ｉ 特点有效地解决了ＴＢＭ施Ｔ过程巾的通 风问题。现以此项目通风系统的Ｔ程实践对长距 离、大 径深埋隧洞通ＪｘＬ技术给予总结。 虹晡 鼋Ｈ 五 Ｉ 图１隧道工程布置示意图 ３．２经济比较分析 根据以上调研情况，从经济实ｊ｛ｊ、维修保养方 便的角度ｍ发，在满足通风保证隧洞内空气各项指 ３ ＴＢＭ施工通风的设计原则 标达到国家规定标准的前提下，在主支洞断面允许 净空的条件下，采用大直径同一类型风管，同风量 的两个通风机型号。满足不同掘进长度通风需求。 一次选取风管同时满足两段掘进需求，从而减少 ＴＢＭ通风系统的运行成本。 ３．３洞内施工污染源分析 在ＴＢＭ施工过程中．洞内施工污染源主要 有：ＴＢＭ掘进过程中产生的粉尘、高温；内燃机 车排出的尾气：不同岩石开挖过程中。岩石本身 可能产生的有害气体：洞内安装洞或检修洞下 游拌和系统产生的粉尘；设备高温时油料雾化 所产生的有害气体：深埋隧洞洞内潮湿对人体 和设备的影响。 ３．４国家对洞内施工污染最高允许规定 根据《水工建筑物地下开挖工程施工技术规 范》（ＤＩ／Ｉ＇５０９９—１９９９）中规定的地下工程施工对有 害气体允许浓度见下表１。 根据《铁路隧洞施工规范》（ＴＢ１０２０４—２００２）规 定．洞内施工人员每人供应新鲜空气不低于３ｍ３／ ｍｉｎ，采用内燃机作业时，供风量不宜小于３ｍ３／（ｍｉｎ． ｋｗ）。隧洞内温度不得高于２８℃。 表１洞内施工害气体允许浓度表 气体 允许 重量 气体 允许 重量 名称 浓度 浓度 名称 浓度 浓度 （％） （ｍｇ／ｍ ） （％） （ｍｇ／ｍ ） 氧 硫化氧 ＜ 化碳 ＜０．５ （Ｈ２Ｓ） ００００６６ ＜ｌ０ （Ｃ０２） ．一氧 ＜ （Ｃ０）化碳 ０．００２４ ＜３０ 甲烷 ＜１ ＿二氧 ＜ 醛类 化硫 ００００５２ ＜１５ （丙烯醛） ＜０－３ （Ｓ０２） ．３．５本项目设计通风系统 （１）风筒出口所需通风量计算 通风量的计算，需考虑下列多种要求，并取 其最大值。洞内风速将控制在０．１５ｍ／ｓ～６ｍ／ｓ， 排尘风速为０．２５ｍ／ｓ～０．５ｍ／ｓ，洞内气温较高时， 风速应适当加大。ＴＢＭ施工时洞内回风风速 ０．５ｍ／ｓ是合适的。可以满足ＴＢＭ施工段的通风 和除尘要求。经计算ＴＢＭ３—１段先期选用１台 ２ ｘ２ＯＯｋＷ（二级）轴流风机。ＴＢＭ４：１台２× ２００ｋＷ（二级）轴流风机。 中国水利水电第三工程局有限公司 ４通风系统布置 图２ ＴＢＭ３－１、ＴＢＭ４—１段通风系统平面布置图 洞内通风方式有自然通风和机械通风两种。自 然通风只适用于短洞。实际工程中多采用机械通 风。机械通风的基本形式有压入式、吸出式和混合 式三种。根据ＴＢＭ施工特点，本工程采用压入式机械 通风。详细的通风布置见图２。 ５通风设备及通风量计算 ＴＢＭ３、ＴＢＭ４段主洞ＴＢＭ施工部分断面Ｄ＝ ８．５ｍ，施工部分断面面积约５６．７２ｍ 。 ＴＢＭ３施工段通风长度为： ＴＢＭ３—１段施工段：主洞８８３３．４７４ｍ＋９＃支洞 ２２９４．８２ｍ＝ｌ ｌ １２８．２９４ｍ ＴＢＭ３—２段施工段：主洞６５２７．７４６ｍ＋７＃支洞 １９８４．４２ｍ＝８５ １ １．６９６ｍ 按ＴＢＭ３最长通风距离段考虑．即取通风距离 １ｌ１２８．２９４ｍ计算。 ＴＢＭ４施工段通风长度为： ＴＢＭ４—１段施工段：主洞７３２０．０５８ｍ＋ｌｌ＃支 洞８３８．８０ｍ＝８５９２．８７ｍ ＴＢＭ４—２段施工段：主洞８２３５．０８１ｍ＋１０＃支洞 １６３９．４４ｍ＝９８７４．５２１ｍ 按ＴＢＭ４最长通风距离段考虑．即取通风距离 ９８７４．５２１ｍ计算。 （１）满足ＴＢＭ及其后配套系统施工作业人员 所需新鲜空气的量的要求 Ｑ＝ｍｘｑ Ｑ一通风量，ｍＶｍｉｎ； ｍ一在洞内工作的最多人数： ｑ一每人所需的通风量，取３ｍＶｍｉｎ。 水电施工技术２０１４・第２期总第７６期 掘进机施工时，进洞人数按４５人计，施工人员 所需风量为： 的通风机和通风软管。根据国内外水平。参考招标 文件给定的通风系统参数，选取直径２．２ｍ、每节长 ３００ｍ的通风软管，按百米漏风率０．５５％计算。 则风机出口所需供风量： Ｑ１＝３ｘ４５＝１ ３５ ｍ３／ｍｉｎ＝２．２５（ｍ３／ｓ） （２）洞内内燃机车运行所需风量 材料运输牵引内燃机车所需风量为（３台２５Ｔ 低污染内燃机车功率为１８０ｋＷ，使用系数０．５５，按 每马力４ｍ３／ｍｉｎ风量计算） ＴＢＭ３：Ｑｉ３＝Ｑ／（１一Ｐ１００％）Ｌ／１００＝２８．５０／（１— ０．５５％）１ １ １ ２８／１ ００＝５２．９０ ｍ３／ｓ ＴＢＭ４：Ｑｉ４＝Ｑ／（１－Ｐ１００％）Ｉｄ１００＝２８．５０／（１— ０．５５％、９８７５／１００＝４９．２０ｍ３／ｓ Ｑ２＝ｎｘｋｘ３ｘｌＳ０／０．７３５＝３ｘ０．５５ｘ４ｘ１７１／０．７３５＝ １５３５．５ｌｍ３／ｍｉｎ＝２５．５９ｍ３／ｓ （５）风管阻力计算 （３）洞内最小风速所需风量 摩擦阻力定律：Ｈ＝Ｒ￣Ｑｉ／Ｑｏ，Ｐａ 式中，Ｈ为摩擦阻力，Ｐａ；Ｒ为摩擦风阻，ＮＳＪ Ｑ３＝ＶｘＳ＝０．５ｘ３．１４１６ｘ４．２５２＝２８．５０ ｍ３／ｓ 依上计算。机车运行与作业人员所需风量之和 Ｍ８；Ｑｉ为管道进口流量，ｍ３／ｓ；Ｑｏ为管道出口流量， ｍ３／ｓ 为Ｑ４＝２５．５９ｍ３／ｓ＋２．２５ ｍ３／ｓ＝２７．８４ ｍ３／ｓ；按回风风速 所需要通风量为：２８．５０ ｍ３／ｓ。取两个值的大者，所以 风筒出Ｅｌ末端所需风量为Ｑ＝２８．５０ ｍ３／ｓ。 （４）风机出口所需供风量计算 根据本工程ＴＢＭ施工长度和工程的重要性， ＴＢＭ３、ＴＢＭ４段独头通风距离分别为１１．１３ｋｍ、 ９．８７ｋｍ，通风距离较长，拟选用国外先进技术水平 摩擦风阻定律：Ｒ＝ａ￣ＬｘＵ／Ｓ３，ＮＳ２／ｍ 式中，Ｒ为摩擦风阻，ＮＳ２／ｍ ；ａ为摩擦阻力系 数，ＮＳＶｍ４，对于圆形柔性塑胶风管，管内压力大于 ２０００ Ｐａ时，可取值０．００３～０．００３５ ＮＳ２／ｍ ；Ｌ、Ｕ、Ｓ分 别为管道的全长（ｉｎ）、周长（ｉｎ）和截面积（ｎｌ。）。计算 过程见表２。 表２通风管道通风阻力计算 ＴＢＭ 管道 管道 截面 长度 摩擦阻力系数 周长 截面积 进口流量 ｍ口流量 摩擦 考虑１０％的局 需克服 编号 名称 材质 形状 Ｌ／阻力 的风筒 ｍ ｃｔ／Ｎ．Ｓ２．ｎｌ‘４ Ｕ／ｍ Ｓ／ｍ Ｑｉｍ ／ｓ Ｑｏｍ ／ｓ ｈ部阻力Ｐａ ｆ／Ｐａ 总阻力Ｐａ ６９７２ ＴＢＭ３ 风筒 塑胶 圆形 ｌ１１２８ 柔性 ＴＢＭ４ 风筒 塑胶 圆形 ９８７５ 柔性 ０００３０ ．６．９１ ３．８Ｏ ５２．９ ２８．５ ６３３８ ６３３＿８ ０００３０ ．６．９ｌ ３．８０ ４９．２ ２８．５ ５２３ｌ ５２３．１ ５７５４ （６）风机选型 （７）风机及风管配置见表３。 表３风机及风管配置表 序 名称 ０ 规格 数量 ＴＢＭ３段：Ｎ＝ＫｘＰｘＱ／（１Ｏ００ｘｘｌｓｔ） ＝１．１ｘ６９７２ｘ５２．９／（１０００ｘ０．８０） ５０７．１２ｋＷ ＝其中Ｋ功率储备系数，取Ｋ＝Ｉ．１ 风机选型：前期先选用ＳＤＦ隧道专用轴流风 机，功率：２ｘ２ＯＯｋＷ。当通风距离大于７ｋｉｎ后将在洞 内设置一台２×７５ｋＷ专用轴流风机做接力。 ｌ 风机 ＴＢＭ３：２ｘ ２ｏ０ｋＷ ＴＢＭ３：１台（二级）轴流风机（沣） ＴＢＭ４：２×２００ｋＷ ＴＢＭ４：ｌ台（二级）轴流风机 ２ 软风管 直径２．２ｍ ＴＢＭ３：１１１２８ｍ 每节３００ｍ ＴＢＭ４：９８７５ｍ 注：当ＴＢＭ３掘进进尺大于６．５ｋｍ时，将适时安装接力风机。 ＴＢＭ４段：Ｎ＝ＫｘＰｘＱ／（１０００ｘ－ｑｓｔ） ＝６ ＴＢＭ机上排风除尘系统效果分析 鉴于长距离、大直径深埋隧洞仅靠通风解决除 尘问题是不足的。对于ＴＢＭ机上和机尾已开挖支 １．１ｘ５７５４ｘ４９．２／１０００ｘ０．８０１ ３８９．２６ ｋＷ ＝风机选型：ＳＤＦ型隧道专用轴流风机，功率：２× ２００ｋＷ。 护部分隧洞空气污染无法有效解决，因而ＴＢＭ在 设计过程中设置了一套排风除尘系统，根据国内外 ＴＢＭ施工经验．机上通风除尘系统将分为两种除尘 方式，一种为湿式除尘方式，另一种为干式除尘方 式。 排风除尘系统主要由刀盘喷水除尘系统、 吸风机、金属风管、除尘器和除尘风机等设备组 成，排风管道从刀盘后经ＴＢＭ主梁内腔经金属 排风管，使用吸风机吸入刀盘以及刀盘附近 ＴＢＭ掘进和喷混凝土所产生的岩粉、喷 昆凝土 过程中产生雾化废气和设备前部锚杆钻机作业 过程中产生的岩粉等有害气体和粉尘，经除尘 器除尘后，将粉尘与除尘后的空气分两个出口 排出。两种除尘方式各有利弊，湿式除水尘是通 过湿式滤芯和高压水雾达到除尘目的。干式节 除尘是通过吸入刀盘前部带粉尘的有害气体经 干式吸尘滤芯和空气压缩降尘器以及静电除尘 系统，使粉尘由静电除尘口排出，除尘后空气自 金属排气管排至机尾。两种除尘系统优缺点如 下表４： 表４干、湿两种除尘器综合性能比较表比较内容 湿式 干式 备注 除尘器 除尘器 除尘效果 较差 好 用水量 大 小 用电量 小 大 有害气体 较好 一般 处理效果 设备费用 小 大 两者费用相差（６０＂－－８０）％ 安装难度 一般 较大 维护难度 一般 一般 维护成本 大 小 两者费用相差（３ｏ￣４ｏ）％ 综合性能 一般 较好 从表４中可反映出两种除尘效果．干式除尘虽 然设备投入较大，但是，使用效果和使用过程中的 维护费用都要比湿式除尘效果要好。 ７本项目通风系统实施过程中实测污 染指标统计 中国水利水电第三工程局有限公司 从现场监测过程来看，在主洞进尺在６．５ｋｍ以 内ＴＢＭ机上操作人员和机车司机对操作环境无任 何不良反应，无论是从洞内温度、降尘后隧洞内的 能见度、有害气体含量等均满足洞内施工的各项指 标要求。当掘进进尺大于６．５ｋｍ后，由于通风距离 加大、送风力度减小、中途节头增多，中途漏风部位 增加。散热效果和洞内温度增加面积加大等因素造 成洞内和ＴＢＭ机上温度与掘进长度在６．５ｋｍ以内 时有一定的提高．洞内能见度有一定的下降。将适 时增加接力风机措施，但总体监测指标仍能满足要求。 表５洞内有害气体监测值统计表 气体名称 允许浓度（％） 重量浓度 （ｍｇ／ｍ ） 二氧化碳（ＣＯ２） ０．３５ 一氧化碳（ＣＯ） ０．００２ｌ ２８ 二氧化硫（ＳＯ２） ０．０００３８ １２ 硫化氢（Ｈ２ｓ） ０．０００５６ ８．６ 甲烷 ０．５６ 醛类（丙烯醛） ０．１５ ８结语 本文通过东北输水项目四标段两台ＴＢＭ施工 中，对于通风系统运行时，需要加强通风系统的日 常维护，同时对ＴＢＭ机上除尘系统进行定期保养。 制定严格的风筒管理和通风除尘系统维护管理措 施。严格执行“ＴＢＭ通风系统是ＴＢＭ机上人员生命 线”这一重要原则。工程通风系统在支洞风带设计 上，采用与主洞相同直径的风带，对于支洞运输和 风带运行过程中完好率的影响较大，建议：在支洞 内使用同断面两条风带代替大直径主风带．使两条 支洞风带在主支洞交叉口与主洞风带相接的方案 值得推广，这样可解决支洞风带经常因运输车辆和 设备挂坏后造成ＴＢＭ停机的问题。同时，笔者建 议：在支洞口通风机附近３０ｍ～４０ｍ内应使用负压 风带，以防止冬季低温条件下风带因表面除冰而使 开关频繁对风带造成的损坏。