基于能量理论隧道盾构施工阶段通风技术的研究

徐昕

（昆山登云科技职业学院 215300）

引言

盾构法是采用自动化施工作业的方法，施工速度快，劳动强度低，施工中不影响地面交通，能够在复杂环境下施工，所以在隧道工程施工中得到广泛的运用[2]。盾构法施工主要是在推进过程中，盾体前端切削设备掘土，通过运土设备将掘土运出洞外，利用千斤顶装置在盾体后端顶推盾构前进，同时进行预制混凝土管片的拼装，施工过程中依靠盾壳和管片支撑岩体避免坍塌。

图1 盾体

图2 推进系统油缸分组控制

图3 泡沫及膨润土系统示意图

图4 注浆系统示意图

盾构机既是施工设备，同时也是岩体的支护设施，是集挖土、注浆、导向、支护多种施工工艺的施工机具。隧道盾构施工主要由盾体和后配套量大部分组成。盾构机主要由盾体、刀盘、管片安装机、螺旋输送机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备等几部分组成，其各组成结构件图 1～4[3]。

盾构机的基本工作原理：盾构机的掘进→掘进中控制排土量与排土速度→管片拼装[4]。

盾构机的施工工艺为：在始末端分别开挖一个施工井，并在起始端井进行盾构机的组装，组装完成后，盾构机在千斤顶的作用下从起始端井在地层沿规划路线被推进，出土的同时安装预制衬砌管片并注浆，终了盾构机在末端井拆除。盾构作业的施工流程见图5。

图5 盾构作业的施工流程图

从隧道盾构施工的流程可以看出，隧道盾构的施工起点和终点之间不相互贯通，隧道盾构施工处于半封闭空间，施工过程中不能形成有效稳定的风向流动，在这种状态下施工，工作环境比较差，施工的工作效率较低，针对于这种情况，就有必要对隧道盾构施工过程中通风技术进行研究，找出合适的隧道盾构施工的通风方式，营造良好的工作环境，提高工作效率，保障施工人员的身体健康，降低工程事故，提高工程质量。

2 隧道盾构施工阶段主要污染源研究

隧道工程盾构施工时，主要的污染源主要有有害气体、各种粉尘以及温湿度等其他有害污染源。这些污染源会破坏空气质量，严重危害着施工人员的健康。

2.1 各种有害气体

在隧道盾构施工过程中，会有各种有害气体的产生。各种有害气体主要包括：①盾构运作过程中内燃机工作产生的有害气体；②在坚硬岩石爆破过程中使用的爆破燃料产生的有害气体；③施工场地地下含有的有毒气体，如CO、CO2、瓦斯和天然气等等。这些有害气体弥散在施工环境中，如不能及早的消除，对施工人员的身体健康产生很大的影响，甚至可能造成爆炸中毒等安全事故，所以要加强隧道盾构施工的通风，尽量降低空气中有害气体的浓度。隧道盾构工程有毒有害气体的浓度参考值见表1[5]。

表1 有毒有害气体的浓度参考值

2.2 颗粒粉尘

在隧道盾构施工过程中同时也伴随着钻孔、爆破、运咋、挖土等一系列的相关动作，这些过程同样也会产生各种颗粒粉尘，比如钻孔产生的岩尘、爆破产生的烟尘、碰混凝土产生的水泥粉尘、石棉粉尘、滑石粉尘、韩尘等等。这些有害气体弥散在施工环境中，如不能及早的消除，同样也会对施工人员的身体健康产生很大的影响。隧道盾构工程粉尘浓度参考值见表2[5]。

表1 有毒有害气体的浓度参考值

2.3 温湿度等其他危害

在隧道盾构施工过程中温湿度、噪声以及气压等条件不合适同样也会对施工人员的身体健康产生很大的影响，施工的工作效率下降。一般要求隧道盾构施工时，施工空间的温度不超过30℃，噪音不能超过80dB。

3 隧道盾构施工阶段主要的通风方法研究

隧道盾构施工要求通风的主要目的就是通过通风换气带走有毒有害气体或粉尘，降低其在空气的含量以满足施工的要求，营造良好的工作环境。通风是利用自然能量或机械能量推动空气流动，从而进行空气的交换[5]。所以通风的方式通常又自然通风和机械通风两种，隧道盾构施工由于环境的复杂以及施工距离较长，利用施工区域自然环境通风是不可能达到上述环境要求，所以隧道盾构施工一般都是采用机械通风，主要有压入式通风、吸出式通风、巷式通风、混合通风几种方法[5]。

图6 压入式通风

图7 吸出式通风

图8 混合式通风

图9 巷式通风

3.1 压入式通风

压入式通风的方案见图6。风机工作后通过风管将新鲜空气输送到隧道盾构施工空间，风管出口处形成正压，在新旧空气压力差的作用下将污染空气排出施工空间。压入式通风方式能在短时间排出施工空间的污染空气，布置过程中选用的是柔性风管，拆装方便，造价低，但压入式通风由于在排气时污浊空气要经过整个隧道，污染了隧道里的洁净空气，对施工人员的健康造成一定的影响。压入式通风适用于无轨运输施工的隧道。

3.2 吸出式通风

吸出式通风的方案见图7。风机工作后隧道中的污浊空气被风机吸入通过风管排出，隧道内形成负压，新鲜空气通过隧道流入到施工空间。吸出式通风方式同样能在短时间较好的净化施工空间的污染空气，污染的空气通过风管排出，能够保持隧道洁净空气不被污染，对施工人员不造成伤害，但吸出式通风在布置过程中选用的是刚性风管，拆装不方便，造价相对较。吸出式通风适用于有轨运输施工的隧道。

3.3 混合通风

混合式通风的方案见图8。混合式通风结合了压入式和吸出式通风的优点，克服了两者的缺点，在施工空间附近布置压入式通风，在已完工作空间布置吸出式通风，既能够快速高效的净化施工空间，有保护了隧道内部洁净空气不被污染，有效的改善施工环境，提高施工人员的舒适度，提高工作效率，但混合式通风在布置过程中风机和风管数量增加，造价高，排风噪音大，布置对施工空间有一定的要求。混合式通风适用于空间大距离长的施工隧道。

3.4 巷式通风

巷式通风的方案见图9。巷式通风在通风排气过程中充分运用隧道斜井和导洞等辅助坑道为通排风路径，既保证了排气过程中隧道中洁净空气不被废气污染，又能缩短独头巷道局部空间通风的距离，保证新鲜空气快速有效的到达施工空间。但巷式通风施工难度增加，对工期有一定的影响。巷式通风适用于空间大距离长具备辅助坑道的施工隧道。

4 隧道盾构施工阶段需风量及通风设备的选择研究

在隧道盾构施工过程中通风是首要考虑的安全问题，施工过程中具有良好的通风，能够为施工空间提供新鲜的空气，营造良好的工作环境，不但能够有效的提高工作效率，保障施工人员的身体健康，降低工程事故，提高工程质量，而且还能确保施工机械和设备不被腐蚀，提供设备的机械效率。在隧道盾构施工过程中，对于风量的需求主要涉及到人员、设备、有害气体等几个方面。

4.1 施工人员需气量Q1

隧道盾构施工人员需气量按公式（1）计算。

式中：Q-工作面风量（m3/min）；q-单位时间内人每需气量通常q取3m3/min；m-同一时间参与工作总人数；k1-储备系数，通常取1.1-1.15；K-需风系数，通常取2.8～3.0m3/min。

4.2 净化内燃机废气需气量Q2

隧道盾构施工内燃机产生废气需要净化，使有害气体降至允许浓度以下，净化内燃机废气需气量按公式（2）计算：

式中：Ti-设备利用率。

4.3 允许最低平均风速需风量计算Q3

允许最低平均风速需风量按公式（3）计算：

式中：A-隧道断面积，m2；V-最低平均风速，m/s。

4.4 净化爆破产生的废气需气量Q4

净化爆破产生的废气需气量分压入式通风、吸入式通风和混合式通风分别计算。

（1）压入式通风需风量按公式（4）计算

式中：G-同时爆破的炸药量（kg）；φ-淋水系数；L-隧道长度或临界长度，取两者最小值。

通过计算分析上述几种公式的计算结果，取计算最大值作为设计需气量。

4.5 风机工作风量和风压的计算

（1）风机的工作风量Qn

风机的工作风量按按公式（7）计算：

式中：η-漏风系数；Q-计算风量。

（2）风机工作风压的计算

风机的工作风量按按公式（8）计算：

4.6 通风设备的选择

通风设备的选择，工作风量和风压要满足上述公式计算的要求，同时要注意工作风压应小于设备的允许工作压力。在选择通风设备时要注意通风设备的额定风量不能低于上述公式的计算风量，风机和风管的选择要注意连接口径一致性，选择要合理，通风机满负荷压力要大于风管的总阻力。在选择通风设备时也要考虑到环保节能的要求尽量选用高效节能无级变速的风机，选择风机是尽可能选择风量风压稍高于计算风量风压的机型，避免风机长期全负荷运转，加速风机的损坏，同时也能确保隧道盾构施工通风的需求。

5 隧道盾构施工阶段通风管理的研究

加强隧道盾构施工阶段通风管理，不但有利于隧道盾构施工的顺利进行，而且能够有效的提高施工人员的工作效率和机械设备的机械利用率，降低能耗和施工成本，提高工程的经济效益。在隧道盾构施工过程中就通风管理还在一系列的问题，主要体现在管理工作不到位、专业技术和管理人员能力缺失、监管制度不完善，这些问题的存在必然会对隧道盾构工程施工过程中通风效果产生影响，严重时会对施工人员和机械设备造成伤害，导致工程事故的发生。为了避免上述问题的发生，必须对通风管理人员、监管技术人员进行严格的要求和通风设备系统进行合理的优化。

5.1 加强通风管理人员和专业技术人员的培训

充分利用空闲时间对通风管理人员进行管理方面的理论知识、安全知识和思想素质教育，提高管理人员的管理理念和安全意识。对于新入岗的专业技术人员必须进行岗前培训，学习专业基础知识和相关的安全操作规程，考核合格后方可上岗工作，并且不定期的对隧道盾构施工各岗位的施工人员、管理人员以及专业技术人员进行安全教育和培训，做到人人懂安全，人人抓安全，积极参与通风管理工作中来，努力提高通风管理水平和通风技术处理能力。

5.2 加强通风设备的管理

通风设计过程中认真验算管道和风机设计是否合理，是否满足隧道盾构施工空气量的需求。通风管道和风机布置过程中确保风管接头连接严密，风管安装平顺无障碍。在通风设备工作运行过程中要定期不定期的检查通风设备运转是否正常，检查过程中发现风管损坏或者接头漏气、风机出现故障及时维修或更换，做到定期对通风设备进行维护保养，确保通风系统运转良好。

5.3 加强通风效果的监测

制定完善的通风监测制度，定期不定期对隧道盾构通风系统的通风效果进行动态监测，严格按照要求和步骤观察记录通风系统的运行状态和监测数据，对数据进行分析比对，发现异常及时通知相关管理人员和专业技术人员对通风系统检修检查维修，确保通风系统的良好运行，有效提高通风系统的通风效果，为隧道盾构施工营造良好工作环境和空间，提高工作效率，加快工程建设进度。

6 总结

合理选择通风方式和通风设备，能够有效的提高隧道盾构工作空间的环境，提高施工人员的工作效率和施工机械的利用率，保证施工人员的身体健康不受到伤害，加快工程建设进度，提高工程质量，降低施工成本。隧道盾构施工通风技术的研究，能够提高通风管理人员的安全意识和管理水平，对合理优化通风系统具有一定的推进作用。