超长盾构隧洞内衬钢管施工通风技术应用

超长盾构隧洞内衬钢管施工通风技术应用

邝任廷

中国水电八局机电公司  湖南 长沙  410000

摘要：珠三角水资源配置工程采用的双线盾构隧洞，区间隧洞中采用超深工作井连接，隧洞内衬压力钢管，盾构管片与压力钢管之间只有15cm的间隙，导致施工空间受限。压力钢管安装需采用专用运输台车将钢管从隧洞一端运输至隧洞内安装工作面，在钢管内衬施工时需进行焊接作业，其隧洞内进行焊接施工，其焊接烟尘难以排出。且内衬钢管与盾构管片之间需采用胶水黏贴新型复合排水板，其胶水具有较大刺鼻气味。内衬钢管与盾构管片之间填充C30自密实混凝土，其施工产生较大热量。鉴于以上施工均在长距离隧洞内进行，其通风技术在类似工程上具有较大的应用价值。

关键字：超大直径；钢管；自密实；通风

珠江三角洲水资源配置工程土建施工A4标盾构隧洞由于区间隧洞长度较大，钢管为超大直径，隧洞内施工空间受限等因素，考虑到钢管安装和自密实混凝土施工，结合现场施工条件，钢管安装和自密实混凝土施工分开分别从隧洞两端进行，风管无法从钢管运输端进入隧洞内，只能从自密实混凝土进入侧安装。由于国内外并无此类型条件下的通风案例，此项目隧洞通风应用对于后续类似工程施工具有较大借鉴意义和推广价值。

1.工程概况

珠江三角洲水资源配置工程土建施工A4标段总长约7.57km的双线输水隧道（左线隧道桩号SD左12+184.003~SD左19+755.274、右线隧道桩号SD右12+181.127~SD右19+755.518）；3座工作井（直径35.9m）分别为SD06#工作井（桩号SD左15+814.005和SD右15+806.847、左右线共用）、SD07#工作井（桩号SD左17+956.021和SD右17+944.899、左右线共用）、SD08#工作井（SD左19+755.274和SD右19+755.518、左右线共用）。

双线输水隧道均为盾构隧道，最大坡度为1.2‰，最小转弯半径394m，采用标准的盾构隧道尺寸，外衬采用C55的预制钢筋混凝土管片，抗渗等级W12。管片外径6m，内径5.4m，厚0.3m，环宽1.5m，管片通过不锈钢螺栓连接。内衬钢管采用钢材Q355C，壁厚为20mm，内径4.8m，内衬钢管外侧设置高120mm，宽24mm，间距1.2m的加劲环。内衬钢管与盾构管片之间填充高性能自密实混凝土，混凝土强度等级为C30，抗渗等级为W12。钢管内部底部设置了行车道，采用钢筋混凝土，混凝土强度等级为C35。在衬砌管片内侧隧道上部240°沿隧道方向铺设新型复合排水板和泡沫阻燃板，形成隔离排水层。导致钢管与管片之间只有16cm的施工空间。

2.施工布置

钢管采用单向前进退步式的安装方式，即从一个工作井往相邻工作井安装，混凝土从隧洞另一端进入施工工作面，钢管安装与混凝土浇筑两个工作面互不影响，提高施工效率。

SD05#-SD06#区间钢管采用联络通道方案，SD05#-SD06#区间隧洞由2个工作面变为3个工作面同时安装钢管，钢管从隧洞中间往两边安装，届时将同时从SD05#、SD06#工作井下钢管，SD05#工作井下混凝土。

SD06#-SD07#区间和SD07#-SD08#区间钢管顺水流方向安装，混凝土为顺水流方向施工。

图1  钢管安装和混凝土施工示意图

3.通风系统布置

各隧道区间通风管从自密实混凝土吊装工作井接入隧道内，向自密实施工方向延伸，为减少对自密实混凝土运输的影响，风管通过强磁铁吸附固定在钢管内壁上。通风机选用根据盾构施工选用功率即可满足要求。SD06#～SD05#工作井区间隧道选用2×75kw轴流式两级通风机，SD07#～SD06#工作井区间隧道、SD08#～SD07#工作井区间隧道选用2×55kw轴流式两级通风机。

图2  通风管安装示意图

3.1.通风设备布置

在工作井洞门墙上方布置两台轴流风机，使用软布带分别延伸至盾构区间左右线，用于该区间进风。

3.2.设计参数

隧洞横截面面积：S=πr²=π×2.7m*2.7m=22.9m²

隧洞内焊接烟尘量：1500m³/h/台×4台=6000m³/h

通风管：进风管采用Φ1m优质软管，管道百米漏风率：1.2%；

软风管沿程摩阻系数：α=λρ/8=0.0015kg/m³，式中（达西系数λ=0.01，空气密度ρ=1.2）；镀锌风管沿程摩阻系数：α=λρ/8=0.0026kg/m³，式中（达西系数λ=0.017，空气密度ρ=1.2）。

最大压入通风长度：L=30m。

3.3.风量计算

从三个方面考虑，具体为按洞内允许最低风速计算得 Q1；按洞内最多工作人员数计算得Q2；按稀释管道环缝焊接时产生的废气稀释风量计算得Q3。通过计算，取 Q＝Max(Q1、Q2、Q3)。

（1）按洞内最小风速计算风量(每个工作面)： Q1=60SV

V-取 0.25m/s，

S-取22.9m²,

Q1=60×22.9×0.25=343.5m

³/min

（2）按洞内最多工作人员数计算风量(每工作面)：

Q2=qmk（m³/min）

q-每人每分钟呼吸所需空气量 q=3m³/min

m-同时工作人数，取 m=12 人

k-风量备用系数，取 k=1.25

Q2=kmq=1.25×3×12=45m³/min

（3）按稀释管道环缝焊接时产生的废气稀释风量计算风量(每工作面)：

每个工作面最多2台环缝自动焊机同时工作。

Q3=1500m³/h/台×2台=3000 m³/h=50m³/min

（4）洞内需最大风量

Q＝Max(Q1、Q2、Q3)=438.5m³/min

根据洞内最大需风量、通风长度和百米漏风率，应用公式 Q＝Q 计×（1÷(1－L/100×β) ）m³/min

计算求得配风机供风量。

SD07#~SD08#区间：

Q=438.5m³/min × [1 ÷（1－1980/100 × 0.012 ）]=575m³/min

SD06#~SD07#区间：

Q=438.5m³/min × [1 ÷（1－2320/100 × 0.012 ）]=608m³/min

SD07#~SD08#区间：

Q=438.5m³/min × [1 ÷（1－2008/100 × 0.012 ）]=777m³/min

3.4.风压计算

（1）管道阻力系数

软管风阻系数Rf=6.5αL/， 摩阻系数α=λρ/8=0.0015kg/m³。

通风软管达西系数取λ=0.01，空气密度ρ=1.2kg/m³。

硬管风阻系数Rf=6.5αL/，摩阻系数α=λρ/8=0.0026kg/m³。

根据以前的施工经验、隧道断面以及目前常用性能稳定的风机选定通风管直径，为便于管理和维修，隧道通风进风采用直径 D=1m的软管，管道阻力系数 Rf 计算表。

Rf1=6.5αL/D5=(6.5×0.0015×1980)/15=19.3

Rf1=6.5αL/D5=(6.5×0.0026×1980)/15=33.5

Rf2=6.5αL/D5=(6.5×0.0015×2320)/15=22.6

Rf2=6.5αL/D5=(6.5×0.0026×2320)/15=39.2

Rf3=6.5αL/D5=(6.5×0.0015×3630)/15=35.4

Rf3=6.5αL/D5=(6.5×0.0026×3630)/15=61.3

（2）管道阻力损失

管道阻力损失 Hf=Rf*Qj*Qi/3600+HD+H

式中 Qj——通风机供风量，取设计风量，m³/min；

Qi——管道末端流出风量，m³/min；

HD——隧道内阻力损失取 50；

H 其他——其他阻力损失取 60；

风机设计全压 H=Hf=Rf*Qj*Qi/3600+110；

各洞口风机全压计算如下：

SD07#~SD08#区间单条隧洞进口通风：H1=(19.3×575×438.5)/3600＋110=1462Pa；

SD07#~SD08#区间单条隧洞出口通风：H1=(33.5×575×438.5)/3600＋110=2456Pa。

SD06#~SD07#区间单条隧洞进口通风：H2=(22.6×608×438.5)/3600＋110=1784Pa；

SD06#~SD07#区间单条隧洞出口通风：H2=(39.2×608×438.5)/3600＋110=3013Pa。

SD05#~SD06#区间单条隧洞进口通风：H3=(35.4×777×438.5)/3600＋110=3460Pa；

SD05#~SD06#区间单条隧洞出口通风：H3=(61.3×777×438.5)/3600＋110=5911Pa。

3.5.风机功率计算

风机功率计算公式：W=QHK/60η

式中：Q—风机供风量

H—风机工作风压

η—风机工作效率，取 85%

K—功率储备系数，取 1.05

单条隧道进口：SD07#~SD08#区间进口=575×1462×1.05/(60×0.85)/1000=17.3KW；

单条隧道进口：SD07#~SD08#区间出口=575×2456×1.05/(60×0.85)/1000=29KW；

单条隧道进口：SD06#~SD07#区间进口=608×1784×1.05/(60×0.85)/1000=22.3KW；

单条隧道进口：SD06#~SD07#区间出口=608×3013×1.05/(60×0.85)/1000=37.7KW；

单条隧道进口：SD05#~SD06#区间进口=777×3460×1.05/(60×0.85)/1000=55KW；

单条隧道进口：SD05#~SD06#区间出口=777×5911×1.05/(60×0.85)/1000=94KW；

3.6.通风设备的选择

根据通风设备要求，结合轴流风机的规格型号，拟投入的通风设备见下表。

表1   钢管安装拟投入的通风设备

4.其他措施

若采用风机及布通风带无法完全改善洞内通风条件，且考虑洞内空气流速较大时，对焊缝焊接易出现气孔，可采取增加补强方案：

（1）焊接施工面在安装环缝焊接工装上增加焊烟除尘器。       

（2）在安装环缝焊接工装上增加小型风机用于局部通风。

（3）排水板安装施工面在钢管底部增设轴流风机，增加通风。 

（4）可在隧洞洞口位置安装风机，增大洞内排风量。

（5）在工作面间隔2h测量一次隧洞内空气情况并做好记录。

参考文献：

1. 秦晓川. 盾构输水隧洞内衬钢管防腐蚀研究[J]. 水利规划与设计,2022(1):113-116.
2.  王磊. 污水压力深隧内衬连续缠绕玻璃钢管结构的设计和优化[J]. 福建建设科技,2020(4):24-27.