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                論隧洞掘進機施工通風技術

                 

                一分局    肖海暉

                TBM是隧洞掘進機(Tunnel Boring Machine)的簡稱,是目前為止最先進的隧洞施工開挖設備。這種隧洞開挖設備依靠刀盤強大的推力和滾刀擠壓切削力破碎圍巖。隧洞施工作業的導向、開挖、出渣、襯砌(支護)、灌漿等施工作業工序平行進行,一次成洞。這種隧洞開挖設備施工作業的優勢在于施工速度快,開挖時對圍巖擾動小,比常規開挖施工超欠挖可控,施工安全。

                1 TBM施工通風的通風方式

                一次通風系統一般采用送風式供風。主風機安裝在隧洞外面,風機接口的前100米一般采用硬質風筒或負壓風筒,然后接用軟風筒。因為TBM施工隧洞多為長隧洞施工,風機功率比較大,采用硬質風筒或負壓風筒過度,起動一開始可以減弱對軟風筒的瞬間沖擊。洞外新鮮的風通過風筒一直送到TBM后配套的尾部。二次通風系統由二次風機和除塵風機組成,在TBM后配套的尾部通過二次風機再把新鮮的風通過硬風筒送到TBM主機的最前端。在TBM主機的前端通過除塵風機回風,除塵風機吸風口伸入TBM刀盤內部。TBM主機和后配套區的風筒都是采用硬質的,固定在后配套臺車頂部一側,每節長度和后配套臺車長度一致,每節硬風筒之間柔性連接。直徑一般為800mm~1200mm。TBM施工通風的通風方式見圖1所示。

                 

                圖1   TBM施工通風系統

                 

                 

                2 TBM施工通風的需風量

                TBM施工的需風量主要考慮的因數是稀釋柴油機車尾氣、圍巖有害氣體、作業人員呼吸、除塵、降低設備和后配套作業區溫度。

                一次通風系統是指洞外風機至后配套尾部的區域,通風量主要從兩個方面來考慮,一是按照隧洞施工期間的運輸車輛(功率)的尾氣排放量來計算,一般按照4m3/(min?kw)來計算用風量。二是按照隧洞內最小風速來計算用風量,隧洞施工時,洞內風速不得小于0.5m/s ,粉塵才不會逆風擴散。綜合以上兩方面考慮,取最大值作為一次通風系統的用風量。

                二次通風系統是指在后配套的尾部通過風機把洞外輸送進來的新鮮空氣通過硬風筒送到TBM的最前端。后配套系統的整個作業區域一般150m~250m的長度。二次通風系統的用風量,主要從三個方面考慮:一是滿足作業人員呼吸,根據施工作業人員的數量計算用風量,一般采用的是每人3m3/min的標準來計算;二是除塵系統需要的風量,除塵系統指除塵風機從刀盤內抽出的風量,以控制TBM主機區域的粉塵,一般按照隧洞斷面減去設備擠占空間,剩余的環行間隙作為過流斷面。最小風速按照3m/s 來考慮計算。一般隧洞掘進機施工根據開挖直徑的經驗需風量見表1三是降低設備和后配套作業區溫度需要的冷卻風量。TBM施工作業通常按照總裝機功率來計算用風量,一般以1000KVA需要2.5m3/s的風量考慮。二次通風系統的用風量為這三方面之和,同時要保證一次通風系統的供風量要大于二次通風系統的用風量。

                 

                表1   TBM主機區域控制粉塵的需風量

                隧洞直徑(m)

                風量范圍(m3/min)

                3.00

                115~170

                4.80

                220~300

                6.10

                340~480

                7.60

                540~720

                8.53

                750~910

                 

                3 TBM施工通風的監測系統

                為了保證TBM施工作業人員以及設備的安全,TBM上要安裝通風監測系統,對施工作業面的氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等進行監測。通過傳感器、控制器以及可編程序控制器(PLC)進行監測、報警以及控制操作。當監測到洞內施工作業面空氣不達標準要求時, 操作室PLC系統開始報警,達到超標下限時,PLC系統會自動保護,強迫TBM停止工作,直到空氣達標方可再次啟動TBM設備。監測是通過傳感器采集各種氣體含量信號通過PLC系統來實現。洞內空氣監測的標準值為含氧氣量不低于19% 、一氧化碳(CO)濃度不大于30 mg/m3、 二氧化碳(CO2)濃度不大于10 mg/m3、二氧化硫(SO2)濃度不大于15 mg/m3、硫化氫(H2S)濃度不大于10 mg/m3

                4 TBM施工通風的設備        

                通風設備主要有風機、風筒、風筒儲存器、除塵器。

                TBM施工的隧洞大多為長隧洞,送風的距離長,需要的風量大。這就需要配置大功率的風機,以滿足大風量高風壓的需要。在TBM施工通風中,要靠多級風機來實現高風壓,為了保證作業區域風量不變,隨著掘進開挖的逐步增加,風機的功率也要逐步增加,一般都是通過調節啟動級數以及變頻器控制來實現。

                為了滿足大風量長距離供風的要求,TBM施工通風用的風筒基本上都是大直徑軟風筒。直徑多為1500mm~3000mm,其直徑的大小取決于供風量的大小、供風距離的長短,但也受到隧洞施工斷面尺寸的影響。施工生產中,風筒一般懸掛在隧洞的正頂部。每節長度多為100m,接頭主要采用尼龍拉鏈連接,安裝方便快捷。風筒的采購主要考慮摩擦系數、最大工作壓力、百米漏風率。經驗值是摩擦系數不大于0.014,百米漏風率不大于1%。TBM主機和后配套上的硬風筒之間由柔性軟連接相連,用鋼環連接器連接接頭。

                風筒儲存器是TBM施工通風中為滿足連續掘進開挖的專用配套設備,一般安裝在后配套最后一節臺車上,TBM掘進開挖時,后配套臺車向前移動,風筒不斷從風筒儲存器中拉出,拉出的風筒由人工懸掛于隧洞的頂部,實現連續不間斷供風。當風筒儲存器中的風筒用完后,再更換一個事先裝滿風筒的儲存器。

                除塵器在TBM施工中常用的有兩種設備:干式除塵器、濕式除塵器。干式除塵器是袋式過濾除塵設備,當風機從刀盤抽氣時,凈氣箱就會生成負壓,過濾箱也會生成負壓(過濾箱和凈氣箱相連),過濾箱中裝的過濾袋內也生成負壓,在負壓(壓差)的作用下,過濾袋外的含粉塵空氣進入濾袋,粉塵被阻隔在濾袋表面,達到凈化空氣的目的,干式除塵器結構緊湊,過濾速度快。濕式除塵器內部設置過濾板,在過濾板來流方向上布置噴霧器形成水簾,使粉塵濕潤滯留在過濾板上,通過過慮板的空氣被凈化,由排風口排出。滯留在過濾板上的濕潤灰塵在自重下隨水流下滑從排污口排出。濕式除塵器對親水性粉塵的除塵效果極好。

                5 TBM施工通風的輔助措施

                一般通風系統里只是考慮除塵風機除塵,除塵風機從刀盤把灰塵吸入風機降塵后排出干凈空氣。TBM實際施工作業中,會產生大量的石粉灰塵,圍巖越堅硬產生的灰塵越嚴重。TBM開挖的渣是由皮帶輸送出去的,皮帶運行會產生石粉灰塵。在實際的施工生產中,為了改善作業區空氣質量,必須采取有效措施降低石粉灰塵的產生。主要辦法有兩個:一是TBM配有一個噴水系統,將水噴至隧道表面、刀具和皮帶輸送機上,以抑制石粉灰塵。刀盤工作面上的噴水管道用焊接在管道上的角鋼來保護,以防損壞,并至少每天檢查一次角鋼和噴嘴,以確保其結構完整性。如發現破損處,應在繼續掘進之前修復它們的任何破損;二是在TBM上的皮帶卸料口,加裝噴水系統,目的是把皮帶上的石渣濕潤,避免皮帶運行產生揚塵。TBM噴水系統在隧洞掘進和皮帶出渣系統的使用中,較好的克服了通風除塵系統所遇到的困難,并具有防塵滅火、不占用電源、安全可靠、安裝操作方便、維修簡單、快捷、靈活、節能等優點,是一種既經濟實用又效果良好的防塵措施,并在實踐中取得了極佳的降塵效果。

                6 結束語

                TBM長隧洞施工作業環境的好壞直接影響施工作業人員的身心健康和安全。隧洞施工作業要成立專門的通風維護班組,風筒有漏風現象要及時修補,避免漏風降壓,推廣防塵措施。科學的采用隧洞施工通風技術,制定出經濟合理的通風方案,加強通風現場施工管理,實現隧洞施工的通風效果良好,保證施工進度。

                 

                (作者簡介:肖海暉,男,1972年生,1993年畢業于山西省機械工業學校工企電氣化專業,2012年畢業于中南大學土木工程專業,工程師。)

                 

                 

                 

                                                          

                 

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