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论隧洞掘进机施工通风技术

 

一分局    肖海晖

TBM是隧洞掘进机(Tunnel Boring Machine)的简称,是目前为止最先进的隧洞施工开挖设备。这种隧洞开挖设备依靠刀盘强大的推力和滚刀挤压切削力破碎围岩。隧洞施工作业的导向、开挖、出渣、衬砌(支护)、灌浆等施工作业工序平行进行,一次成洞。这种隧洞开挖设备施工作业的优势在于施工速度快,开挖时对围岩扰动小,比常规开挖施工超欠挖可控,施工安全。

1 TBM施工通风的通风方式

一次通风系统一般采用送风式供风。主风机安装在隧洞外面,风机接口的前100米一般采用硬质风筒或负压风筒,然后接用软风筒。因为TBM施工隧洞多为长隧洞施工,风机功?#26102;?#36739;大,采用硬质风筒或负压风筒过度,起动一开始可以减弱对软风筒的?#24067;?#20914;击。洞外新鲜的风通过风筒一直送到TBM后配套的尾部。二次通风系统由二次风机?#32479;?#23576;风机组成,在TBM后配套的尾部通过二次风机再把新鲜的风通过硬风筒送到TBM主机的最前端。在TBM主机的前端通过除尘风机回风,除尘风机吸风口伸入TBM刀盘内部。TBM主机和后配套区的风筒都是采用硬质的,固定在后配套台?#20992;?#37096;一侧,每节长度和后配套台车长度一致,每节硬风筒之间柔性连接。直径一般为800mm~1200mm。TBM施工通风的通风方式见图1所示。

 

图1   TBM施工通风系统

 

 

2 TBM施工通风的需风量

TBM施工的需风量主要考虑的因数是稀?#31570;?#27833;机车尾气、围岩有害气体、作业人员呼吸、除尘、降低设备和后配套作业区温度。

一次通风系统是指洞外风机至后配套尾部的区域,通风量主要从两个方面来考虑,一是按照隧洞施工期间的运输车辆(功率)的尾气排放量来计算,一般按照4m3/(min?kw)来计算用风量。二是按照隧洞内最小风速来计算用风量,隧洞施工?#20445;?#27934;内风速不得小于0.5m/s ,粉尘才不会逆风扩散。综合以上两方面考虑,取最大值作为一次通风系统的用风量。

二次通风系统是指在后配套的尾部通过风机把洞外输送进来的新鲜空气通过硬风筒送到TBM的最前端。后配套系统的整个作业区域一般150m~250m的长度。二次通风系统的用风量,主要从三个方面考虑:一是满足作业人员呼吸,根据施工作业人员的数?#32771;?#31639;用风量,一般采用的是每人3m3/min的标准来计算;二是除尘系统需要的风量,除尘系统指除尘风机从刀盘内抽出的风量,以控制TBM主机区域的粉尘,一般按照隧洞断面减去设备挤占空间,剩余的环行间隙作为过流断面。最小风速按照3m/s 来考虑计算。一般隧洞掘进机施工根据开挖直径的经验需风?#32771;?#34920;1三是降低设备和后配套作业区温度需要的冷却风量。TBM施工作业通常按照总装机功率来计算用风量,一般以1000KVA需要2.5m3/s的风量考虑。二次通风系统的用风量为这三方面之和,同时要保证一次通风系统的供风量要大于二次通风系统的用风量。

 

表1   TBM主机区域控制粉尘的需风量

隧洞直径(m)

风量范围(m3/min)

3.00

115~170

4.80

220~300

6.10

340~480

7.60

540~720

8.53

750~910

 

3 TBM施工通风的监测系统

为了保证TBM施工作业人员以?#21543;?#22791;的安全,TBM上要安装通风监测系统,对施工作业面的氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等进行监测。通过传感器、控?#30772;?#20197;及可编程序控?#30772;鰨≒LC)进行监测、报警以及控制操作。当监测到洞内施工作业面空气不达标准要求?#20445;?操作室PLC系统开始报警,达到超标下限?#20445;琍LC系统会自动保护,?#31185;萒BM停止工作,直到空气达标方可再次启动TBM设备。监测是通过传感器采集各种气体含量信号通过PLC系统来实现。洞内空气监测的标准值为含氧气量不低于19% 、一氧化碳(CO)浓度不大于30 mg/m3、 二氧化碳(CO2)浓度不大于10 mg/m3、二氧化硫(SO2)浓度不大于15 mg/m3、硫化氢(H2S)浓度不大于10 mg/m3

4 TBM施工通风的设备        

通风设备主要有风机、风筒、风筒储存器、除尘器。

TBM施工的隧洞大多为长隧洞,送风的距离长,需要的风量大。这就需要配置大功率的风机,以满足大风量高风压的需要。在TBM施工通风中,要靠多级风机来实现高风压,为了保证作业区域风量不变,随着掘进开挖的逐步增加,风机的功率也要逐步增加,一般都是通过调节启动级数以及变频器控制来实现。

为了满足大风量长距离供风的要求,TBM施工通风用的风筒基本上都是大直径软风筒。直径多为1500mm~3000mm,其直径的大小取决于供风量的大小、供风距离的长短,但也受到隧洞施工断面尺寸的影响。施工生产中,风筒一般悬挂在隧洞的正顶部。每节长度多为100m,接?#20998;?#35201;采用尼龙拉链连接,安装方便快捷。风筒的采购主要考虑摩擦系数、最大工作压力、百米漏风?#30465;?#32463;验值是摩擦系数不大于0.014,百米漏风率不大于1%。TBM主机和后配套?#31995;?#30828;风筒之间由柔性软连接相连,用钢环连接器连接接头。

风筒储存器是TBM施工通风中为满足连续掘进开挖的专用配套设备,一般安装在后配套最后一节台车上,TBM掘进开挖?#20445;?#21518;配套台车向前移动,风筒不断从风筒储存器中拉出,拉出的风筒由人工悬挂于隧洞的顶部,实现连续不间断供风。当风筒储存器中的风筒用完后,再更换一个事先装满风筒的储存器。

除尘器在TBM施工中常用的有两种设备:干式除尘器、湿式除尘器。干式除尘器是袋式过滤除尘设备,当风机从刀盘抽气?#20445;?#20928;气箱就会生成负压,过滤箱也会生成负压(过滤箱和净气箱相连),过滤箱中装的过滤袋内?#37319;?#25104;负压,在负压(?#20849;睿?#30340;作用下,过滤袋外的含粉尘空气进入滤袋,粉尘被阻隔在滤袋表面,达到净化空气的目的,干式除尘器结构紧凑,过滤速度快。湿式除尘器内部设置过滤板,在过滤板来流方向上布置喷雾器形成水?#20445;?#20351;粉尘湿润滞留在过滤板上,通过过?#21069;?#30340;空气被净化,由排风口排出。滞留在过滤板?#31995;?#28287;润?#39029;?#22312;自重下随水流下滑?#20248;?#27745;口排出。湿式除尘器对亲水性粉尘的除尘效果极好。

5 TBM施工通风的辅助措施

一般通风系统里只是考虑除尘风机除尘,除尘风机从刀盘把?#39029;?#21560;入风机降尘后排出干净空气。TBM?#23548;?#26045;工作业中,会产生大量的石粉?#39029;荊?#22260;岩越坚硬产生的?#39029;?#36234;?#29616;亍BM开挖的渣是由皮带输?#32479;?#21435;的,皮带运行会产生石粉?#39029;盡?#22312;?#23548;?#30340;施工生产中,为了改善作业区空气质量,必须采取有效措施降低石粉?#39029;?#30340;产生。主要办法有两个:一是TBM配有一个喷水系统,将水喷至隧道表面、刀具?#25512;?#24102;输送机上,以?#31181;?/span>石粉?#39029;盡?#20992;盘工作面?#31995;?#21943;水管道用焊接在管道?#31995;?#35282;钢来保护,以防损坏,并至少每天检查一次角钢?#22242;?#22068;,以确保其结构完整性。如发现破损处,应在继续掘进之前修复它们的任何破损;二是在TBM?#31995;?#30382;带卸料口,加装喷水系统,目的是把皮带?#31995;?#30707;渣湿润,避免皮带运行产生扬尘。TBM喷水系统在隧洞掘进?#25512;?#24102;出渣系统的使用中,较好的克服了通风除尘系统所遇到的困难,并具有防尘灭火、不占用电源、安全可靠、安?#23433;?#20316;方便、维修简单、快捷、灵活、节能等优点,是一种既经济实用?#20013;?#26524;良好的防尘措施,并在?#23548;?#20013;取得了极佳的降尘效果。

6 结束语

TBM长隧洞施工作业环境的好坏直接影响施工作业人员的身心健康和安全。隧洞施工作业要成立专门的通风维护班组,风筒有漏风现象要及时修补,避免漏风降压,推广防尘措施。科学的采用隧洞施工通风技术,制定出经济合理的通风方案,加强通风现场施工管理,实现隧洞施工的通风效果良好,保证施工进度。

 

(作者简介:肖海晖,男,1972年生,1993年毕业于山西省机械工业学校工企电气化专业,2012年毕业于中南大学土木工程专业,工程师。)

 

 

 

                                          

 

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