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摘要：隧道施工通风成为影响特长隧道施工进度和经济效益的主要因素，隧洞施工通风水平将直接影响隧洞的独头掘进长度和工程工期。本文围绕TBM隧洞施工长距离通风问题展开探究，以通过科学的通风计算、合理的通风方式以及经济、高效、节能、环保通风设备的选择，从而实现隧洞施工的高效性以及确保施工人员的安全。
关键词：TBM隧洞；施工；长距离通风
1.隧洞施工的基本要求
为满足隧洞施工通风要求，在隧洞的施工过程中，首先要控制洞内掘进机施工的污染源，其次是采用合理的通风方式，使洞内作业环境达到规定的劳动卫生标准。一般来说，隧洞选用双护盾掘进机掘进，小火车出渣，其污染源主要为掘进机刀头切削破岩产生的岩石粉尘及高温、隧洞岩体释放的有害气体，机械设备施工作业排放的废气，装渣、运渣、喷锚支护作业产生的粉尘，地温、作业人员呼吸排出的气体。要达到隧洞施工要求，必须对这些污染源进行控制，确保良好的通风条件。
2.工程概况
本研究结合秦岭隧洞岭北TBM施工通风设计难点问题，对整体分段、段间衔接、各段细化设计的方案进行深入探讨，工程的概况如下：
引汉济渭工程岭北TBM由2条主洞、2条支洞组成，具体为TBM主洞、6号主洞以及5号支洞、6号勘探试验洞。其中5号支洞全长4595m，位于TBM施工段落中部，主要用来解决TBM长段落施工通风、出渣、检修等问题，是目前国内建成第二长的斜井支洞。6号勘探试验洞全长2470m，断面为圆拱直墙型，净空高6.75m，宽7.7m，支洞内纵坡为-9.1%和-3%的单面下坡，综合坡度8.23%。6号主洞延伸段工程合同段为隧道单洞4414.5m（桩号K63+050～K67+464.5）。该洞衬砌后断面为6.76m×6.76m，为马蹄形断面。TBM主洞全长16690m，包含TBM配套洞室1525m（TBM后配套洞120m，主机组装洞82m，步进洞245m，TBM接应洞918m，检修洞60m，两个始发洞各25m，拆卸洞50m）和TBM施工段15165m（第一阶段6788m，第二阶段8377m）。5号支洞和TBM配套洞进行钻孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02m开敞式硬岩掘进机施工。TBM通过6号勘探试验洞运至组装洞室，在洞内组装并完成调试后向三河口方向掘进，第一阶段贯通后，TBM在检修洞内检修，TBM出渣、通风系统以及辅助设备的供电系统转场至5号支洞，TBM转场检修完毕后，开始第二阶段掘进施工。
3.工程长距离通风设计方案
3.1施工关键点
本工程通风设计的主要关键点在于：（1）克服超长送风线路（13.5km）的困难，及时高效地排除洞内污浊气体，还要将足够的空气输送至掌子面，是设计通风系统的最大难点；（2）设计科学合理的通风系统，选择既经济节能，又能满足TBM施工两阶段通风需求的风机、风管等也是通风设计面临的主要问题；（3）长距离通风常出现因漏气、沿程阻力大造成供风效率低下、供风量不足等问题，同时，风管的弯折变形、出渣造成的机械摩损都是长距离通风必须面对的问题，如何防止泄露和减少阻力是实现远距离通风的关键；（4）隧洞通风效果除受到通风系统布局、设备匹配等技术原因影响外，还受通风管理水平的影响，通风管理水平是保证通风质量的重要因素之一。
3.2设计原则
基于该项目在通风设计中遇到的实际困难，设计时应以“布局合理，优化匹配，防漏降阻，加强管理，保证效益”为基本原则，优化设计，强化管理。同时，由于隧洞施工通风用电占隧洞施工用电相当高的比重，还要考虑优先选用节能型风机以降低功耗，确保在满足通风效果的前提下，风机的型号和数量合理。针对秦岭隧洞的实际情况，TBM段施工通风设计需满足施工通风标准条件，即：CO含量不超过30mg/m3，洞内最低风速0.5m/s，每人每分钟新鲜空气供应量不低于4m3，每100m风道漏风率不超过0.35%，风机数量n用1备。
3.3设计方案
（1）总体设计
根据工程现场的实际情况及本工程特点，施工期间的通风设计分三个阶段进行考虑：第一阶段为TBM组装期间的通风，从经济效果考虑，组装期间的通风采用组装洞开挖时的通风系统。通风机设置在6号洞口，通过6号支洞和6号主洞，将新鲜风送至TBM施工区。第二阶段（TBM掘进第一阶段），主要是TBM掘进期间，满足掘进施工通风，由TBM供货商提供的压入式风机具有独立的压入式通风装置。利用5号支洞、6号支洞以及TBM第一阶段施工段落形成的自然通风，将通风机设置在5号主洞和TBM第一阶段施工段贯通面向上游300m的位置，通风机通过主隧道向TBM施工区输送新鲜空气，脏污回风通过5号支洞排放到洞外。第三阶段（TBM掘进第二阶段），由于TBM段第二阶段掘进总长度8920m（包括TBM掘进8377m，钻爆法掘进543m），且需要通过5号支洞（长4595m）洞口进行通风，第三阶段最大通风长度达13.5km。也是本次通风设计的重难点。根据隧道工程的施工技术和经验，隧道施工的通风方式分为巷道通风、自然通风和管道通风。
TBM隧洞的第二阶段是单洞布局，没有进行巷道通风的条件；单独自然通风不适合长隧道施工通风。考虑到污浊空气的排除，在6号洞至5号接应洞下游K55+690处采用自然通风，风机设置于K55+690处，自此里程开始进行轴流风机压入式通风。压入式通风最大通风距离9280m（5号支洞接应洞903m＋TBM掘进主洞8337m）。同时，在5号支洞设置两个接力轴流风机（分别设置在斜900和斜2300附近），进行洞内污浊空气的排除。
（2）风量计算
在通风系统中，一般由通风机提供风量和风压。风量由风点决定的。通风机风压除要考虑把风送到掌子面的压力外，还要考虑管路漏风的影响，以及克服在管路中的风流阻力。因此，应对需风量进行核算。其中，需风量的计算公式分别为：
式中：Q1为根据洞内工人的最大数量计算所需风量；k为风量备用系数，取1.2；m为洞内同时最高工作人数，取m=150；q为每人每分钟最少需要的空气量，取4m3/min。经计算，Q1=720m3/min。Q2为根据洞室平均风速计算的风量；ν为确保孔内风速稳定的最小风速，取ν=0.5m/s；A为开挖最大断面积，本工程中A=π×（8.02&pide;2）2=50.5m2。经计算，Q2=1525m3/min。
TBM隧洞施工中，洞内和掌子面要求的风速，除了要满足排尘的要求外，还要综合考虑TBM设备机组散热、冷却、工人工作舒适性等要求。目前，TBM施工通风风量计算基本沿用《建筑工业中隧道开挖作业安全实用规程》中的相关标准，按最低风速0.5m/s确定。秦岭隧道Ⅰ线采用直径为8.8m的TBM，后配套系统配备1800m3/min的风量，隧洞内风速为0.5m/s；在大伙房输水隧洞工程中，使用了直径8.0m的TBM，实际采用风量为1500m3/min，洞内风速0.5m/s；在天生桥水电站项目中，隧洞采用直径10.8m的TBM，洞内风量为1812.3m3/min，风速为0.33m/s。经过对比可见，本工程计算隧洞内风速0.5m/s，隧洞TBM供风量取1525m3/min是合适的。
（3）防漏降阻与配套措施
将每段软风管的长度由增加到200m以上，同时减少各管段之间的接头数量，达到降低漏风率的目的；在隧洞断面净空允许的前提下，使用大直径（Φ2.2m）的软风管。通过这种在控制风管长度上“以长代短”，在风管直径选用上“以大代小”的方式，达到降低漏风率，降低通风阻力，提高送风效率的目的。在运输和储存过程中要注意保护风管，避免人为造成损伤和机械磨损，降低漏风量；还要加强对风管的定期检修，经常检查风管各段接头连接情况、悬挂是否完好、有无破损等，及时记录并处理发现的问题。另外，在配套措施方面，首要要做好对尘源所产生的粉尘的控制，考虑在采用机械通风、湿式凿岩、出渣洒水、冲洗岩面等多措施并举的综合治理方法的基础上，辅以局部净化；其次，应推广使用低污染柴油车辆，同时尽量减少进洞的内燃车辆的数量和次数，降低洞内废气排放量。
4.TBM隧洞施工长距离通风方案评价
本文以引汉济渭工程秦岭隧洞岭北TBM施工段为例，对水工隧洞长距离通风设计普遍性技术难题进行了研究，依据工程实际及TBM掘进不同段落进行三阶段通风设计，每段结合自身特点进行具体、细化设计，提出了一套科学、合理、节能、高效的长距离通风方案。在后续研究和应用中，结合各自工程实际，如何合理利用好配套设施，加强通风效果，也值得进一步研究和探讨。
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