陳選生（中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西西安　710016）

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長大瓦斯隧道施工通風(fēng)參數(shù)與設(shè)備選型

陳選生
（中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西西安710016）

摘要以在建的成貴鐵路興隆坪隧道施工為依托，運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場驗(yàn)證等方法對(duì)高瓦斯隧道施工通風(fēng)難題進(jìn)行研究。在分析長大瓦斯隧道施工方法的基礎(chǔ)上，確定了瓦斯隧道施工總體通風(fēng)方案，計(jì)算了瓦斯隧道通風(fēng)參數(shù)，選擇了合理的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備。施工測算結(jié)果表明，確定的通風(fēng)參數(shù)及設(shè)備可以保證隧道開挖掌子面、初支、仰拱、二襯以及洞口與洞身段通風(fēng)效果，能夠較好地排煙除塵和稀釋瓦斯，可保證高瓦斯隧道施工安全。

關(guān)鍵詞隧道工程；施工通風(fēng)；參數(shù)；設(shè)備選型；瓦斯

對(duì)于高瓦斯特別是高瓦斯長大隧道施工，通風(fēng)效果的好壞會(huì)直接影響隧道工程建設(shè)安全和施工進(jìn)度。按照施工安全要求，正常隧道進(jìn)行臺(tái)階法開挖時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)速不小于0. 25 m/s，如果要防止瓦斯聚集則風(fēng)速不應(yīng)小于1 m/s。

興隆坪隧道位于四川省宜賓市長寧縣境內(nèi)，起訖里程D2K185 + 090—DK187 + 893，全長2 803 m，隧道洞身最大埋深約60 m，為單洞雙線隧道。隧道DK185 + 090—DK186 + 379. 631段位于半徑為9 000 m的曲線上，其余段位于直線段上。隧道內(nèi)縱坡采用單面上坡，坡度為14. 5‰。興隆坪隧道位于老翁場大型氣田核心區(qū)，為高瓦斯隧道，通風(fēng)條件較為惡劣。需要對(duì)隧道穿越高瓦斯區(qū)域整個(gè)過程的施工通風(fēng)速度、通風(fēng)阻力等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，并據(jù)此選擇合理的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備，才能保證工程施工順利完工。

1長大瓦斯隧道施工方法分析

依照隧道施工技術(shù)［1-2］，按新奧法原理組織施工，嚴(yán)格遵循“超前探、管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、緊襯砌”的原則。根據(jù)圍巖級(jí)別及周邊環(huán)境分別采取開挖方法：Ⅲ，Ⅳ級(jí)圍巖地段臺(tái)階法，Ⅴ級(jí)圍巖地段采用臺(tái)階法附加臨時(shí)仰拱法。當(dāng)隧道靠近天然氣管道時(shí)，為保證安全采用銑挖法開挖，錨網(wǎng)噴初期支護(hù)，仰拱超前，拱墻一次襯砌。對(duì)于埋深較淺地段按暗洞明作進(jìn)行施工，位于松散堆積體、斷層破碎帶及軟巖淺埋段隧道開挖采用管棚、型鋼鋼架等輔助措施。

Ⅴ級(jí)圍巖段開挖遵循“穩(wěn)扎穩(wěn)打、穩(wěn)中求快”和“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、速反饋”的原則，在做好長管棚注漿超前支護(hù)的前提下，按照設(shè)計(jì)方法進(jìn)行開挖，開挖后立即噴5 cm厚素混凝土封閉圍巖，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。Ⅴ級(jí)圍巖段富水時(shí)，可先進(jìn)行超前帷幕注漿堵水再開挖。

2瓦斯隧道施工總體通風(fēng)方案分析

按隧道通風(fēng)技術(shù)［3-4］，根據(jù)隧道的工程特點(diǎn)及高瓦斯隧道通風(fēng)要求，隧道進(jìn)出口工區(qū)均采用壓入式通風(fēng)，施工通風(fēng)布置見圖1，風(fēng)筒百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于1％。施工期間連續(xù)通風(fēng)，為更好地確保洞內(nèi)通風(fēng)效果，改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，進(jìn)洞作業(yè)的內(nèi)燃機(jī)械均安裝凈化裝置。

圖1　隧道施工通風(fēng)布置

3瓦斯隧道通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

依據(jù)隧道施工技術(shù)，按總體施工通風(fēng)方案，主要考慮通風(fēng)最為困難的正洞施工，必須能夠較好地排煙除塵和稀釋瓦斯。為此，需要對(duì)通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

3. 1通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)分析

根據(jù)瓦斯隧道的通風(fēng)要求，結(jié)合隧道實(shí)際情況，確定其施工通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)如下：①驅(qū)散瓦斯集聚的風(fēng)速要＞1 m/s；②氧氣含量，按體積≥20％；③瓦斯?jié)舛龋?. 5％；④CO最高允許濃度0. 002 4％以下；⑤CO2濃度，按體積＜0. 5％；⑥氮氧化物換算成NO2，須0. 000 25％以下；⑦粉塵最大允許濃度，空氣中含有10％以上游離二氧化物的粉塵濃度2 mg/m3；⑧洞內(nèi)氣溫＜28℃。

3. 2通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

瓦斯隧道施工通風(fēng)風(fēng)量必須考慮多個(gè)方面，然后綜合分析得出需要風(fēng)量。

1）按瓦斯絕對(duì)涌出量計(jì)算

式中：K為風(fēng)量備用系數(shù)，即考慮隧道漏風(fēng)、瓦斯涌出不均衡所取的系數(shù)，取1. 6；Q絕為瓦斯絕對(duì)涌出量，取圖紙參照值0. 5 m3/min，施工中據(jù)實(shí)測值調(diào)整；Bg為工作面允許瓦斯?jié)舛?，?. 5％；Bg0為送入風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?，?。

經(jīng)計(jì)算可得Q1= KQ絕/（Bg- Bg0）= 1. 6×0. 5 / （0. 5％- 0）= 160 m3/min。

2）按洞內(nèi)同一時(shí)間最多人計(jì)算

式中：k為風(fēng)量備用系數(shù)，常取k = 1. 1～1. 2，此處取1. 2；m為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)；q為洞內(nèi)每人每分鐘需要的新鮮空氣量，通常按4 m3/min計(jì)算。

計(jì)算得Q2= kmq = 1. 2×120×4 = 576 m3/min。

3）按同時(shí)爆破的最多炸藥量計(jì)算

采用管道通風(fēng)方式中的壓入式，需風(fēng)量為

式中：t為爆破后的通風(fēng)時(shí)間，取t = 20 min；A為一次爆破所用裝藥量，正洞Ⅲ級(jí)圍巖A = 300 kg，施工中據(jù)實(shí)調(diào)整；S為坑道斷面面積，取S = 144 m2；L為坑道長度，取L = 46 m。

經(jīng)計(jì)算Q3= 257 m3/min。

4）按內(nèi)燃機(jī)作業(yè)廢氣稀釋的需要計(jì)算

考慮工區(qū)掌子面配有1臺(tái)ZL50C側(cè)卸裝載機(jī)（162 kW）、1臺(tái)PC220挖掘機(jī)（125 kW）和4臺(tái)紅巖自卸車（12 m3，158 kW）內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，若同時(shí)工作其機(jī)械總功率為919 kW，按全負(fù)荷的65％效率計(jì)算工作功率，即919×0. 65 = 597 kW。

所需風(fēng)量按以下公式計(jì)算

式中：a為內(nèi)燃機(jī)單位功率每分鐘所需風(fēng)量，m3/（kW·min），取3；p為洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)內(nèi)燃機(jī)的總功率，為597 kW。

經(jīng)計(jì)算Q4= a×p = 3×597 = 1 791 m3/min。

5）按洞內(nèi)最小允許風(fēng)速計(jì)算

式中：Vmin為保證洞內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)流，為保證瓦斯隧道通風(fēng)安全洞內(nèi)掌子面風(fēng)速≥0. 5 m/s，取0. 5 m/s；S為開挖斷面的面積，取144 m2。

代入?yún)?shù)經(jīng)計(jì)算得Q5= 60VminS = 60×0. 5×144 = 4 320 m3/min。

經(jīng)以上計(jì)算確定所需風(fēng)量最大值為4 320 m3/min。

6）漏風(fēng)計(jì)算

按上述風(fēng)量計(jì)算結(jié)果取最大值，通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量Q需除滿足上述計(jì)算的所需風(fēng)量外，還應(yīng)考慮漏失的風(fēng)量（送風(fēng)最遠(yuǎn)距離按1 500 m計(jì)算），即

式中：Q為計(jì)算風(fēng)量，為上述計(jì)算所需風(fēng)量最大值，4 320 m3/min；P為漏風(fēng)系數(shù)，取1. 18。

Q需= PQ = 1. 18×4 320 = 5 097. 6 m3/min

取整得Q需= 5 100 m3/min。采取2臺(tái)220 kW的軸流風(fēng)機(jī)和2條φ1. 5 m雙抗加強(qiáng)風(fēng)筒供風(fēng)可以滿足要求。

按風(fēng)量Q需= 5 100 m3/min，S = 144 m2進(jìn)行風(fēng)速驗(yàn)算。

V驗(yàn)= 5 100 /（144×60）≈0. 59 m/s計(jì)算結(jié)果滿足洞內(nèi)最小風(fēng)速Vmin= 0. 5 m/s的要求。但當(dāng)洞內(nèi)出現(xiàn)瓦斯層流時(shí)，應(yīng)另專門制訂瓦斯排放安全措施進(jìn)行處理。

3. 3通風(fēng)阻力計(jì)算

按風(fēng)筒直徑1. 5 m，長度1 500 m進(jìn)行計(jì)算。

1）風(fēng)筒摩擦阻力h摩計(jì)算

式中：n為風(fēng)筒通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)，取0. 004；L為風(fēng)筒長度，取風(fēng)筒長度最大值1 500 m；d為風(fēng)筒直徑，取1. 5 m。

Q供為風(fēng)筒供風(fēng)量，Q供= Q需/（2×60）= 5 100 / （2×60）= 42. 5 m3/s

經(jīng)計(jì)算，h摩= 9 276. 5 Pa。

2）總阻力H摩總計(jì)算

為簡化計(jì)算，取H摩總= 1. 1h摩，則有H摩總= 1. 1× 9 276. 5 /2 = 5 102 Pa。

以上計(jì)算結(jié)果表明，本隧所配備風(fēng)機(jī)需滿足：Q需= 5 100 m3/min，風(fēng)壓P壓= 5 102 Pa。

4　通風(fēng)設(shè)備選型

參考通風(fēng)技術(shù)［5-6］，根據(jù)正洞開挖掌子面所需風(fēng)量Q需= 5 100 m3/min和風(fēng)筒H摩總= 5 102 Pa兩個(gè)參數(shù)，選用隧道施工專用變極軸流通風(fēng)機(jī)。進(jìn)口配置2 臺(tái)220 kW，出口配置2臺(tái)220 kW，進(jìn)出口各配置2套（其中1套備用）長1 500 m、直徑為1. 5 m的雙抗加強(qiáng)軟風(fēng)筒（抗靜電，阻燃材料）。

因V驗(yàn)= 0. 59 m/s＜1 m/s，在隧道洞內(nèi)瓦斯易積聚區(qū)域設(shè)置局扇等輔助設(shè)備，以便在發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，用以稀釋瓦斯?jié)舛?，保證安全。根據(jù)本隧道實(shí)際情況及相關(guān)要求，在進(jìn)、出口每個(gè)工區(qū)分別于掌子面、初支、仰拱、二襯處共設(shè)置8臺(tái)2×2. 2 kW的局扇。所有機(jī)電及通風(fēng)設(shè)備均采用防爆型，所選用通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　所選用通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

5　通風(fēng)效果及瓦斯監(jiān)測分析

為得到隧道施工實(shí)際通風(fēng)效果，對(duì)興隆坪隧道進(jìn)行通風(fēng)效果及瓦斯監(jiān)測并分析。結(jié)合實(shí)際情況，采取人工與自動(dòng)相結(jié)合的監(jiān)測方式，兩者監(jiān)測的數(shù)值相印證，避免誤報(bào)現(xiàn)象。

人工檢測瓦斯斷面測點(diǎn)主要布置在以下位置：各種作業(yè)臺(tái)車、電動(dòng)機(jī)及開關(guān)附近20 m內(nèi)的風(fēng)流中；對(duì)瓦斯?jié)舛瘸^0. 3％的地段（加強(qiáng)檢測頻率，做到不超過1 h檢測一次），隧道洞室、斷面變化處如電纜冗長腔、綜合洞室、下錨段、局部塌方處；通風(fēng)死角處如二襯臺(tái)車端頭、塌腔、超挖地段凹陷處；特殊工序如電焊作業(yè)、防水板焊接、止水帶焊接等工序，必須全過程檢測；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)的鉆孔（或探孔）點(diǎn)；瓦斯可能滲出、積聚和產(chǎn)生火源的地點(diǎn)，如地質(zhì)破碎帶、地質(zhì)變化地帶、裂隙發(fā)育的砂巖、泥巖及頁巖地帶、電機(jī)附近、電氣開關(guān)附近、電纜接頭；其他瓦斯可能積聚和發(fā)生瓦斯事故的地點(diǎn)（根據(jù)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和專項(xiàng)措施的要求按需設(shè)置），如放炮地點(diǎn)等處。

興隆坪高瓦斯隧道施工即將完成，按上述計(jì)算得到的通風(fēng)參數(shù)以及提出的設(shè)備可以滿足施工需要。在隧道進(jìn)出口施工端的掌子面、初支、仰拱、二襯以及洞口與洞身段均獲得了較好的通風(fēng)效果，能夠較好地排煙除塵和稀釋瓦斯，其瓦斯?jié)舛染闯^0. 4％，可以保證高瓦斯隧道施工安全。

6　結(jié)論

1）長大高瓦斯隧道施工通風(fēng)效果密切關(guān)系到隧道工程建設(shè)安全和施工進(jìn)度，如果通風(fēng)條件較為復(fù)雜，則需要對(duì)隧道穿越高瓦斯區(qū)域施工通風(fēng)速度、通風(fēng)阻力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算論證，并選擇合理的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備，才能保證工程施工順利完工。

2）結(jié)合成貴鐵路興隆坪高瓦斯隧道實(shí)際計(jì)算得出的施工通風(fēng)風(fēng)量、通風(fēng)阻力等參數(shù)選擇的通風(fēng)機(jī)械設(shè)備效果較好，可以保證高瓦斯隧道施工安全。

3）由于通風(fēng)條件隨著施工進(jìn)程會(huì)有一定的變化，通風(fēng)效果有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，建議后續(xù)依據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)通風(fēng)方式及參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

［1］郭俊娥.隧道煤系地層施工技術(shù)［J］.太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（7）：180-181.

［2］郭新兵.隧道過煤層瓦斯段施工技術(shù)研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（1）：72-73.

［3］林永貴，陳曉裕.莫洛瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.中外公路，2014（2）：200-202.

［4］鄭濤.高瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2008（13）：329-331.

［5］趙軍喜.圓梁山長大瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)備的選型［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（4）：4-6.

［6］趙鈺.特大斷面長大高瓦斯隧道通風(fēng)技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2007（12）：39-41.

（責(zé)任審編趙其文）

Parameters and Equipment-type Selection for Construction Ventilation in Long and Large-Cross-Section Gas Tunnel

CHEN Xuansheng
（China Railway 20th Bureau Group Corporation，Xi'an Shaanxi 710016，China）

AbstractT aking the currently under-construction Xinglongping tunnel on Chengdu-Guiyang railway as study object，the difficulties of ventilation in the construction of gas tunnel were studied by means of theoretical analysis and in-situ verification. On this basis，the ventilation scheme was identified，the ventilation parameters were calculated and the reasonable equipment was selected. T he results show that the determination of parameters and equipment can ensure the ventilation effect of the tunnel face，the primary supporting，the invert，the secondary lining，the portal and the tunnel. It can be used to exhaust dust and dilute gas，which can ensure the workplace safety in the construction of high gas tunnel.

Key wordsT unnel engineering；Construction ventilation；Parameter；Equipment-type selection；Gas

中圖分類號(hào)U453. 5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 14

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0051-04

收稿日期：2016-01-16；修回日期：2016-03-16

作者簡介：陳選生（1964—），男，高級(jí)工程師。