李小勇

(四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川廣漢 618300)

近幾年以來(lái)，為了滿足更大交通量需求，公路隧道數(shù)量逐漸增多，特長(zhǎng)隧道、瓦斯隧道。長(zhǎng)大隧道、瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)隧道工程來(lái)說(shuō)尤為重要[1]。隧道通風(fēng)在施工期間可改善施工環(huán)境、保障人員安全；在隧道建成后可保證隧道良好的運(yùn)營(yíng)環(huán)境；對(duì)于瓦斯隧道來(lái)說(shuō)，隧道通風(fēng)可降低瓦斯?jié)舛?，降低施工風(fēng)險(xiǎn)[2]。

越來(lái)越多的學(xué)者展開(kāi)對(duì)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的研究。王永東等[3]提出了換氣橫通道結(jié)合單風(fēng)井的混合通風(fēng)方式，解決了互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)適用長(zhǎng)度有限的問(wèn)題；周健等[4]通過(guò)結(jié)合米倉(cāng)山實(shí)際工程研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)隧道可以利用輔助坑道井通風(fēng)來(lái)減小獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)距離，從而達(dá)到理想的通風(fēng)效果；萬(wàn)建國(guó)等[5]調(diào)研發(fā)現(xiàn)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)投資大、費(fèi)用高等問(wèn)題日益突出，從而展開(kāi)了通風(fēng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究；李志鵬[6]結(jié)合扎尕梁特長(zhǎng)公路隧道實(shí)際工程，通過(guò)通風(fēng)方案對(duì)比，找到了一種適用于單洞雙向行車公路隧道的通風(fēng)方案。

綜上所述，目前對(duì)公路隧道施工通風(fēng)已開(kāi)展了較多研究，但是對(duì)于長(zhǎng)距離瓦斯公路隧道而言，其通風(fēng)方案設(shè)計(jì)不僅受變化的地質(zhì)情況、工期等因素影響，還受到不同區(qū)段不同瓦斯涌出量的影響，因此有必要進(jìn)一步對(duì)長(zhǎng)大瓦斯公路隧道進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。本文以四川境內(nèi)白馬隧道為例，綜合考慮了隧道不同區(qū)段瓦斯?jié)舛?、施工功法并?duì)隧道通風(fēng)工區(qū)進(jìn)行劃分，進(jìn)而計(jì)算隧道最大需風(fēng)量，以此進(jìn)行通風(fēng)設(shè)備配置、設(shè)備選型，形成一套完整的長(zhǎng)大低瓦斯隧道施工通風(fēng)方案，為后續(xù)類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

白馬隧道出口端(綿陽(yáng)端)洞口位于四川省平武縣白馬藏族鄉(xiāng)亞者造祖村，穿白馬至九寨溝縣勿角鄉(xiāng)蒲南村。隧道起點(diǎn)樁號(hào)為K41+664，全長(zhǎng)13 013 m，屬特長(zhǎng)隧道，其地理位置詳見(jiàn)圖1。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌，隧道中部高，進(jìn)出口兩端低。隧道洞身段穿過(guò)的主要巖性為花崗斑巖、板巖夾砂巖、炭質(zhì)板巖等，圍巖等級(jí)為III～Ⅴ級(jí)，局部有股狀地下水涌出。

圖1 隧道交通位置

本隧道穿越三河口組地層中灰色灰質(zhì)砂巖、含粉砂泥巖和瓦斯區(qū)域中都含有大量的有機(jī)質(zhì)，都是良好的烴源巖，都具備產(chǎn)生瓦斯(CH4)的能力，且局部夾有煤線或瓦斯區(qū)域的地質(zhì)條件，綜合判定為低瓦斯隧道。

2 通風(fēng)方式選擇及工區(qū)劃分

公路隧道通風(fēng)方式有壓入式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)、抽(排)出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)等[7]。壓入式通風(fēng)不受施工條件限制而被經(jīng)常使用；巷道式通風(fēng)常用于有聯(lián)絡(luò)通道的平行雙洞下，能形成一個(gè)進(jìn)新鮮風(fēng)一個(gè)排出污風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，可大幅度提高送風(fēng)量、改善通風(fēng)效果；抽(排)出式通風(fēng)需采用負(fù)壓管道，不適合瓦斯隧道。最后結(jié)合白馬隧道長(zhǎng)度、斷面大小、施工工法、設(shè)備條件等諸多因素，再借鑒以往經(jīng)驗(yàn)，確定白馬隧道施工通風(fēng)方式為獨(dú)頭壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)相結(jié)合的方式。

根據(jù)通風(fēng)方式劃分，并結(jié)合隧道瓦斯含量分段，白馬隧道出口段的工區(qū)劃分見(jiàn)圖2。

圖2 白馬隧道出口段工區(qū)劃分示意

2.1 第一工區(qū)

主洞里程左線K47+720～K43+912，右線YK47+6 64～YK43+873，最大獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度為3 808 m，此工區(qū)又分4個(gè)區(qū)段。

(1)第一區(qū)段：壓入式通風(fēng)，左線里程：K74+8 84～K46+231，右線里程：YK47+664～YK46+193，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為1 489 m。

(2)第二區(qū)段：巷道式通風(fēng)，左線里程：K46+2 31～K45+518，右線里程：YK46+193～YK45+480，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為713 m。

(3)第三區(qū)段：巷道式通風(fēng)，左線里程：K45+5 18～K43+912，右線里程：YK45+480～YK44+753，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為727 m。

(4)第四區(qū)段：壓入式通風(fēng)，左線里程：K44+7 91～K46+231，右線里程：YK44+753～YK43+873，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為969 m。

2.2 第二工區(qū)

豎井及主洞左線K43+912～K41+664，右線YK43 +873～YK41+664，最大獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度為2 248 m，此工區(qū)又分4個(gè)區(qū)段。

(1)第一區(qū)段：巷道式通風(fēng)，左線里程：K43+9 12～K43+371，右線里程：YK43+873～YK43+333，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為541 m。

(2)第二區(qū)段：巷道式通風(fēng)，左線里程：K43+3 71～K42+631，右線里程：YK43+333～YK42+593，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為740 m。

(3)第三區(qū)段：巷道式通風(fēng)，左線里程：K42+6 31～K41+911，右線里程：YK42+593～YK41+873，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為720 m。

(4)第四區(qū)段：壓入式通風(fēng)，左線里程：K41+9 11～K41+664，右線里程：YK41+873～YK41+664，最大通風(fēng)長(zhǎng)度為247 m。

3 隧道風(fēng)量計(jì)算

3.1 隧道需風(fēng)量的確定

在瓦斯隧道中，需風(fēng)量計(jì)算不僅要考慮隧道內(nèi)人員呼吸需風(fēng)量、爆破排煙需風(fēng)量、內(nèi)燃機(jī)械排煙風(fēng)量以及最低風(fēng)速需風(fēng)量四個(gè)因素，還需要考慮稀釋瓦斯需風(fēng)量，再選取其中最大值作為最終需風(fēng)量[8]。由于白馬隧道工程位于高原地區(qū)，在計(jì)算中需根據(jù)空氣密度進(jìn)行相關(guān)修正：

(1)

式中:Kρ為空氣密度校正系數(shù)；ρz為海拔高度為z處空氣密度，經(jīng)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算，為0.97 kg/m3；ρ0為海拔高度為0 m處空氣密度，取1.20 kg/m3。

3.1.1 按作業(yè)人員呼吸需風(fēng)量計(jì)算

(2)

式中:Q1為隧道需風(fēng)量，m3/min；N為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，取100人。

3.1.2 按最低風(fēng)速需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)瓦斯隧道施工要求，隧道內(nèi)回風(fēng)風(fēng)速不應(yīng)小于0.25 m/s，保證污染物不會(huì)逆風(fēng)擴(kuò)散。

Q2=S·v

(3)

式中:Q2為隧道需風(fēng)量，m3/min；S為隧道的凈空面積，為66 m2；V為最小風(fēng)速為0.15 m/s。

Q2=990 m3/min

3.1.3 按瓦斯涌出量計(jì)算

(4)

式中:Q3為隧道需風(fēng)量，m3/min；q為掌子面瓦斯涌出量，1.253 m3/min；Ca為掌子面允許瓦斯?jié)舛龋?.5 %；Co為送入掌子面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，? %；K為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5～2.0。

3.1.4 爆破排煙需風(fēng)量計(jì)算

(5)

式中:Q4為掌子面需風(fēng)量，m3/min；t為爆破后通風(fēng)時(shí)間，取30 min；S為最大開(kāi)挖斷面面積，取70 m2；A為一次爆破炸藥用量，kg，A=S·L·b;L為循環(huán)進(jìn)尺，取2.5m；b為Ⅳ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖單位炸藥用量，取0.95 kg/ m3。

故，A=70×2.5×0.95=166.25kg

k0為安全系數(shù)，取1.2；

3.1.5 按內(nèi)燃機(jī)需風(fēng)量計(jì)算

隧道掌子面附近內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備配置情況詳見(jiàn)下表1所示，需風(fēng)量計(jì)算公式如式6所示。

表1 內(nèi)燃機(jī)設(shè)備

(6)

式中：Q5為掌子面需風(fēng)量，m3/min；4.5為高原地區(qū)單位功率需風(fēng)量m3/(min·kW)；Ni為第i臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備功率，kW；ηi為第i臺(tái)柴油機(jī)械設(shè)備綜合效率系數(shù)。

綜上所述，需風(fēng)量按內(nèi)燃機(jī)計(jì)算最大，故而取隧道需風(fēng)量為

Qmax=Q5=1198 m3/min

3.2 風(fēng)機(jī)供風(fēng)量的確定

風(fēng)機(jī)供風(fēng)量由下式計(jì)算：

(7)

(8)

式中:Q為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量(m3/min)；η100為百米平均漏風(fēng)率，取2 %；L為風(fēng)管最長(zhǎng)大度(m)；k1為有效風(fēng)量率。

風(fēng)管長(zhǎng)度由車行橫通道和人行橫通道長(zhǎng)度決定，本計(jì)算中取800 m，計(jì)算得Q=1426.2 m3/min

4 施工通風(fēng)阻力損失

4.1 風(fēng)管摩擦阻力

(1)風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)計(jì)算。

(9)

式中：α為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，N·S2/m4；λ為風(fēng)筒摩擦系數(shù)，又稱達(dá)西系數(shù)，采用的是φ1.5 m柔性風(fēng)筒，取λ=0.013。

(2)風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算。

(10)

式中：Rf為風(fēng)筒風(fēng)阻，N·S2/m8；U為風(fēng)筒周長(zhǎng)，m；S為風(fēng)筒面積，m2。

(3)風(fēng)筒摩擦阻力計(jì)算

風(fēng)筒摩擦阻力可由下式計(jì)算：

(11)

式中：QL為局部通風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量，m3/s，QL=Q*PL;PL為風(fēng)筒漏風(fēng)損失修正系數(shù)，m3/s。

4.2 風(fēng)管局部阻力

風(fēng)管局部阻力主要是在全壓式通風(fēng)時(shí)，局部風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的局部阻力。計(jì)算如式12所示：

(12)

式中:ξ為風(fēng)筒局部阻力系數(shù)，取0.6 N·S2/m4；A為風(fēng)筒斷面積，為1.77 m2。

4.3 風(fēng)筒通風(fēng)阻力計(jì)算

(1)風(fēng)筒通風(fēng)阻力計(jì)算。巷道式通風(fēng)時(shí)，單洞風(fēng)筒通風(fēng)阻力為：

h=hf+hx= 531+86.77=617.77 Pa

(2)風(fēng)筒通風(fēng)阻力修正。本隧道工程位于高原地區(qū)，通風(fēng)阻力應(yīng)根據(jù)空氣密度進(jìn)行修正，故而修正后的單洞風(fēng)筒通風(fēng)阻力為：

4.4 隧道阻力及射流風(fēng)機(jī)計(jì)算

隧道阻力的計(jì)算與風(fēng)管阻力計(jì)算相同，只需將數(shù)據(jù)帶入公式即可，隧道采用φ1 m的射流風(fēng)機(jī)，其升壓力按式13計(jì)算：

(13)

需風(fēng)量和通風(fēng)阻力最終計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)量計(jì)算及阻力計(jì)算結(jié)果

5 設(shè)備選型

5.1 壓入式風(fēng)機(jī)的選型

壓入式風(fēng)機(jī)應(yīng)選擇能滿足各個(gè)通風(fēng)區(qū)段供風(fēng)量及風(fēng)壓的軸流風(fēng)機(jī)，具體可按下式計(jì)算：

風(fēng)機(jī)靜壓力：

Hst=h0

(14)

風(fēng)機(jī)全壓力：

(15)

式中：v2為風(fēng)筒出口風(fēng)速，m/s。

壓入式風(fēng)機(jī)的數(shù)量由白馬隧道第一工區(qū)第一區(qū)段、第一工區(qū)第四區(qū)段、第二工區(qū)第四區(qū)段施工通風(fēng)控制，共需配置4臺(tái)壓入式軸流風(fēng)機(jī)。在出口端左右線、豎井端各選用2臺(tái)FBDSNO.16/3×132 kW型礦用防爆壓入式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)(1臺(tái)工作、1臺(tái)備用)，每臺(tái)通風(fēng)機(jī)配置3臺(tái)YBF2-513M-6型防爆電動(dòng)機(jī)(132 kW，380/660 V，980 r/min)共計(jì)8臺(tái)，風(fēng)筒選用φ1.5 m高強(qiáng)度、防爆、抗靜電、阻燃柔性風(fēng)筒。其主要參數(shù)詳見(jiàn)表3所示。

表3 軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備參數(shù)計(jì)算結(jié)果

5.2 射流風(fēng)機(jī)的選型

設(shè)計(jì)選用SDS-11.2-4P-6-33°型隧道專用防爆射流風(fēng)機(jī)，其主要參數(shù)詳見(jiàn)表4。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以白馬隧道出口段為例，通過(guò)綜合考慮隧道瓦斯?jié)舛群?、隧道洞身地質(zhì)情況、各種通風(fēng)方式與該隧道施工功法的匹配等，選擇了壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式。根據(jù)不同施工階段進(jìn)行通風(fēng)分區(qū)，計(jì)算最大需風(fēng)量，從而進(jìn)行通風(fēng)設(shè)備配置、設(shè)備選型，總結(jié)出一套低瓦斯含量隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，可以為以后類似隧道工程施工的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

表4 射流風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)