張杰 ZHANG Jie

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545000）

0 引言

在隧道施工中有很多危險因素是隧道施工的風險源，其中煤與瓦斯突出問題是隧道施工中危險性最嚴重的安全隱患。煤與瓦斯突出是施工過程中發(fā)生的一種瓦斯的突然劇烈運動并造成十分巨大的動力效應(yīng)現(xiàn)象，其破壞性極大，易引起瓦斯爆炸等突發(fā)性自然災(zāi)害。當隧道施工至煤層位置時，受隧道施工的影響使得煤層內(nèi)瓦斯壓力平衡狀態(tài)受到破壞，從而造成瓦斯氣體及巨大的彈性能力突然被釋放，瓦斯及混合物以極快的速度噴射至作業(yè)區(qū)域，噴射出的瓦斯在遇到火源后燃燒或爆炸，從而對隧道內(nèi)的人員機械設(shè)備甚至整個隧道產(chǎn)生嚴重的安全威脅。在貴州省桐梓至新蒲高速公路項目建林巖隧道施工中，項目部通過對隧道通風系統(tǒng)進行優(yōu)化和改良，從而在短時間內(nèi)可快速降低在煤與瓦斯突出時隧道空氣中的瓦斯含量，保障了隧道內(nèi)人員和設(shè)備的安全，同時也縮短隧道內(nèi)有害氣體的排放時間，也加快了隧道施工進度。改進后的通風系統(tǒng)在煤與瓦斯隧道施工中取得很好的效果。

1 工程概況

桐新高速公路1-2 標段位于貴州省遵義市匯川區(qū)及桐梓縣境內(nèi)，起訖里程為YK4+832～YK12+840，線路總長8.008㎞。起點位于匯川區(qū)板橋鎮(zhèn)止于桐梓縣茅石鎮(zhèn)。其中隧道共計有3 座分別為：四平隧道出口、建林巖隧道進口和宗寶山隧道進口，其中建林巖隧道長度最長，地質(zhì)最為復(fù)雜，危險性最高，施工難度最大。

建林巖隧道左線起訖樁號為ZK6+605～ZK10+534，長3929m，右線起訖樁號為YK6+630～YK10+520，長3890m，其中左線ZK9+480～ZK9+990（510m），右線YK9+490～YK10+010（520m）處穿越高瓦斯煤系地層。設(shè)計為分離式特長隧道，隧道襯砌內(nèi)輪廓采用三心圓，內(nèi)輪廓設(shè)計高程距拱頂高度5m，凈寬10.75m，左右幅均為單向坡，縱坡坡率為-2%。

2 隧道通風方案設(shè)計

建林巖隧道為瓦斯隧道，左右幅各設(shè)置一條1.5m 防靜電、阻燃的風管。當風管需穿越臺車時，為避免臺車移動作業(yè)損傷風管，需將風管從臺車門架內(nèi)側(cè)穿越，從而避免風管因臺車移動造成損傷，滿足隧道內(nèi)通風量要求。

采用管道壓入式通風，主風機和備用風機距離隧道洞口位置不得小于30m，已確保風機吸入空氣的新鮮，防止洞內(nèi)排出的空氣被風機二次吸入。為加強通風效果，在掌子面超挖位置、隧道斷面變化位置、隧道坍塌區(qū)域、二次襯砌臺車作業(yè)區(qū)域、防水板作業(yè)區(qū)域等作業(yè)人員較多位置安裝局扇，以便加強上述區(qū)域的通風量，防止上述區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸瑯恕ｏL管設(shè)置在邊墻上，高度不得低于施工車輛高度，當距離工作面50m 范圍時需采用折疊式風管。見圖1所示。

圖1 建林巖隧道出口風機布置示意圖

3 通風量計算

3.1 通風量計算

隧道掘進施工需風量，按照隧道內(nèi)各工序同時作業(yè)施工人員最多時、瓦斯等有毒有害氣體涌出情況、隧道內(nèi)內(nèi)燃氣作業(yè)數(shù)量最多時、允許最小風速、一次爆破所用最多炸藥量等條件逐個進行檢驗，取其中的最大值作為最終的隧道用風量。

①按照隧道內(nèi)各工序同時作業(yè)施工人員最多時的新鮮空氣計算風量。

隧道作業(yè)人員用風Q人=4×N×K

其中：4——每人需風量（m3/min）；

N——最大班進洞人數(shù)，50 人；

K——風量備用系數(shù)，取1.15；

計算得：Q1=230m3。

②按稀釋和排炮煙所需風量計算。

通風區(qū)段臨界長度：

A——同時爆破的炸藥量（kg），最大斷面開挖時，A=200kg；

S——隧道斷面積（m2），隧道深部為V 級類圍巖開挖斷面按105m2；

b——爆破時所產(chǎn)生的有害氣體量，b=40m3/kg；

K——擴散系數(shù)，K=0.53；

t——通風時間（min）長隧道按30min 計；

計算公式

③按將瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以下計算風量。

Q=q×k/r

Q——隧道通風量，m3/min；

q——瓦斯絕對涌出量，1.47m3/min；

r——工作面回風流瓦斯允許濃度，%，取0.5%；

k——瓦斯涌出不均勻系數(shù)，取1.5～2.0。

按將瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以下計算風量：

Q3=q×k/r=1.47×2/0.5%=588m3/min

④隧道內(nèi)燃機器用風量。

Q=Q0T∑P

式中：Q0——內(nèi)燃機作業(yè)最大功率單位時間內(nèi)所需空氣量指標，1kW 的風量不宜小于4.5m/min；

∑P——同時在洞內(nèi)作業(yè)的各種內(nèi)燃機最大功率的總和（kW），計算隧道出渣時1 臺裝載機、2 臺出渣車，功率分別為162kW、107kW、150*2kW，經(jīng)統(tǒng)計取∑P=569kW，內(nèi)燃機利用率系數(shù)T=0.7

Q4=4.5×569*0.7=1792（m3/min）

⑤以隧道中最低風速計算風量校核。

根據(jù)《貴州省瓦斯隧道施工技術(shù)指南》，對于瓦斯容易聚集的位置，需加強局部通風，風速不宜小于1m/s。全隧道最低風速不小于0.25m/s。

按全隧最低風速0.25m/s 計算，

Q=60*S*Vmin

其中：

Q 為所需風量，m3/min；

S 為隧道開挖斷面，m2，最大選取瓦斯地段V 類圍巖開挖WS-Va 斷面，105m2；

Vmin為隧道允許最低風速，m/s，取0.25。

需風量Q=60*105*0.25=1575m3/min。

由①-⑤計算結(jié)果可知，隧道內(nèi)通風量以內(nèi)燃機滿負荷運轉(zhuǎn)時所用風量進行控制，工作面所需風量Q=1792m3/min，按《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T3660-2020 規(guī)定，供風量應(yīng)按實際需風量的1.5 倍計算；

3.2 風壓計算

隧道內(nèi)通風阻力計算：風流與風管之間的摩擦力與局部摩擦力之和。

①摩擦阻力。

P阻=6.5×α×L×（Q/60）2/d5=4294Pa

其中α——風阻系數(shù)，取0.0025；

L——隧道通風長度，1000m；

d——配用風管直徑，Φ1.5m 計算。

②局部阻力。

P局=0.1P阻（Pa）

通風阻力為：摩擦阻力P阻+局部阻力

摩擦阻力P阻+局部阻力=1.1P=1.1*4294=4724Pa。

3.3 設(shè)備選型

結(jié)合上述計算，最大需風量為2688m3/min，最大通風阻力4724Pa。為確保隧道瓦斯工區(qū)通風安全，建林巖隧道出口段選擇SDF（C）-No12.5 型軸流風機，最大風量為2912m3/min，最大風壓為5355Pa，功率為2*110kW。

4 通風系統(tǒng)安裝及注意事項

4.1 風機安裝

應(yīng)安裝在距離洞口30m 以外，風機支架應(yīng)穩(wěn)固結(jié)實，避免運行中振動，洞外風機周邊5m 范圍內(nèi)不得有任何雜物或堆積物，通風機進氣口處設(shè)置鐵篦子防止吸入硬物損傷風葉，風機與風管處應(yīng)采用加強型柔性管進行連接，風機與風管接口應(yīng)綁扎牢固，減少接頭處的漏風。

4.2 風管安裝

風管機連接管必須采用正規(guī)廠家產(chǎn)品，風管進場后需審核其合格證等質(zhì)量證明文件，風管安裝前后需對其外觀尺寸，密封性等進行檢查，尤其是風管接頭位置需完好嚴密，接頭粘貼牢固平順。由于該隧道為瓦斯隧道，因此通風管必須為阻燃材質(zhì)，同時還需抗靜電，管體強度高，風管吊掛高度不得低于隧道凈高的2/3，風管與掛線的系掛必須采用麻繩，嚴禁采用鐵絲系掛。風管口到開挖掌子面的距離應(yīng)不宜大于10m。

風管走向及安裝應(yīng)平滑順直，不得有大的折角，接頭嚴密，百米漏風率控制在2%以內(nèi)。通風管破裂損壞時，應(yīng)及時修補或更換。風機支架采用工鋼焊接，埋入地面以下50cm，并澆筑50×50×50cm C20 混凝土基礎(chǔ)。見圖2 所示。

圖2 風機支架示意圖

4.3 風速測量

對于建林巖隧道中的風速，一般應(yīng)選用中速風表（0.5～10m/s）或低速風表（0.3～5m/s）進行測定。采用機械式或電子式風表每旬對隧道風量進行測定，并填寫記錄表。

5 通風系統(tǒng)保障措施

①通風機必須按有關(guān)要求及規(guī)定進行“三專兩閉鎖”安裝，“三?！笔侵笇Ｓ糜秒娋€路、專用用電開關(guān)和專用變壓器。同時通風機也要設(shè)置為雙回路，以便當一路斷電時，另一路應(yīng)在10min 內(nèi)接通，保證風機正常運轉(zhuǎn)；同時必須安設(shè)有瓦斯電閉鎖與風電閉鎖裝置，當隧道內(nèi)瓦斯超限或停風時，必須能立即切斷隧道內(nèi)所有非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源。

圖3 建林巖隧道出口通風系統(tǒng)現(xiàn)場圖

②對局部使用的射流風機應(yīng)加強保養(yǎng)，定時對其檢測管理，確保其作業(yè)正常連續(xù)。

③通風機的日常管理需安排專人進行負責，必須按照有關(guān)規(guī)定和章程進行對風機的使用、維修、保養(yǎng)。當風機斷電維修時需由專業(yè)安全人員統(tǒng)一指揮，不得隨意停開機。

④風管采用“長、大、直、新”，風管節(jié)段長度可加長到20m 一節(jié)，減少接頭數(shù)量和漏風量；風管安裝做到平、直、穩(wěn)、緊，穿越砌襯臺車時盡量少彎曲不縮徑，以減少阻力；采用高強度、低摩擦阻力的新型風管和密封性好操作方便的拉鏈式接頭。

6 結(jié)束語

通過對隧道通風系統(tǒng)進行優(yōu)化和改良，從而在短時間內(nèi)可快速降低在煤與瓦斯突出時隧道空氣中的瓦斯含量，保障了隧道內(nèi)人員和設(shè)備的安全，同時也縮短隧道內(nèi)有害氣體的排放時間，也加快了隧道施工進度。改進后的通風系統(tǒng)在煤與瓦斯隧道施工中取得很好的效果，也為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。