李 敬

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 前言

進入20 世紀后，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通、能源等行業(yè)發(fā)展迅速，我國鐵路建設逐步由平原丘陵地區(qū)向艱難復雜山區(qū)拓展，同時高速鐵路大量建設且雙線隧道占比增大。隧道開挖斷面從過去的45 m2~65 m2，發(fā)展到150 m2甚至更大。艱難復雜山區(qū)的鐵路建設隧道比例越來越重，穿越的不良地質也越來越多，瓦斯是重要不良地質之一。

長大、特長鐵路瓦斯隧道的施工通風是保障施工安全的重要措施，但是長距離通風直接影響通風效果，同時限制通風區(qū)段坑道的使用功能，因此，在地形條件允許的條件下，采用短小淺的橫洞、斜井、豎井作為專用回風道或風井，實行分段通風，對提高通風、施工效率十分有利，一些高瓦斯隧道施工中增加鉆孔豎井作為專用通風井，效果良好。所以長大、特長鐵路瓦斯隧道結合輔助坑道實現(xiàn)巷道式通風，或者通過設置通風井縮短通風距離都是解決瓦斯隧道通風問題的重要手段[1]。

1 工程概況

工點為單洞雙線隧道，設計時速350 km/h，隧道全長9964 m，進、出口橋臺均伸入隧道洞內(nèi)，隧道最大埋深約620 m。隧道進口臨河且無路相通，交通不便，進口河對岸有國道，與洞口相對高差約85 m；出口地形陡峭，下方國道與洞口相對高差約38 m，交通不便。

從油氣地質條件上來看，隧址區(qū)發(fā)育多套烴源巖，線路附近地表有大量油氣苗露頭，油氣資源豐富。此外，隧址區(qū)含煤地層為二疊系地層，主要有二疊系上統(tǒng)吳家坪組、二疊系下統(tǒng)銅礦溪組。

隧道采用“2 橫洞+進口平導+出口平導+1 座通風豎井”方式組織施工。橫洞均采用無軌雙車道運輸，平導均采用無軌單車道運輸。根據(jù)隧道的地質條件與檢測到的有害氣體情況，該隧道絕對瓦斯涌出量為1.192 m3/min，為低瓦斯隧道，1#橫洞工區(qū)、2#橫洞工區(qū)均為低瓦斯工區(qū)。隧道為“W”型縱坡，由于1#橫洞與平導位于線路兩側，因此考慮施工及運營排水需求，在1#橫洞與平導之間另設1 處引水泄水洞。輔助坑道布置如圖1 所示。

圖1 隧道輔助坑道示意圖

2 施工通風設計的目的

隧道內(nèi)施工通風主要解決以下4 個方面的問題：1）給隧道內(nèi)作業(yè)人員提供足夠的新鮮空氣。2）稀釋并排除各種有害氣體和粉塵。3）調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣的溫度、濕度。4）創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，為保障安全，保證質量奠定基礎。

施工通風設計的目的是為隧道制訂可實施性的施工組織設計提供依據(jù)，為合理設置輔助坑道、確定施工運輸組織方式、選擇隧道施工工法以及配套相關土建工程提供設計依據(jù)[2]。

3 施工通風方式的選擇

隧道施工通風分為自然通風以及機械通風。常見的機械通風主要以壓入式通風、巷道式通風、利用豎井作為排風坑道的分段式通風[3]。從理論來說，只要能滿足風量及洞內(nèi)風速的要求，采用壓入式通風是可行的；無論是哪種通風方式，對開挖工作面來說，實質上是壓入式通風，只是獨頭壓入的長度不同而已。獨頭通風距離越長，考慮風管漏風及沿程風量損失、施工管理等因素，通風效果會越差。對巷道式通風來說，由于主風機安裝在洞內(nèi)，獨頭壓入段的距離較短，一般小于1.5 km，這也是采用巷道式通風能改善通風效果的原因。

隨著隧道施工通風技術的發(fā)展，大功率、變頻高效風機結合大直徑新材質風筒，提高供風量，改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，隧道常用的壓入式通風的長度也從20 世紀末的1.5km~2km 提升到目前的3km~4km。

4 施工通風的計算

在隧道施工中，掘進工作面所需的風量與施工方法、施工作業(yè)的機械配套條件關系很大，在一個作業(yè)循環(huán)中，不同作業(yè)工序對風量的要求也有較大的差別[4]。進行風量計算的目的是為正確選擇通風設備和為設計通風系統(tǒng)提供依據(jù)。通風系統(tǒng)的供風能力應能夠滿足工作面對風量的最大需求[5]。

4.1 工區(qū)劃分及通風方式的選擇

該隧道為“W”型縱坡，結合地形條件并考慮排水，一開始隧道設置“2 橫洞+進口平導+出口平導”的輔助坑道。由于進、出口均無法開辟工作面，隧道只能由1#橫洞及2#橫洞分別雙向開挖正洞及平導，此時1#橫洞工區(qū)只能采用壓入式通風，最長的通風距離達到3.6 km；2#橫洞工區(qū)在橫洞至大里程方向的正洞和平導貫通后實現(xiàn)巷道式通風。

如果1#橫洞工區(qū)同時雙向開挖正洞及平導，那么至少需要4 根風管同時從1#橫洞進入，顯然普通的無軌雙車道斷面不能滿足要求，必須加大橫洞斷面，此時，通風效果并不理想，給瓦斯工區(qū)帶來極大的安全隱患，對風機、風管的要求也極高；如果1#橫洞工區(qū)單向開挖正洞及平導，等一側貫通后再開挖另一側的正洞及平導，工期又不滿足要求。在該情況下，于1#橫洞工區(qū)引水泄水洞與平導交叉口附近增設通風豎井，將污風引至通風豎井排出，實現(xiàn)了巷道式通風，形成了該隧道最終的輔助坑道方案，即“2 橫洞+進口平導+出口平導+1 座通風豎井”。

各區(qū)段的最不利的壓入長度要結合施組設計來確定，見表1。

表1 隧道各區(qū)段瓦斯類型、通風方式及最長壓入長度

4.2 工作面需風量計算

計算以正洞IV 級圍巖臺階法開挖為例，開挖斷面積119.73 m2，濕周41.23 m，上臺階斷面積66 m2，循環(huán)進尺為2.0 m。

隧道工作面需要的風量，必須按照同時工作的最多人數(shù)、按最低允許風速、按爆破排煙、按稀釋和排除內(nèi)燃作業(yè)機械廢氣以及絕對瓦斯涌出量分別計算，采用其中的最大值。見表2。

表2 隧道各區(qū)段正洞工作面需風量

從表2 中可以看出，該隧道雖然是瓦斯隧道，但是絕對瓦斯涌出量并不是本隧施工通風的控制因素，按稀釋和排除內(nèi)燃作業(yè)機械廢氣所需風量即可稀釋洞內(nèi)瓦斯，以達到規(guī)范要求。

4.3 風機供風量計算

風機供風量計算如公式（1）所示。

式中：Q供為風機供風量；Q工為工作面需風量；β100為風管百米漏風率；L為通風長度。

由此可知，風機供風量的數(shù)值大于工作面的需風量，其與壓入長度成正比，見表3。

表3 隧道各區(qū)段正洞風機供風量

4.4 風機風壓計算

風機風壓的計算如公式（2）所示。

式中：P供為風機風壓；P摩為風管沿程摩擦阻力；P局為風管沿程局部阻力；ξ其他為其他局部阻力系數(shù)；λ為沿程摩阻系數(shù)；γ為空氣重度；d為風管直徑；V為風管風速。

風機風壓主要是由摩擦阻力控制的，局部阻力的大小取決于風管斷面是否彎折或改變斷面尺寸，相對摩擦阻力較小。局部阻力系數(shù)ξ的數(shù)值可以參照《鐵路工程設計技術手冊 隧道》（修訂版）表12-1-16 中的數(shù)值。需要注意的是，當存在不同工況時，ξ的數(shù)值需要疊加。

風機風壓見表4。

表4 隧道各區(qū)段正洞風機風壓

從表4 可知，風機風壓的大小與風管直徑尺寸息息相關。風管直徑越大，風管風速越低，風機風壓就越小。在斷面條件允許的情況下，風管直徑盡量加大。

4.5 風機的選擇

風機的選擇至少考慮2 個因素，一個是風機供風量，一個是風機風壓。只有能夠同時滿足這2 個要求的風機才是適合的風機。開挖斷面越大，工作面需風量越大；通風距離越長，沿程摩擦阻力越大，對風機的要求也越高。如果是瓦斯工區(qū)，洞內(nèi)風機應選擇防爆型，風管應選擇雙抗軟風管。

結合施工組織，2#橫洞工區(qū)形成巷道式通風時，通過平導開挖正洞工作面，此時平導內(nèi)放置2 根風管，受斷面尺寸限制，2#橫洞工區(qū)正洞選用直徑1.7 m 的風管。1#橫洞工區(qū)正洞風管直徑的選取相對自由，所以選用直徑2.0 m的風管。

風機選擇見表5。

表5 隧道各區(qū)段正洞風機選擇

當風機供風量和風壓數(shù)值比較大時，可考慮風機串并聯(lián)。風機串聯(lián)，風壓疊加，風量不變；風機并聯(lián)，風量疊加，風壓不變。

5 施工通風方案

該隧道為“W”型縱坡，結合排水、工期、通風等要求設置目前的輔助坑道規(guī)模。

5.1 1#橫洞工區(qū)

1#橫洞工區(qū)的施工通風主要分為3 個階段。第一階段（圖2）為施作1#橫洞及引水泄水洞，此時，采用壓入式通風；第二階段（圖3）為1#橫洞工區(qū)雙向施工平導，并與通風豎井貫通，此時，采用壓入式通風，平導污風經(jīng)通風豎井排出；第三階段（圖4）為1#橫洞工區(qū)正洞分別施工至最近的橫通道后，可與平導形成巷道式通風條件，污風經(jīng)通風豎井排出。

圖2 1#橫洞工區(qū)第一階段指導性施工通風示意圖

圖3 1#橫洞工區(qū)第二階段指導性施工通風示意圖

圖4 1#橫洞工區(qū)第三階段指導性施工通風示意圖

5.2 2#橫洞工區(qū)

2#橫洞工區(qū)的施工通風主要分為4 個階段。第一階段（圖5）為施作2#橫洞，此時采用壓入式通風；第二階段（圖6）為通過2#橫洞雙向開挖平導，此時采用壓入式通風；第三階段（圖7）為2#橫洞工區(qū)正洞大里程端施工至正洞洞口后，將風機移動至正洞出口，小里程端通過平導開橫通道施工正洞，此時，采用壓入式通風；第四階段（圖8）為2#橫洞工區(qū)正洞大里程端貫通后，形成巷道式通風條件，污風經(jīng)2#橫洞排出。

圖5 2#橫洞工區(qū)第一階段指導性施工通風示意圖

圖6 2#橫洞工區(qū)第二階段指導性施工通風示意圖

圖7 2#橫洞工區(qū)第三階段指導性施工通風示意圖

圖8 2#橫洞工區(qū)第四階段指導性施工通風示意圖

6 結論

瓦斯是嚴重威脅施工人員生命安全的重大風險，具有突發(fā)性、毀滅性、連鎖性以及廣域性的特點，往往造成嚴重的次生災害，直接導致對工程結構、工程質量、機械設備的重大損傷。所以瓦斯隧道的施工安全重點是施工通風，施工通風的有效性是保障施工安全的前提[6]。施工組織設計與施工通風設計相輔相成，互相影響，設計中應根據(jù)施工通風優(yōu)化施組，切忌忽視施工通風，盲目超前設計施組。在施工通風設計中，充分結合施組，設計最優(yōu)的施工通風方案，可為今后類似工程提供借鑒。