長(zhǎng)大低瓦斯隧道施工通風(fēng)技術(shù)探討

王國(guó)順

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)春吉林130033)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步,地下工程及公路、鐵路隧道的長(zhǎng)度不斷延伸,瓦斯、天然氣及其他有害物質(zhì)的出現(xiàn)幾乎不可避免,如何選擇一種既安全又經(jīng)濟(jì)的施工通風(fēng)方案,是急需解決的問(wèn)題[1-3]。我國(guó)修建的云臺(tái)山隧道、青山隧道、圓梁山隧道、云頂隧道都為瓦斯隧道,施工通風(fēng)是降低瓦斯?jié)舛茸钣行?、最重要的手段。?duì)于隧道通風(fēng)來(lái)說(shuō),較高的通風(fēng)效率是良好經(jīng)濟(jì)效益的保證,合理的氣流組織是瓦斯隧道施工安全的保證。因此,選擇一種有效通風(fēng)方案來(lái)解決瓦斯問(wèn)題顯得尤為重要[4-5]。針對(duì)高瓦斯隧道的施工通風(fēng)問(wèn)題,一定要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,認(rèn)真研究各階段施工通風(fēng)是否適合現(xiàn)場(chǎng)施工組織安排,使設(shè)計(jì)方案既保證施工安全又節(jié)約成本。論文結(jié)合洛湛鐵路長(zhǎng)樂(lè)隧道和袍子嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際,介紹長(zhǎng)大隧道施工中的通風(fēng)排煙問(wèn)題,為以后的類似工程施工提供了有意義的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及特點(diǎn)

洛湛鐵路長(zhǎng)樂(lè)隧道和袍子嶺隧道位于湖南省永州市雙牌縣境內(nèi),其中長(zhǎng)樂(lè)隧道全長(zhǎng)6 381 m,中鐵十三局集團(tuán)有限公司施工的進(jìn)口段D3K77+565～D3K81+600段3 285 m,其中進(jìn)口435 m為雙線車(chē)站段。線路右側(cè)設(shè)進(jìn)口平行導(dǎo)坑。平導(dǎo)斜交段與隧道中線夾角為40°,平導(dǎo)與線路間距20 m,平導(dǎo)全長(zhǎng)481 m;袍子嶺隧道全長(zhǎng)6 475m,十三局集團(tuán)標(biāo)段施工出口D3K73+800～D3K77+565段 3 015 m,其中355 m為雙線車(chē)站段。出口線路前進(jìn)方向左側(cè)設(shè)平導(dǎo),平導(dǎo)與線路相距30 m,平導(dǎo)全長(zhǎng)1 000 m。為保證施工工期,2006年10月,袍子嶺隧道新增迂回平導(dǎo)757 m,位于線路左側(cè);長(zhǎng)樂(lè)隧道新增迂回平導(dǎo)1 585.64 m,位于線路右側(cè);袍子嶺隧道和長(zhǎng)樂(lè)隧道都是低瓦斯隧道,兩隧道均為洛湛線的控制性重點(diǎn)工程。隧道具有如下的特點(diǎn):

(1)兩座隧道均屬長(zhǎng)大隧道,且含有低濃度的瓦斯。單口掘進(jìn)最長(zhǎng)4 035 m,在筆者所在公司尚屬首次。袍子嶺隧道采用無(wú)軌運(yùn)輸方案,長(zhǎng)樂(lè)隧道采用有軌運(yùn)輸方案。兩隧道均按瓦斯工區(qū)組織施工。

(2)兩隧道均為獨(dú)頭掘進(jìn),且工期要求混凝土襯砌與掘進(jìn)必須同時(shí)進(jìn)行,這就加大了施工通風(fēng)的難度

(3)兩隧道是長(zhǎng)大瓦斯隧道,隧道的通風(fēng)技術(shù)是保障施工的關(guān)鍵。通風(fēng)質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到隧道能否正常施工,而且直接影響到洞內(nèi)施工人員的身體健康乃至生命安全。

2 通風(fēng)設(shè)備的選擇

因袍子嶺隧道采用無(wú)軌運(yùn)輸方案,長(zhǎng)樂(lè)隧道采用有軌運(yùn)輸方案。所以袍子嶺隧道通風(fēng)排煙壓力更大,現(xiàn)就以袍子嶺隧道作為研究對(duì)象。

2.1 風(fēng)機(jī)選擇

2.1.1 計(jì)算參數(shù)的確定

計(jì)算參數(shù)的確定如下[6-8]:①供給每人的新鮮空氣按4 m3/min計(jì)算。柴油設(shè)備kW/min需要新鮮空氣不小于3 m3;②開(kāi)挖爆破一次最大用藥量,正洞150 kg,平導(dǎo)70 kg;③放炮后通風(fēng)時(shí)間按30 min計(jì);④洞內(nèi)摩擦阻力系數(shù)正洞為0.02;⑤軟質(zhì)風(fēng)筒直徑為1.5 m,風(fēng)筒節(jié)長(zhǎng)100 m,100 m漏風(fēng)率2%,風(fēng)筒內(nèi)摩擦阻力系數(shù)為0.0024;⑥正洞回風(fēng)流速不小于0.15 m/s,平導(dǎo)內(nèi)回風(fēng)流速不小于0.25 m/s;⑦隧道內(nèi)氣溫不超過(guò)20℃。

2.1.2 正洞、平導(dǎo)未貫通前風(fēng)量的計(jì)算

(1)按洞內(nèi)允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量:

式中:V為正洞最小風(fēng)速,取0.15 m/s;S為正洞開(kāi)挖斷面面積,為60 m2。

(2)按洞內(nèi)最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量,洞內(nèi)最多人數(shù)按80人計(jì)算風(fēng)量,安全系數(shù)K=1.2。

(3)按爆破最多用藥量計(jì)算風(fēng)量:

式中:G為爆破最多用藥量,取150 kg;b為爆破時(shí)有害氣體生成量,巖層中爆破取35.35 L/kg;t為通風(fēng)時(shí)間,取30 min。

(4)消除頂層瓦斯積聚所需風(fēng)量:

式中:V小為瓦斯隧道通風(fēng)允許最低風(fēng)速,取0.25 m3/s;S為正洞隧道斷面面積,取60 m2。

(5)按回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀匏栾L(fēng)量:

式中:C為瓦斯安全濃度,取1%;gCH4為瓦斯絕對(duì)涌出量,正洞取7.8(m3/min)。

(6)風(fēng)筒漏風(fēng)損失風(fēng)量,風(fēng)筒最長(zhǎng)2 500 m,100 m漏風(fēng)系數(shù) β為2%,風(fēng)機(jī)風(fēng)量按消除瓦斯積聚所需風(fēng)量計(jì)算:

(7)實(shí)際所需風(fēng)量計(jì)算,按海拔高度修正風(fēng)量:

式中:QH、Q6為分別為海平面和海拔高度的通風(fēng)量;K為高程系數(shù),袍子嶺隧道海拔高度240 m,K取0.99。

(8)實(shí)際所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量,經(jīng)以上計(jì)算,實(shí)際所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1507(m3/min)。

2.1.3 風(fēng)機(jī)壓力計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的全壓要大于通風(fēng)的總阻力,總阻力為風(fēng)筒內(nèi)阻力與洞內(nèi)阻力之和。

2.1.3.1 風(fēng)筒內(nèi)摩擦阻力h1

式中:λ為正洞摩擦阻力系數(shù),取0.0024;L為隧道的最大長(zhǎng)度,取2 550 m(后期在平導(dǎo)內(nèi)供風(fēng),3015-465=2 550m);D為風(fēng)筒直徑,取1.5 m;ρ為空氣密度,隧道口海拔240 m,取0.96 kg/s;V為風(fēng)筒平均風(fēng)速取18 m/s。

2.1.3.2 隧道內(nèi)摩擦阻力h2

式中:λ為正洞摩擦阻力系數(shù),取0.02;L為隧道的最大長(zhǎng)度,取3015 m;D為隧道當(dāng)量直徑,取6 m;V為洞內(nèi)回流平均風(fēng)速,取0.9 m/s。

2.1.3.3 風(fēng)筒內(nèi)局部阻力h3

在風(fēng)筒入口處:ξ=0.3,ρ=0.96,V入=24 m/s;在風(fēng)筒出口處:ξ=1.0,ρ=0.96,V出=13.6 m/s;過(guò)兩個(gè)襯砌臺(tái)車(chē)處:每處ξ=0.14,ρ=0.96,V=18 m/s

根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量的要求,選用SDF(c)-NO12.5型防爆軸流風(fēng)機(jī),電機(jī)功率為2×110 kW,該風(fēng)機(jī)為變速風(fēng)機(jī),該機(jī)共6級(jí)變速,風(fēng)量從840 m3/min～ 2 912 m3/min,風(fēng)壓從 353 Pa～5 355 Pa,功率從16 kW～220 kW,根據(jù)其性能曲線圖可知,風(fēng)機(jī)風(fēng)量及全壓參數(shù)完全大于所需風(fēng)量及全壓,滿足使用要求。

2.2 風(fēng)筒的選擇

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大風(fēng)量通風(fēng)的最有效的技術(shù)措施是采用大直徑風(fēng)管,這不僅可以減少通風(fēng)機(jī)、延長(zhǎng)送風(fēng)距離,還可以成倍地降低通風(fēng)能耗,同時(shí)考慮正洞和平導(dǎo)斷面大小和通行車(chē)輛影響分別選用:正洞用Φ 1 500mm WSFG 型軟風(fēng)管;平導(dǎo)用Φ 1 000mm WSFG型軟風(fēng)管。Φ 1 500 mm WSFG型軟風(fēng)管平均百米漏風(fēng)率:e=1.23%;平均百米靜壓損失:R=6.5 aL/D6=6.5×0.0024 ×100/1.56=0.137 N/(s2·m-3);摩阻系統(tǒng):a=0.0024 kg/m3?？紤]長(zhǎng)大瓦斯隧道防火防爆要求采用阻燃、抗靜電效果較好的軟風(fēng)管。

3 施工通風(fēng)實(shí)施方案及管理

袍子嶺隧道和長(zhǎng)樂(lè)隧道有瓦斯含量,又是長(zhǎng)大隧道,通風(fēng)難度大。隧道采取了巷道加管道等通風(fēng)方式,取得了良好的通風(fēng)效果,保證了隧道的安全順利貫通。具體通風(fēng)方式分兩階段進(jìn)行。

3.1 第一階段(平導(dǎo)、正洞貫通前)采用壓入式通風(fēng)

車(chē)站雙線段未和1#橫通道貫通,1#橫通道切入正洞后增加的工作面與4#橫通道未貫通。該段時(shí)間通風(fēng)方式見(jiàn)圖1所示。即在隧道正洞洞口安設(shè)1臺(tái)110 kW*2的通風(fēng)機(jī),通風(fēng)機(jī)配Φ 1500 mm通風(fēng)帶,車(chē)站段最大通風(fēng)距離為320 m;平導(dǎo)洞口安設(shè)1臺(tái)55 kW*2通風(fēng)機(jī),在平導(dǎo)和1#橫通道的分叉處有一個(gè)三通,確保通風(fēng)機(jī)分別向平導(dǎo)和1#橫通道輸送新鮮風(fēng),平導(dǎo)和1#橫通道都用 Φ 1 000 mm通風(fēng)帶,平導(dǎo)最大送風(fēng)長(zhǎng)度為680 m,4#橫通道切入正洞的掌子面里程為D3K78+550。

由于該階段二次襯砌未開(kāi)始施工,各個(gè)口都僅有開(kāi)挖支護(hù)施工,施工工序單調(diào),通風(fēng)干擾很小。因此對(duì)通風(fēng)要求比較低。響完炮后通風(fēng)約15 min,掌子面即可進(jìn)行出渣作業(yè),出渣前向渣堆進(jìn)行撒水降塵,避免裝渣時(shí)掌子面灰塵過(guò)大。通風(fēng)距離較短,通風(fēng)保障也因?yàn)閱喂ば蚴┕ざ^為簡(jiǎn)單。

3.2 第二階段(平導(dǎo)、正洞貫通后)

第二階段平導(dǎo)與正洞貫通后的通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)圖2所示。即將兩個(gè)洞口風(fēng)機(jī)移至洞內(nèi)平導(dǎo)與正洞橫通道口,將平導(dǎo)作為巷道加風(fēng)機(jī)管道向正洞掌子面壓入新鮮風(fēng)流,使污濁空氣從正洞排向洞外。將2×110 kW的風(fēng)機(jī)放于平導(dǎo)與正洞交叉處的4#平導(dǎo)口處,利用平導(dǎo)方向進(jìn)風(fēng),Φ 1 500 mm的通風(fēng)帶。在1#橫通道的正洞附近位置設(shè)1臺(tái)55 kW×2的通風(fēng)機(jī)配Φ 1 000 mm通風(fēng)帶向正洞口排風(fēng),在每組襯砌臺(tái)車(chē)后面以及迂回平導(dǎo)口和掌子面附近安設(shè)1臺(tái)37 kW的射流風(fēng)機(jī)以加快污濁空氣流動(dòng)和排出,這樣保證了洞內(nèi)施工人員的作業(yè)環(huán)境。迂回平導(dǎo)內(nèi)根據(jù)需要增加了射流風(fēng)機(jī)以保證通風(fēng)效果。兩組襯砌臺(tái)車(chē)安設(shè)鐵皮風(fēng)筒后即可滿足襯砌臺(tái)車(chē)行走時(shí)不影響洞內(nèi)通風(fēng)的目的。通過(guò)采取巷道加管道以及接力通風(fēng)等通風(fēng)方式達(dá)到通風(fēng)目的。

圖1 第一階段(平導(dǎo)、正洞貫通前)通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

圖2 第二階段(平導(dǎo)、正洞貫通后)通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

3.3 通風(fēng)管理與輔助通風(fēng)措施

根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行空氣衛(wèi)生和通風(fēng)指標(biāo)檢測(cè),不斷進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化,保證通風(fēng)系統(tǒng)完好有效運(yùn)行。

(1)水幕降塵,為了降低圍巖爆破后產(chǎn)生的粉塵量,采用了水幕降塵,改善洞內(nèi)施工環(huán)境,減少了通風(fēng)時(shí)間。在距工作面40 m處設(shè)置三道水幕,水幕降塵裝置安裝在邊拱上,爆破后5 min打開(kāi)水幕開(kāi)關(guān),降塵20 min左右停止。同時(shí)在出渣運(yùn)輸過(guò)程中用高壓水霧對(duì)道路及渣堆進(jìn)行分層灑水以減少粉塵。

(2)機(jī)械凈化,正洞采用凈化程度較高的裝渣設(shè)備,重慶鐵馬是低排放、低污染運(yùn)輸車(chē)。除此之外,還采取了以下措施。

(3)加強(qiáng)對(duì)機(jī)械的維修保養(yǎng)。按照設(shè)備日常保養(yǎng)和定期維修規(guī)定,特別對(duì)進(jìn)氣、燃油部位進(jìn)行強(qiáng)化保養(yǎng),堅(jiān)持燃油沉淀過(guò)濾制度。

(4)柴油中添加入S30-30柴油凈化劑。在柴油中加入少量添加劑,有效地降低了CO和其他有害氣體的排放量。

(5)保持洞內(nèi)道路平整,減少污染氣體排放量。限制污染較大的車(chē)輛進(jìn)洞。

(6)防漏降阻是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通風(fēng)的關(guān)鍵,嚴(yán)格控制風(fēng)筒質(zhì)量,安裝時(shí)保持風(fēng)筒直線,防止彎折變形。注意風(fēng)筒防護(hù),避免機(jī)械進(jìn)出掛損,破損風(fēng)筒及時(shí)修復(fù)。

(7)成立專門(mén)的通風(fēng)作業(yè)班組,一方面負(fù)責(zé)不斷向前接長(zhǎng)風(fēng)管,另一方面進(jìn)行系統(tǒng)檢查和維修,負(fù)責(zé)風(fēng)管的維修和更換。對(duì)于嚴(yán)重破損的風(fēng)管要立即更換,輕微破損的風(fēng)管節(jié)要及時(shí)修補(bǔ),修補(bǔ)時(shí)可采用快干膠水粘接的方法。由于柔性風(fēng)管在停風(fēng)時(shí)會(huì)在自重作用下自然下垂,再次通風(fēng)時(shí),當(dāng)管內(nèi)風(fēng)速大于10 m/s時(shí)會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生很大的瞬時(shí)張力,所以采用變頻電機(jī)調(diào)速。修補(bǔ)、接長(zhǎng)風(fēng)管時(shí),應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)作業(yè)工班的時(shí)間安排,關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)論及建議

本工程對(duì)洞內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè),是在掘進(jìn)施工的不同時(shí)間和掘進(jìn)的不同深度隨機(jī)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試,工作面的空氣可達(dá)到國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)洛湛項(xiàng)目長(zhǎng)大隧道施工區(qū)段施工通風(fēng)階段性實(shí)踐,總結(jié)出以上幾點(diǎn):

(1)在設(shè)備選型上,應(yīng)盡可能選擇風(fēng)量較大無(wú)級(jí)變速節(jié)能風(fēng)機(jī),既可適應(yīng)不同施工階段的需求,也可避免電能的虛耗和大風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)風(fēng)壓較高而設(shè)置長(zhǎng)距離的硬管。

(2)采用直徑1.5 m的通風(fēng)軟管,百米漏風(fēng)率降低,風(fēng)阻減少,更換較少,節(jié)約了動(dòng)力費(fèi)用。

(3)通風(fēng)阻力和通風(fēng)消耗的功率等都與通風(fēng)管直徑的負(fù)五次方成正比。因此,要降低通風(fēng)阻力,延長(zhǎng)通風(fēng)距離、降低通風(fēng)的電能消耗,提高通風(fēng)效果,最有效的途徑是采用直徑較大的通風(fēng)管。若將通風(fēng)管直徑從1.0 m增至1.2 m時(shí),同風(fēng)量的阻力降低2.48倍,即通風(fēng)距離增大2.48倍,而消耗的電能卻相同,設(shè)備投入減少,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

(4)實(shí)行施工通風(fēng)專業(yè)化管理,從方案設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)置選擇,新產(chǎn)品應(yīng)用及日常施工管理等各個(gè)環(huán)節(jié)都要做細(xì)、做好。

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