瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計

杜 琳

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著目前高速公路的逐步增多，隧道穿越煤層等特殊復(fù)雜區(qū)域的情況也越來越多，傳統(tǒng)的設(shè)計中對瓦斯的考慮主要在主體設(shè)計、施工階段，但是考慮到瓦斯氣體聚集爆炸等帶來的嚴(yán)重后果，隧道附屬機(jī)電設(shè)施設(shè)計中也需要在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》中所規(guī)定的除CO,VI,換氣和火災(zāi)工況之外考慮瓦斯氣體的影響。本文作者參與設(shè)計的云南昭樂高速公路交通工程項(xiàng)目中龍臺隧道、黃連坪隧道、杉木崗隧道，主體單位按照瓦斯隧道進(jìn)行設(shè)計、施工，機(jī)電設(shè)施設(shè)計需配合進(jìn)行，考慮到目前關(guān)于瓦斯隧道相關(guān)設(shè)計可參考的技術(shù)規(guī)范有限，而《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計技術(shù)指南》中對于瓦斯隧道的勘察設(shè)計、施工、運(yùn)營及管理提出了詳細(xì)的設(shè)計指導(dǎo)，該指南適用于兩車道高速公路瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計，對瓦斯公路隧道附屬機(jī)電設(shè)施通風(fēng)設(shè)計也具有一定的參考意義。

以下從瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計、附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計以及運(yùn)營階段瓦斯事故防治建議三個方面對瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)施設(shè)計展開描述。瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計需風(fēng)量的計算公式對于瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量的理解具有一定的意義，對于附屬機(jī)電工程的通風(fēng)設(shè)計以及隧道運(yùn)營、管理、瓦斯事故防治等均在理論上具有一定的指導(dǎo)意義。

1 瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計

根據(jù)《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計技術(shù)指南》附錄H中瓦斯隧道的施工通風(fēng)方案設(shè)計，瓦斯隧道施工通風(fēng)應(yīng)根據(jù)隧道長度、瓦斯涌出段位置及隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊纫蛩剡M(jìn)行施工通風(fēng)方案的選取。其中提出稀釋瓦斯需風(fēng)量的計算公式如下:

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg

(1)

其中，Qreq(CH4)為隧道全長稀釋瓦斯的需風(fēng)量,m3/s；α為瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，1.5～2；Bg為隧道內(nèi)瓦斯設(shè)計濃度，0.5%；QCH4為隧道內(nèi)單位時間瓦斯涌出量，m3/s。

(2)

其中，K為透氣系數(shù),m/s；p1為封閉后底層瓦斯壓力，MPa；p為隧址區(qū)大氣壓，MPa；S為透氣面積，m2，其中,S=LCH4Lγ;LCH4為隧道穿越瓦斯地段的長度，m；Lγ為隧道斷面周長，m；γA為瓦斯密度，kg/m3,一般取0.716 kg/m3；b為襯砌厚度，m。

上式適用于瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計，通過需風(fēng)量的計算公式可知，瓦斯隧道需風(fēng)量與隧道襯砌的透氣系數(shù)、隧道穿越煤層隧道封閉后近隧道層的瓦斯壓力、隧址區(qū)的大氣壓力以及可能引起瓦斯泄露的透氣帶面積、瓦斯地段的長度、襯砌的厚度以及隧道斷面周長有關(guān)。

根據(jù)上式可知，瓦斯隧道的瓦斯泄露主要存在于隧道穿越煤層段，故瓦斯不同于隧道內(nèi)CO、煙塵等均勻分布的氣體、顆粒，瓦斯僅在隧道穿越煤層段存在泄露及聚集的可能。

瓦斯的泄露量除與隧道斷面周長Lγ以及隧道穿越瓦斯地段的長度LCH4有關(guān)，隧道襯砌厚度b、襯砌的透氣系數(shù)K以及可能的透氣面積S也是重要的影響因素，所不同的是，Lγ,LCH4，b，K,S在施工階段，這些值相對比較穩(wěn)定，但是在隧道運(yùn)營階段，由于環(huán)境對隧道襯砌的影響，以及瓦斯壓力的影響，近隧道層的瓦斯壓力p1，襯砌的透氣系數(shù)K以及透氣面積S會發(fā)生變化，但是這些值的測量非常困難而且其變化規(guī)律也難以確定，故上式對于運(yùn)營階段隧道通風(fēng)設(shè)計僅具有指導(dǎo)意義并不具備實(shí)際的可操作性。

2 瓦斯隧道運(yùn)營階段通風(fēng)設(shè)計

2.1 瓦斯隧道運(yùn)營階段通風(fēng)設(shè)計——單處瓦斯泄漏點(diǎn)需風(fēng)量

以下基于上述計算方法提出另外一種瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計的方法，根據(jù)《指南》5.1.2提出的按照瓦斯工區(qū)等級絕對瓦斯涌出量的判定指標(biāo)如下。

表1 瓦斯底層絕對瓦斯涌出量判定標(biāo)準(zhǔn)

目前尚沒有適用于運(yùn)營階段的瓦斯隧道的瓦斯涌出量的等級指標(biāo)，參考瓦斯工區(qū)等級，由于隧道穿越煤層，僅在部分隧道段存在瓦斯涌出，以作者參與設(shè)計的云南昭樂項(xiàng)目為例，經(jīng)與主體單位溝通交流，瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計按照瓦斯運(yùn)營階段低瓦斯隧道考慮，對于單處瓦斯涌出段，瓦斯涌出量取表1中低瓦斯涌出等級的上限值1.5 m3/min，所需的稀釋瓦斯的需風(fēng)量按照式(1)進(jìn)行計算如下：

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg=1.5×2/0.5%=10 m3/s。

上式中瓦斯涌出的不均衡系數(shù)同樣取《指南》中規(guī)定的上限值2，通過計算可知，對于運(yùn)營階段瓦斯工區(qū)等級判定為低瓦斯等級的瓦斯隧道，一處瓦斯工區(qū)所需的稀釋瓦斯的需風(fēng)量為10 m3/s。

2.2 瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量與隧道換氣需風(fēng)量

2.2.1瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量計算方法1

以云南昭樂項(xiàng)目杉木崗隧道為例，隧道通風(fēng)設(shè)計計算所得近期需風(fēng)量為248 m3/s，相對應(yīng)于2.1中計算的低瓦斯隧道單處瓦斯工區(qū)所需稀釋瓦斯的需風(fēng)量10 m3/s，隧道通風(fēng)設(shè)計可實(shí)現(xiàn)248/10≈25，即低瓦斯隧道25處低瓦斯工區(qū)瓦斯泄露的稀釋。

此計算方法具有一定的局限性，對如下數(shù)據(jù)的判定存在一定的模糊：1)運(yùn)營階段瓦斯區(qū)段的判定標(biāo)準(zhǔn)，通?？烧J(rèn)為隧道穿越煤層的區(qū)段；2)運(yùn)營階段瓦斯區(qū)段瓦斯泄露等級，該等級主要由區(qū)段內(nèi)瓦斯泄露涌出量Q絕(m3/min)確定，需要在隧道運(yùn)營階段對瓦斯區(qū)段不同位置進(jìn)行測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以得到，同時考慮到隧道襯砌透氣面積的變化、襯砌的透氣系數(shù)的不同，各區(qū)段的瓦斯泄露涌出量會有一定差異，需要在通風(fēng)設(shè)計中針對通風(fēng)的分段區(qū)段分別考慮該區(qū)段內(nèi)的稀釋瓦斯需風(fēng)量。

2.2.2瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量計算方法2

另外該《指南》中提出瓦斯隧道需風(fēng)量的另一種計算方法，即最小風(fēng)速需風(fēng)量計算公式：

Qreq(vmin)=vmin×A

(3)

其中，Qreq(vmin)為隧道全長最小風(fēng)速需風(fēng)量，m3/s；vmin為瓦斯隧道最小風(fēng)速，取1 m/s；A為隧道通風(fēng)斷面面積，m2。

根據(jù)最小風(fēng)速需風(fēng)量計算公式，瓦斯隧道全長最小風(fēng)速需風(fēng)量數(shù)值上等于隧道通風(fēng)斷面面積，隧道通風(fēng)設(shè)計參考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則,其中隧道換氣需風(fēng)量的計算公式如下：

Qreq(ac)=Vac×Ar

(4)

其中，Vac為隧道換氣風(fēng)速，不應(yīng)低于1.5 m/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2。

由式(4)計算所得的隧道換氣需風(fēng)量大于瓦斯隧道最小風(fēng)速需風(fēng)量，且隧道通風(fēng)設(shè)計取稀釋煙塵需風(fēng)量、稀釋CO需風(fēng)量以及交通阻滯和換氣的需風(fēng)量的較大值，故隧道通風(fēng)設(shè)計需風(fēng)量滿足瓦斯隧道需風(fēng)量的需求。

2.2.3總結(jié)

雖然從需風(fēng)量的角度上，隧道通風(fēng)設(shè)計可實(shí)現(xiàn)低瓦斯隧道運(yùn)營過程中低瓦斯泄露的稀釋，但是由于瓦斯泄漏點(diǎn)以及瓦斯泄露量的不確定性使瓦斯聚集到一定程度帶來了很大的危害性，故隧道通風(fēng)設(shè)計不能作為大量瓦斯泄露的應(yīng)對措施。

3 預(yù)防瓦斯事故

筆者認(rèn)為，預(yù)防瓦斯事故，首先應(yīng)從主體施工過程中隧道相關(guān)防護(hù)等級、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計以及主體施工中的瓦斯防治措施等入手，根據(jù)《指南》8.2.4瓦斯隧道運(yùn)營通風(fēng)應(yīng)符合以下要求：

1)瓦斯隧道在運(yùn)營中的濃度不得大于0.5%，超限時應(yīng)禁止通行，同時開啟全部風(fēng)機(jī)。

2)瓦斯隧道運(yùn)營中，橫通道內(nèi)應(yīng)設(shè)置換氣設(shè)施。

3)應(yīng)考慮通過隧道橫向排水管流入中心排水溝的瓦斯流出隧道后的排放措施。

4)需風(fēng)量計算除需考慮稀釋洞內(nèi)CO,VI,異味工況、火災(zāi)排煙等工況外，還應(yīng)包括防止洞內(nèi)瓦斯聚集工況。

根據(jù)《指南》瓦斯隧道運(yùn)營通風(fēng)應(yīng)在瓦斯隧道內(nèi)不同位置處尤其是隧道穿越煤層處以及隧道襯砌薄弱處設(shè)置瓦斯?jié)舛葯z測器，待瓦斯?jié)舛却笥?.5%，對隧道采用禁止通行措施，并同時開啟全部風(fēng)機(jī)。另外隧道橫通道內(nèi)容易造成瓦斯氣體的積累，應(yīng)設(shè)計排氣設(shè)施，需風(fēng)量的計算需考慮瓦斯聚集需風(fēng)量，根據(jù)式(3)，該需風(fēng)量小于隧道通風(fēng)設(shè)計的換氣需風(fēng)量，常規(guī)的隧道通風(fēng)設(shè)計可滿足瓦斯隧道最小風(fēng)速需風(fēng)量的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計中對于瓦斯氣體的考慮是對于穿越特殊地質(zhì)區(qū)域的隧道通風(fēng)設(shè)計的補(bǔ)充，目前國內(nèi)隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計中對瓦斯氣體的研究尚少，考慮到公路隧道的安全性，對瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計中瓦斯泄露工況還需要進(jìn)一步的研究。