低瓦斯隧道施工通風(fēng)方案研究

黃晉睿HUANG Jin-rui

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實(shí)施和深化，近年來，越來越多的公路、鐵路等交通工程在西部地區(qū)落地施建。在我國西部山區(qū)中，具有地質(zhì)構(gòu)造和地理環(huán)境特殊，地質(zhì)地形復(fù)雜，山區(qū)地形陡峭，生態(tài)環(huán)境敏感性強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，經(jīng)常遇到泥石流、滑坡、落石、采空區(qū)、巖溶、有害氣體、冰川、溶洞、高地應(yīng)力、高地溫、膨脹土、軟土、鹽巖、冰磧層等影響施工的地質(zhì)問題[1]。其中有害氣體就包括瓦斯氣體。公路隧道遇到瓦斯多出現(xiàn)在煤系地層，具有爆炸性、滲透性、不穩(wěn)定性和窒息性。

瓦斯突出、瓦斯涌出是施工過程中發(fā)生的一種瓦斯的突然劇烈運(yùn)動并造成十分巨大的動力效應(yīng)現(xiàn)象，會造成很大的破壞性，誘發(fā)因素復(fù)雜，與空氣混合到一定濃度時，可能會造成瓦斯爆炸等事故的發(fā)生。瓦斯的存在，為隧道施工安全與質(zhì)量帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)通風(fēng)是搞好瓦斯隧道安全施工的有效手段，隧道通風(fēng)是非常有效的改善施工環(huán)境、保障施工過程掌子面空氣流通安全的措施；同時在隧道建成后可保證隧道內(nèi)的運(yùn)營環(huán)境，加強(qiáng)通風(fēng)換氣；對于瓦斯隧道來說，隧道通風(fēng)也可有效降低施工過程中遇到的瓦斯?jié)舛?，降低施工風(fēng)險(xiǎn)[2]。

眾多專家學(xué)者針對隧道瓦斯這一復(fù)雜問題，做出了深入研究。M.A.Berner和J.R.Day[3]研究提出了針對特長公路隧道，由于上下行通風(fēng)負(fù)荷不均勻雙向換氣方法的“雙洞互補(bǔ)”的概念；夏豐勇[4]等基于“雙洞互補(bǔ)”的基礎(chǔ)上，提出了通過隧道需風(fēng)量的計(jì)算和優(yōu)化，提高經(jīng)濟(jì)效益的方案；蔣學(xué)猛[5]利用Fluent軟件對建立的互補(bǔ)式通風(fēng)換氣系統(tǒng)模型進(jìn)行計(jì)算，對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)提供了實(shí)施推廣的借鑒意義，但卻未考慮利用斜井通風(fēng)的方案。王永東[6]等在分段式縱向通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，增加利用橫通道對主洞進(jìn)行輔助通風(fēng)，將風(fēng)量富裕的下坡隧道的多余風(fēng)量，補(bǔ)償至上坡隧道，以達(dá)到更加充足的通風(fēng)目的；李小勇[7]通過對瓦斯隧道需風(fēng)量的計(jì)算，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，得到一套公路低瓦斯隧道通風(fēng)的方案。劉輝[8]等通過定量改進(jìn)HAZOP計(jì)算模型，結(jié)合通風(fēng)參數(shù)的偏離情況，按照偏離等級有針對性地采取控制措施，此方法對瓦斯隧道各工區(qū)不同施工通風(fēng)階段、不同參數(shù)的偏差分析需求均有一定的適用性，提升瓦斯隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)安全管理水平和改善瓦斯隧道施工安全生產(chǎn)狀況。

1 工程概況

1.1 工程簡介

四川省仁壽至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程，建設(shè)地點(diǎn)位于四川省樂山市沐川縣，公路全線由北向南途經(jīng)眉山、樂山及宜賓三市，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，路線主線長158.029km，馬邊支線長43.799km，路線全長201.828km。

五指山隧道為仁沐新高速公路控制性工程之一，隧道最大埋深995m，為雙洞隧道，左線全長9392m，右線全長9405m，兩線相距30m，中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司負(fù)責(zé)施工標(biāo)段涉及4872m/0.5座。設(shè)計(jì)縱坡1%-0.8%，平面線型R=1000/∞/1780/∞/1500，隧道設(shè)計(jì)速度為80km/h，建筑限界10.25×5m。兩線相距30m，隧道凈空高度為7.12m，寬度達(dá)11.2m。隧道大角度（近正交）穿越五指山背斜核部，穿越地層受多次構(gòu)造運(yùn)動的影響，巖層破碎、構(gòu)造較復(fù)雜、節(jié)理裂隙發(fā)育，拱頂圍巖自穩(wěn)性差，特別是位于背斜翼部的轉(zhuǎn)折端以及其影響帶，巖層變形更為強(qiáng)烈、次級小斷裂（錯動）及其破碎帶較為發(fā)育。通風(fēng)方案采用單無軌斜井兩區(qū)段送排式通風(fēng)，斜井長1720m，坡度8.57%，其中左線Ⅳ級圍巖4354m，Ⅴ級圍巖516m；右線Ⅳ級圍巖4310m，Ⅴ級圍巖565m。

1.2 瓦斯及其他有害氣體情況

三迭系下統(tǒng)香溪群（T3～J1x），分布于五指山南西坡，巖層單斜，節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，受地質(zhì)構(gòu)造影響較重～嚴(yán)重，封閉條件較差，傾斜～急傾斜煤層厚度一般≤0.3m，屬碎裂～原生結(jié)構(gòu)煤，生烴類煤及煤系地層埋深100～400m。瓦斯有一定的封閉與聚集條件，以涌出形式為主。擬建隧道穿越五指山山脈，隧道穿越地帶，屬低瓦斯工區(qū)，按低瓦斯隧道設(shè)計(jì)施工。煤巖地層、瓦斯等級及設(shè)防段落詳見表1。針對五指山隧道實(shí)際情況，施工中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)、排氣和監(jiān)測措施。

表1 煤巖地層、瓦斯等級及設(shè)防段落

2 瓦斯隧道施工通風(fēng)

2.1 通風(fēng)方式

利用隧道斜井，為左、右洞分別設(shè)置送、排風(fēng)道，具體布置詳見圖1。

圖1 送、排風(fēng)道布置圖

壓入式、抽出式、混和式、巷道式及利用輔助坑道通風(fēng)等是較為常見的幾種隧道施工機(jī)械通風(fēng)方式。壓入式通風(fēng)方式是通過軸流風(fēng)機(jī)將外部新鮮空氣通過風(fēng)管輸入至掌子面，內(nèi)部的污濁空氣沿隧道反向排出，長隧道（2km左右長度）多采用此通風(fēng)方式。抽出式通風(fēng)是利用軸流風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管把工作區(qū)域的污濁空氣抽出，而新鮮空氣則可以順?biāo)淼肋M(jìn)入，與壓入式通風(fēng)方式工作原理正好相反，抽出式通風(fēng)須采用硬質(zhì)風(fēng)管?；旌褪酵L(fēng)系統(tǒng)中，以抽出式風(fēng)機(jī)作為主風(fēng)機(jī)，壓入式風(fēng)機(jī)作為輔助風(fēng)機(jī)，綜合壓入式和抽出式通風(fēng)方式的有點(diǎn)，使得通風(fēng)效率更高。巷道式通風(fēng)是采用射流技術(shù)，兩隧道的掌子面的新鮮風(fēng)流由軸流風(fēng)機(jī)通過風(fēng)管供給，使其中一條隧道作為進(jìn)風(fēng)巷，另外一條隧道作為回風(fēng)巷，利用輔助通道進(jìn)行通風(fēng)，主要運(yùn)用在特長隧道施工過程中，同時為縮短通風(fēng)距離常利用平導(dǎo)坑、斜井、豎井等作為輔助通風(fēng)坑道，主要布置方式有雙巷式和混和式通風(fēng)。

五指山隧道設(shè)計(jì)長度、瓦斯段長度較長，同時設(shè)計(jì)有較長的斜井，常規(guī)通風(fēng)方式不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，隧道瓦斯段基本情況詳見表2。

表2 五指山隧道瓦斯段基本情況

根據(jù)本隧道施工的現(xiàn)實(shí)情況，通過計(jì)算，采用分段進(jìn)行通風(fēng)布設(shè)的方案，具體分為兩個階段，第一階段長度為起始段至700m左右長度位置，第二階段順接第一階段至合同段結(jié)束。

第一階段采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式，將隧道左右洞分別作為兩個獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，采用射流通風(fēng)，左右線掌子面的新鮮空氣由布置于洞口的軸流風(fēng)機(jī)提供，射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)污濁空氣從隧道中排出，橫通道予以封閉，確保無漏風(fēng)和循環(huán)風(fēng)，風(fēng)管軸流風(fēng)機(jī)放在洞外30m處，兩管在同一鉛垂上面上，風(fēng)管間相錯開約30cm左右，風(fēng)速計(jì)算按稀釋瓦斯、排除開挖放炮及出渣灰塵、消除頂層瓦斯聚集、回風(fēng)流沼氣濃度不超限所需風(fēng)量三方面考慮，取三者需風(fēng)量的最大值。第二階段采用巷道式通風(fēng)方式，利用射流通風(fēng)，軸流風(fēng)機(jī)布置在隧道內(nèi)部，距離施工掌子面700m左右，以射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)左洞為進(jìn)風(fēng)巷，右洞為回風(fēng)巷，左右洞掌子面的新鮮空氣均由軸流風(fēng)機(jī)提供，利用靠近掌子面的車行橫洞作為聯(lián)通風(fēng)道，以后橫洞予以封閉，確保無漏風(fēng)和循環(huán)風(fēng)出現(xiàn)。斜井長度為1602m，采用壓入式通風(fēng)方式。瓦斯隧道通風(fēng)方案應(yīng)按照工區(qū)進(jìn)行劃分，每個工區(qū)中采用獨(dú)立的巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。在施工過程中，需設(shè)置專門的通風(fēng)管理小組，專門負(fù)責(zé)通風(fēng)系統(tǒng)各設(shè)備的日常管理和檢修，定期對洞內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)量、氣溫、氣壓、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并作出詳細(xì)記錄臺賬，計(jì)算記錄不同時段的有效風(fēng)量。施工期間，還需保證隧道內(nèi)的連續(xù)通風(fēng)，在特殊情況下出現(xiàn)停風(fēng)情況時，應(yīng)及時停止工作，撤出作業(yè)人員，切斷一切電源，防治出現(xiàn)瓦斯爆炸，恢復(fù)通風(fēng)前也需要先檢查洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，防止電力引燃?/p>

因本隧道為低瓦斯隧道，選用布置在隧道內(nèi)的局扇、射流及軸流風(fēng)機(jī)均為防爆型。高壓風(fēng)采用洞外電動空壓機(jī)組成的壓風(fēng)站集中供風(fēng)，左右線采用統(tǒng)一設(shè)置200m3空壓站1座；高壓風(fēng)管選用φ200mm無縫鋼管，入洞后利用托架布置在隧道邊墻上，沿全隧道通長布置。主風(fēng)管間隔300～500m安裝閘閥和三通閥，風(fēng)管前段距開挖面30m的主風(fēng)管頭接分風(fēng)器，利用高壓軟管分接至各風(fēng)動機(jī)具。在洞口設(shè)一座100m3空壓機(jī)站，供應(yīng)斜井施工用風(fēng)。通風(fēng)機(jī)供電必須要有兩個回路。通風(fēng)機(jī)必須設(shè)專人負(fù)責(zé)管理。

風(fēng)機(jī)采用吊式安裝，其中心軸線與隧道軸線平行，每組兩臺，沿隧道縱向布置，構(gòu)成并聯(lián)、串聯(lián)運(yùn)行，安裝位置的里程誤差為2m，安裝高度誤差為5mm，且風(fēng)機(jī)下沿距車輛限界15~20cm。風(fēng)機(jī)安裝時要求每臺風(fēng)機(jī)均能手動及自動開、停。風(fēng)機(jī)需既可獨(dú)立運(yùn)行，又可成組運(yùn)行，可以在實(shí)際運(yùn)行過程中隨時靈活調(diào)整風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。

2.2 需風(fēng)量計(jì)算

隧道施工通風(fēng)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 隧道施工通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

與常規(guī)隧道施工通風(fēng)相比，瓦斯隧道需風(fēng)量增加了稀釋瓦斯需風(fēng)量，同時瓦斯隧道最小風(fēng)速與非瓦斯隧道有區(qū)別，其他一致。

瓦斯隧道施工通風(fēng)需風(fēng)量分為兩部分，一部分為掌子面需風(fēng)量，另外一部分為回風(fēng)巷需風(fēng)量，其中掌子面需風(fēng)量主要有：①洞內(nèi)工作人員需風(fēng)量Q1；②爆破作業(yè)需風(fēng)量Q2；③稀釋瓦斯需風(fēng)量Q3；④掌子面機(jī)械需風(fēng)量Q4；⑤掌子面最小風(fēng)速需風(fēng)量Q5，掌子面需風(fēng)量取其中最大值QMAX?；仫L(fēng)巷需風(fēng)量主要有：①最小風(fēng)速需風(fēng)量；②作業(yè)機(jī)械需風(fēng)量，回風(fēng)巷需風(fēng)量取最大值。通過計(jì)算可得：當(dāng)有機(jī)械作業(yè)時段，掌子面需風(fēng)量由洞內(nèi)作業(yè)機(jī)具需風(fēng)量決定，無機(jī)械作業(yè)時段需風(fēng)量由最小風(fēng)速決定，詳見表4。

表4 需風(fēng)量計(jì)算表

根據(jù)通風(fēng)方式的選擇以及需風(fēng)量的計(jì)算，最終確定風(fēng)機(jī)數(shù)量以及風(fēng)機(jī)功率，據(jù)此合理安排施工現(xiàn)場用電以及風(fēng)機(jī)布置。詳見表5。

表5 現(xiàn)場風(fēng)機(jī)布置表

3 結(jié)論

本文通過對中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司負(fù)責(zé)施工的四川省仁壽至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程五指山隧道不良瓦斯地質(zhì)情況以及現(xiàn)場施工需求進(jìn)行調(diào)查研究，選擇合理的通風(fēng)方式，并對需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，最終確定現(xiàn)場實(shí)施的通風(fēng)方案，同時依據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以靈活調(diào)整有無機(jī)械作業(yè)時的通風(fēng)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。瓦斯涌出、突出前后，會伴隨著地應(yīng)力、瓦斯和煤巖的地質(zhì)構(gòu)造與力學(xué)性質(zhì)的種種異常表現(xiàn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)防瓦斯措施、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，不斷完善瓦斯檢測制度、瓦斯?jié)舛裙芾淼纫恍┝写胧?，從而確保隧道施工安全有序的開展。