紫坪铺隧道通风系统施工技术

刘建正

（中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000）

紫坪铺隧道通风系统施工技术

刘建正

（中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000）

紫坪铺隧道长2550米，瓦斯最大涌出量1.48m3/min。本文介绍通风系统巷道压入式通风技术，可为类似隧道施工通风借鉴。

瓦斯隧道；施工；通风；管理

1 紫坪铺隧道工程概况

紫坪铺隧道是国道317（213）线都江堰至汶川高速公路重点工程，隧道设计为基本平行的双洞，其中左洞长4090m，右洞长4060m；出口作业区任务：左右洞施工长度分别为 2550m和2515m（左洞 LK13+350～LK15+900、右洞 K13+385～K15+900）。

隧道地质情况十分复杂，有软弱围岩、高地应力、断层、涌水、煤层等不良地质。围岩瓦斯涌出量与地质构造十分复杂，岩层(煤层)及瓦斯分布具有明显的不均匀性，瓦斯压力0.172～0.83Mpa间，以裂隙瓦斯为主，存在局部瓦斯突出可能，是目前国内最新完成具有瓦斯突出危险的公路高瓦斯隧道。

2 通风系统阐述

2.1 一般隧道施工机械通风方式主要有压入式、抽出式、混合式、巷道式等四种方式。

根据本标段隧道实际情况（单洞长2550m）和以往隧道施工经验及施工通风结果，施工通风分三个阶段进行布设，第一阶段为隧道施工长度0～600m段，第二阶段为隧道施工长度600～1900m段，第三阶段为隧道施工长度1900～2550m段。

第一阶段采用的通风方式为独头压入式通风方式，适用隧道施工长度0～600m段，左右洞分别为独立的通风系统，横通道用风门封闭，风门采用砖块砌筑外贴土工布密封，避免漏风和循环风出现。本阶段单洞采用1台轴流风机，采用射流风机和局扇辅助通风。轴流风机放在洞外30m处。

第二阶段与第一阶段相同采用独头压入式通风方式，使用隧道施工长度600～1900m，因为通风距离增大，为确保隧道掌子面所需风量和风速，确保吹散瓦斯，在本阶段通风中单洞增加1台轴流风机，采用射流风机辅助通风，局扇吹散死角或瓦斯易积聚部位的瓦斯。

第三阶段采用的通风方式为巷道压入式通风方式，考虑到随通风距离的增加漏风率将不断增大，将左右洞轴流风机移至2#加宽段和2#车行横洞，采用射流风机诱导左线为进风巷，右线为回风巷，靠近掌子面的车行横通道为左右线间风流通道，其余横通道用风门封闭，风门采用砖块砌筑外贴土工布密封，避免漏风和循环风出现。采用局扇吹散死角或瓦斯易积聚部位的瓦斯。

2.2 掌子面至模板台车地段设置移动式局扇（将轴流风机安装在平板车上）配合软风管供风，以增加瓦斯易聚集地段的风速，防止瓦斯聚集。

2.3 在掌子面至模板台车地段的死角、塌腔等部位将高压风引出，根据瓦斯检测结果对其吹入高压风，将其聚集的瓦斯吹出，使之与回风混合后排出。

2.4 模板台车后横通道开挖后先采用定期、不定期打开风门并配合专用高压风管局部吹散的通风方式，确保横通道内瓦斯浓度不大于0.5%，风门打开的频率及时间根据现场瓦斯浓度监测情况决定。

2.5 在每个隧道的紧急避车洞处设置5.5KW局扇一台，以吹散该处聚集的瓦斯。

2.6 通风的连续性。施工期间应实施连续通风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。

3 通风系统设计

3.1 压入式通风设计

3.1.1 根据同一时间，洞内工作人员数计算

3.1.2 按照爆破作业确定风量

风管直径取1.5m，百米损耗率P100=2%，则风管漏风系数P=1.67

A-掘进巷道的断面面积，选择75m2

G-同时爆破的炸药量（kg），取160

临界长度

ψ-淋水系数，取 0.8，t-通风时间（min），取30

b－炸药爆炸时得有害气体生成量，根据本隧道实际情况取80

代入以上数据，

3.1.3 按照隧道瓦斯涌出量计算所需风量：

QCH4-单洞瓦斯最大涌出量1.48m3/min，此处考虑到左洞瓦斯通过右洞排出，取双洞最大涌出量2×1.48；K-瓦斯涌出的不均衡系数，取1.6；Bg-工作面允许的瓦斯浓度，取0.5%；Bg0-送入风流中的瓦斯浓度，取0。

3.1.4 按照瓦斯隧道洞内最小风速计算所需风量：

V-瓦斯隧道要求回风风速，取0.5m/s；洞身通风断面表A取75m3

综合上述计算，取风量最大值2250m3/min为本标段隧道施工所需风量。

3.1.5 风机及通风管选型

风机风量计算：Qm=PQ

式中：Q-计算所需风量；P-管道的漏风系数。

通风管百米损耗率P100=2%，全长漏风率按2%×4000/100=80%考虑，所以：

3.1.6 风压的计算

λ-达西系数取 0.015；D-风管直径配φ1.5m；L-供风长度取2550m。

通风管进口风量选择Qm=Q机/2=4050/2=2025m3/min，

通风管出口风量Q0=2250/2=1125m3/min，

图1

L-坑道全长（m）2550，ρ取1.2

3.1.7 风机选型

根据计算第三阶段左右洞各配山西侯马生产SDF（C）-N012.5型风机2台，功率为2×110KW，采用并联模式双管路进洞。参照风机性能曲线图（见图1SDF（C）-N012.5隧道风机性能曲线图），风机风量Qm=1462.5m3/min时，风压 P=5000Pa＞3128.7Pa。

3.1.8 通风管

通风管采用洛阳市高林隧道环境控制技术有限公司的阻燃、抗静电软风管，直径1.5m，百米损耗率p100=2%，直径为1.5m，模板台车至风机处风管每节20～30m，二衬台车至掌子面风管每节10m，风管因模板台车所限悬挂在隧道一侧拱腰处、两风管相距大于30cm。

3.2 巷道式通风设计

射流风机通风计算按最大值考虑，即计算取开挖掌子面达2550m处。参考通风布置图，设右洞洞口至4#行车横通道压降为P1、4#横通道压降为P2、射流风机至4#行车横通道压降为P3。

根据风压平衡关系：Pf≥P1+P2+P3

3.2.1 P1=P11+P12+P13

其中P11为沿程摩擦阻力、P12为局部摩擦阻力、P13为交通通风力。式中α查表取118×10-4kg/m3（隧道正洞）

ξ-局部阻力系数,可查ξ=0.62+2.5=3.12；ρ-重力加速度，通常取1.2Kg/m3

L为4#行车横通道长度，取34.06m；A为4#行车横洞断面面积，取35.65m2；Q为左洞主风机及射流风机供风量之和，Q=4050m3/min=67.5m3/s

风流所遇到的正面阻力

δ-正面阻力系数，当一列车走行时δ=1.15；当一列车或一斗车停放时δ=0.15；如两列（或斗车）停放间距超过1.0m时，则逐一相加；

Am-阻塞物断面积（m2）；L-取 2550m；A-二衬已施工断面面积60m2

式中α查表取39.2×10-4kg/m3（隧道正洞）

局部摩擦阻力P22同公式②，查表可知ξ=0.62+2.5=3.12

n为同一时间段内出碴车辆、进料车辆总和，取最大值7辆

Vt为洞内车辆速度，取 15km/h，即4.17m/s

为横通道内风速，Vr=67.5/60=1.125m/s

代入①、②、③式得P1=P11+P12+P13=6.71+1.65+16.68=25.04Pa

3.2.2 P2=P21+P22+P23

由《公路隧道通风照明设计规范》可知P21同公式①，

代入式①，可得P21=0.99Pa，其中ρ取1.2kg/m3、A 取 35.65m2、Q 同上取 67.5m3/s

由《公路隧道通风照明设计规范》可知P22同公式②，

代入式②，可得P22=4.66Pa

由《公路隧道通风照明设计规范》可知P23同公式③，

代入式③，可得P23=6.24Pa，

式中 Am 取 8.5m2、Ar 同上取 35.65m2、ρ取1.2kg/m3；n为同一时间段内出碴车辆、进料车辆总和，取最大值2辆；Vt为洞内车辆速度，取 10km/h，即 2.78m/s；Vr为横通道内风速，Vr=67.5/35.65=1.89m/s

故P2=P21+P22+P23=0.99+4.66+6.24=11.9Pa

3.2.3 P3=P31+P32

其中P31为沿程摩擦阻力、P32为交通通风力。

由《隧道施工通风与防尘》可知射流风机至4#行车横通道压降为P31，同公式①。

式中 α查表取 39.2×10-4kg/m3；L为射流风机至4#行车横通道距离，取2100m；A为衬砌后隧道断面面积，取60m2；U为隧道周长，取28m；Q为射流供风量，Q=1800m3/min=30m3/s

代入式①，可得P31=1.09Pa

由《公路隧道通风照明设计规范》可知交通通风力P32同公式③，

式中Am为汽车等效阻抗面积，Am=8.5m2；Ar同上取 60m2、ρ取 1.2kg/m3；n 为同一时间段内出碴车辆、进料车辆总和，取最大值6辆；Vt为洞内车辆速度，施工时进料和自卸汽车空车由左洞进入，左洞出碴车辆由距掌子面最近的车行横通道从右洞出碴，故车速取-2.78m/s；Vr为洞内风速，暂取0.5m/s

代入计算可得P32=5.49Pa

故P3=P31+P32=1.09+5.49=6.58Pa

3.2.4 根据风压平衡关系：Pf≥P1+P2+P3=25.04+11.9+6.58=43.52Pa

3.2.5 选择山西候马风机厂的SDS-Ⅱ-No10.0型射流风机，其出口风速38m/s（考虑厂商标称的为理论值，取1.5的安全系数，计算取 25.3m/s），出口面积 0.79m2。

根据《公路隧道通风照明设计规范》射流风机升压力

其中ρ取1.2kg/m3，Vj为射流风机的出口风速，取25.3m/s，Vr为洞内风速，暂取0.5m/s，Aj为射流风机的出口面积，取0.79m2，Ar为衬砌后隧道断面面积，取60m2，η为射流风机位置摩阻损失折减系数，查表取0.85。

代入式④，可得ΔPj=8.43Pa

施工通风布置图见图2、3、4。

3.2.6 射流风机的安装

射流风机的工作原理是：利用射流自身的卷吸升压作用，引导隧道内空气纵向流动。风机的出口动压引射风流，使巷道内的风量大于风机本身风量。射流风机的作用是控制风向，增大风速，使整个巷道成为真正意义上的风道。

4 风速、风量检测

通风系统安装后，组织技术人员进行通风系统效果检测，见表1，能满足高瓦斯隧道正常通风要求。

表1 通风系统效果检测表

5 通风管理

5.1 成立专人的通风安装、使用、维修、维护的通风班组，每天进行巡检。保证管路顺直，无死弯、漏洞，其开机人员每天按班组对风机运行进行记录登记。

5.2 通风系统安装后，首先，由经理部组织人员及集团公司有关专家对通风设施进行验收，确认通风效果是否与设计相符。其次，经理部组织相关人员每周对通风进行定期检查。

5.3 钻眼、喷锚、出碴运输、安装格栅钢架、掌子面塌方、塌方处理、瓦斯浓度大于或者等于0.5%时，风机要高速运转，加强检测确保洞内任一处瓦斯浓度降至0.5%以下才能施工。

5.4 风机的停运，关开、变速由监控中心专人负责调度指挥，并且做好相应的记录并签认后备查，其他任何人不准擅自停机。当移动模板台车时，风机采取低档位供风，以保证供风的连续性。

5.5 通风设施安装完正常运转后，每10天进行1次全面测风，对掌子面和其他用风地点，根据实际需要随时测风，每次测风结果做好记录并写在测风地点的记录牌上。若风速不能满足规范要求，采用适当的措施，进行风量调节。

5.6 每7天 在风管进风、出风口测一次风速及风压，并计算漏风率，如漏风率大于1%，分析查找原因，尽快改正，确保送至掌子面的风量与设计相符。

6 结束语

6.1 瓦斯隧道通风的主要目的是满足稀释瓦斯浓度，吹走瓦斯，确保不同部位的瓦斯浓度在限值范围内，因此随着隧道掘进深度的变化，检测的瓦斯浓度不断增大时，应分析原因，及时调整通风方案，如巷道式通风、巷道压入式通风等，以满足吹散瓦斯所需的风量和风速。

6.2 随着风筒的不断接长，风筒布和接头的漏风率增加特别快，很难保证掌子所需的风量和风速，要采取办法解决漏风问题。紫坪铺高瓦斯隧道通过采用大直径高质量风筒、减少风筒布接头、成立专门的通风班组、严格通风管理制度等，使得风筒漏风率较小，确保了掌子面所需的风量和风速需要。

图2 射流风机理想布置位置图

图3 射流风机原理示意图

图4 紫坪铺隧道射流风机布置图

6.3 根据设流风机的射流原理，射流风机布置的最佳位置在隧道断面的中央处，但由于影响施工，则在隧道中射流风机的最佳位置在仰拱面上2.0m、左（右）侧稍靠中线处，既能满足通风、施工要求，又便于检修。

[1]《隧道施工通风与防尘》，赖涤泉，1994年

[2]《隧道》中国铁道出版社，1999年

[3]《鹧鸪山高原隧道施工通风设计与实施》，陆茂成，2004年

[4]《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002,J160-2002），中国铁道出版社，2002 年

[5]《公路隧道通风照明设计规范》,交通出版社1999年

[6]《煤矿安全规程》，中国言实出版社，2001年