长大瓦斯隧道施工通风参数与设备选型

陈选生（中铁二十局集团有限公司，陕西西安　710016）



长大瓦斯隧道施工通风参数与设备选型

陈选生
（中铁二十局集团有限公司，陕西西安710016）

摘要以在建的成贵铁路兴隆坪隧道施工为依托，运用理论分析、现场验证等方法对高瓦斯隧道施工通风难题进行研究。在分析长大瓦斯隧道施工方法的基础上，确定了瓦斯隧道施工总体通风方案，计算了瓦斯隧道通风参数，选择了合理的通风机械设备。施工测算结果表明，确定的通风参数及设备可以保证隧道开挖掌子面、初支、仰拱、二衬以及洞口与洞身段通风效果，能够较好地排烟除尘和稀释瓦斯，可保证高瓦斯隧道施工安全。

关键词隧道工程；施工通风；参数；设备选型；瓦斯

对于高瓦斯特别是高瓦斯长大隧道施工，通风效果的好坏会直接影响隧道工程建设安全和施工进度。按照施工安全要求，正常隧道进行台阶法开挖时，巷道内风速不小于0. 25 m/s，如果要防止瓦斯聚集则风速不应小于1 m/s。

兴隆坪隧道位于四川省宜宾市长宁县境内，起讫里程D2K185 + 090—DK187 + 893，全长2 803 m，隧道洞身最大埋深约60 m，为单洞双线隧道。隧道DK185 + 090—DK186 + 379. 631段位于半径为9 000 m的曲线上，其余段位于直线段上。隧道内纵坡采用单面上坡，坡度为14. 5‰。兴隆坪隧道位于老翁场大型气田核心区，为高瓦斯隧道，通风条件较为恶劣。需要对隧道穿越高瓦斯区域整个过程的施工通风速度、通风阻力等参数进行详细计算分析，并据此选择合理的通风机械设备，才能保证工程施工顺利完工。

1长大瓦斯隧道施工方法分析

依照隧道施工技术［1-2］，按新奥法原理组织施工，严格遵循“超前探、管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则。根据围岩级别及周边环境分别采取开挖方法：Ⅲ，Ⅳ级围岩地段台阶法，Ⅴ级围岩地段采用台阶法附加临时仰拱法。当隧道靠近天然气管道时，为保证安全采用铣挖法开挖，锚网喷初期支护，仰拱超前，拱墙一次衬砌。对于埋深较浅地段按暗洞明作进行施工，位于松散堆积体、断层破碎带及软岩浅埋段隧道开挖采用管棚、型钢钢架等辅助措施。

Ⅴ级围岩段开挖遵循“稳扎稳打、稳中求快”和“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的原则，在做好长管棚注浆超前支护的前提下，按照设计方法进行开挖，开挖后立即喷5 cm厚素混凝土封闭围岩，及时进行初期支护。Ⅴ级围岩段富水时，可先进行超前帷幕注浆堵水再开挖。

2瓦斯隧道施工总体通风方案分析

按隧道通风技术［3-4］，根据隧道的工程特点及高瓦斯隧道通风要求，隧道进出口工区均采用压入式通风，施工通风布置见图1，风筒百米漏风率不应大于1％。施工期间连续通风，为更好地确保洞内通风效果，改善洞内作业环境，进洞作业的内燃机械均安装净化装置。

图1　隧道施工通风布置

3瓦斯隧道通风参数计算

依据隧道施工技术，按总体施工通风方案，主要考虑通风最为困难的正洞施工，必须能够较好地排烟除尘和稀释瓦斯。为此，需要对通风参数进行计算分析。

3. 1通风标准分析

根据瓦斯隧道的通风要求，结合隧道实际情况，确定其施工通风标准如下：①驱散瓦斯集聚的风速要＞1 m/s；②氧气含量，按体积≥20％；③瓦斯浓度＜0. 5％；④CO最高允许浓度0. 002 4％以下；⑤CO2浓度，按体积＜0. 5％；⑥氮氧化物换算成NO2，须0. 000 25％以下；⑦粉尘最大允许浓度，空气中含有10％以上游离二氧化物的粉尘浓度2 mg/m3；⑧洞内气温＜28℃。

3. 2通风风量计算

瓦斯隧道施工通风风量必须考虑多个方面，然后综合分析得出需要风量。

1）按瓦斯绝对涌出量计算

式中：K为风量备用系数，即考虑隧道漏风、瓦斯涌出不均衡所取的系数，取1. 6；Q绝为瓦斯绝对涌出量，取图纸参照值0. 5 m3/min，施工中据实测值调整；Bg为工作面允许瓦斯浓度，取0. 5％；Bg0为送入风流中瓦斯浓度，取0。

经计算可得Q1= KQ绝/（Bg- Bg0）= 1. 6×0. 5 / （0. 5％- 0）= 160 m3/min。

2）按洞内同一时间最多人计算

式中：k为风量备用系数，常取k = 1. 1～1. 2，此处取1. 2；m为洞内同时工作的最多人数；q为洞内每人每分钟需要的新鲜空气量，通常按4 m3/min计算。

计算得Q2= kmq = 1. 2×120×4 = 576 m3/min。

3）按同时爆破的最多炸药量计算

采用管道通风方式中的压入式，需风量为

式中：t为爆破后的通风时间，取t = 20 min；A为一次爆破所用装药量，正洞Ⅲ级围岩A = 300 kg，施工中据实调整；S为坑道断面面积，取S = 144 m2；L为坑道长度，取L = 46 m。

经计算Q3= 257 m3/min。

4）按内燃机作业废气稀释的需要计算

考虑工区掌子面配有1台ZL50C侧卸装载机（162 kW）、1台PC220挖掘机（125 kW）和4台红岩自卸车（12 m3，158 kW）内燃发动机，若同时工作其机械总功率为919 kW，按全负荷的65％效率计算工作功率，即919×0. 65 = 597 kW。

所需风量按以下公式计算

式中：a为内燃机单位功率每分钟所需风量，m3/（kW·min），取3；p为洞内同时作业内燃机的总功率，为597 kW。

经计算Q4= a×p = 3×597 = 1 791 m3/min。

5）按洞内最小允许风速计算

式中：Vmin为保证洞内稳定风流，为保证瓦斯隧道通风安全洞内掌子面风速≥0. 5 m/s，取0. 5 m/s；S为开挖断面的面积，取144 m2。

代入参数经计算得Q5= 60VminS = 60×0. 5×144 = 4 320 m3/min。

经以上计算确定所需风量最大值为4 320 m3/min。

6）漏风计算

按上述风量计算结果取最大值，通风机的供风量Q需除满足上述计算的所需风量外，还应考虑漏失的风量（送风最远距离按1 500 m计算），即

式中：Q为计算风量，为上述计算所需风量最大值，4 320 m3/min；P为漏风系数，取1. 18。

Q需= PQ = 1. 18×4 320 = 5 097. 6 m3/min

取整得Q需= 5 100 m3/min。采取2台220 kW的轴流风机和2条φ1. 5 m双抗加强风筒供风可以满足要求。

按风量Q需= 5 100 m3/min，S = 144 m2进行风速验算。

V验= 5 100 /（144×60）≈0. 59 m/s计算结果满足洞内最小风速Vmin= 0. 5 m/s的要求。但当洞内出现瓦斯层流时，应另专门制订瓦斯排放安全措施进行处理。

3. 3通风阻力计算

按风筒直径1. 5 m，长度1 500 m进行计算。

1）风筒摩擦阻力h摩计算

式中：n为风筒通风摩擦阻力系数，取0. 004；L为风筒长度，取风筒长度最大值1 500 m；d为风筒直径，取1. 5 m。

Q供为风筒供风量，Q供= Q需/（2×60）= 5 100 / （2×60）= 42. 5 m3/s

经计算，h摩= 9 276. 5 Pa。

2）总阻力H摩总计算

为简化计算，取H摩总= 1. 1h摩，则有H摩总= 1. 1× 9 276. 5 /2 = 5 102 Pa。

以上计算结果表明，本隧所配备风机需满足：Q需= 5 100 m3/min，风压P压= 5 102 Pa。

4　通风设备选型

参考通风技术［5-6］，根据正洞开挖掌子面所需风量Q需= 5 100 m3/min和风筒H摩总= 5 102 Pa两个参数，选用隧道施工专用变极轴流通风机。进口配置2 台220 kW，出口配置2台220 kW，进出口各配置2套（其中1套备用）长1 500 m、直径为1. 5 m的双抗加强软风筒（抗静电，阻燃材料）。

因V验= 0. 59 m/s＜1 m/s，在隧道洞内瓦斯易积聚区域设置局扇等辅助设备，以便在发现瓦斯浓度超标时，用以稀释瓦斯浓度，保证安全。根据本隧道实际情况及相关要求，在进、出口每个工区分别于掌子面、初支、仰拱、二衬处共设置8台2×2. 2 kW的局扇。所有机电及通风设备均采用防爆型，所选用通风机技术参数见表1。

表1　所选用通风机技术参数

5　通风效果及瓦斯监测分析

为得到隧道施工实际通风效果，对兴隆坪隧道进行通风效果及瓦斯监测并分析。结合实际情况，采取人工与自动相结合的监测方式，两者监测的数值相印证，避免误报现象。

人工检测瓦斯断面测点主要布置在以下位置：各种作业台车、电动机及开关附近20 m内的风流中；对瓦斯浓度超过0. 3％的地段（加强检测频率，做到不超过1 h检测一次），隧道洞室、断面变化处如电缆冗长腔、综合洞室、下锚段、局部塌方处；通风死角处如二衬台车端头、塌腔、超挖地段凹陷处；特殊工序如电焊作业、防水板焊接、止水带焊接等工序，必须全过程检测；超前地质预报作业的钻孔（或探孔）点；瓦斯可能渗出、积聚和产生火源的地点，如地质破碎带、地质变化地带、裂隙发育的砂岩、泥岩及页岩地带、电机附近、电气开关附近、电缆接头；其他瓦斯可能积聚和发生瓦斯事故的地点（根据各级领导和专项措施的要求按需设置），如放炮地点等处。

兴隆坪高瓦斯隧道施工即将完成，按上述计算得到的通风参数以及提出的设备可以满足施工需要。在隧道进出口施工端的掌子面、初支、仰拱、二衬以及洞口与洞身段均获得了较好的通风效果，能够较好地排烟除尘和稀释瓦斯，其瓦斯浓度均未超过0. 4％，可以保证高瓦斯隧道施工安全。

6　结论

1）长大高瓦斯隧道施工通风效果密切关系到隧道工程建设安全和施工进度，如果通风条件较为复杂，则需要对隧道穿越高瓦斯区域施工通风速度、通风阻力等参数进行计算论证，并选择合理的通风机械设备，才能保证工程施工顺利完工。

2）结合成贵铁路兴隆坪高瓦斯隧道实际计算得出的施工通风风量、通风阻力等参数选择的通风机械设备效果较好，可以保证高瓦斯隧道施工安全。

3）由于通风条件随着施工进程会有一定的变化，通风效果有待于进一步验证，建议后续依据验证结果对通风方式及参数进行合理优化。

参考文献

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［6］赵钰.特大断面长大高瓦斯隧道通风技术研究［J］.铁道建筑，2007（12）：39-41.

（责任审编赵其文）

Parameters and Equipment-type Selection for Construction Ventilation in Long and Large-Cross-Section Gas Tunnel

CHEN Xuansheng
（China Railway 20th Bureau Group Corporation，Xi'an Shaanxi 710016，China）

AbstractT aking the currently under-construction Xinglongping tunnel on Chengdu-Guiyang railway as study object，the difficulties of ventilation in the construction of gas tunnel were studied by means of theoretical analysis and in-situ verification. On this basis，the ventilation scheme was identified，the ventilation parameters were calculated and the reasonable equipment was selected. T he results show that the determination of parameters and equipment can ensure the ventilation effect of the tunnel face，the primary supporting，the invert，the secondary lining，the portal and the tunnel. It can be used to exhaust dust and dilute gas，which can ensure the workplace safety in the construction of high gas tunnel.

Key wordsT unnel engineering；Construction ventilation；Parameter；Equipment-type selection；Gas

中图分类号U453. 5

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 14

文章编号：1003-1995（2016）06-0051-04

收稿日期：2016-01-16；修回日期：2016-03-16

作者简介：陈选生（1964—），男，高级工程师。