穿越含有害气体地层的大直径、长距离泥水盾构隧道通风技术浅析

王海滨

（上海市合流工程监理有限公司，上海 200120）

1 工程概况

某越长江盾构隧道工程位于G15沈海高速苏通长江大桥附近，隧道（综合隧道）自南岸（苏州）始发工作井向北，下穿南岸长江大堤进入长江河道，依次穿过常熟港专用航道、长江主航道及营船港专用航道，而后下穿长江北岸大堤，抵达北岸（南通）接收工作井，隧道（综合隧道）总长度约5 468 m，盾构刀盘直径12.07 m，隧道内直径10.5 m。

2 有害气体赋存情况与渗入隧道可能性分析

根据地质详勘资料，有害气体主要分布在0+000～1+780的范围内，其中，成分甲烷（CH4）占85～88%、氮气（N2）占8%～10%、氧气（O2）占2%～3%.气体压力0.4～0.6 MPa。根据泥水盾构施工的特点，其泥浆循环系统将会是有害气体释放的主要通道，隧道中存在因管路泄漏的少量有害气体的可能性。

3 通风方案的选择

3.1 通风要求

给隧道内作业人员提供足够的新鲜空气，稀释并排出各种有害气体和粉尘，调节隧道内空气的温度、湿度，保证穿越有害气体地层段的施工安全。

3.2 通风方式的选择

隧道施工通风中，主要的通风方式有抽出式、压入式、混合式通风三种使用风筒通风的方式。

3.2.1 抽出式通风

把通风机安装在盾构机后方地面上，隧道内工作环境对通风机的运行安全不影响。新鲜风流沿隧道流入，污风通过负压（刚性）风筒由通风机排出。

3.2.2 压入式通风

通风机和启动装置安装在施工隧道之外的地面清洁环境处，多级通风机或串联风机把新鲜风流经风筒压送到盾构工作面，污风沿隧道排出。

3.2.3 混合式通风

抽出式通风与局部送风系统结合，有长压短抽与长抽短压两种方式，长压短抽方式时，施工隧道内污浊空气污染整个隧道，与压入式相比没有改善隧道的空气质量。长抽短压又分为前压后抽与前抽后压两类，前压后抽式主要用于有轨运输施工的隧道，抽出式通风管道用刚性风筒，造价高。

综合盾构隧道内渗入的有害气体的途径分析、通风运行成本与安全管理等因素，隧道内优先采用地面风机压入式通风为主导。具体布置如下：①盾构隧道段压入式双风机双风筒送风（DK0+700之前）。此时根据有害气体探测浓度，实施一台风机运行，另一台风机备用。②压入式双风机双风筒通风。（DK0+700～DK1+780，有害气体探测赋存量较大的区域）风机变频运行，回风平均速度0.5 m/s，以风量为基准调节电机频率。③DK1+780之后，长距离压入式双风机双风筒送风（定风量变频运行），以出风口风量恒定调节风机频率，并保证含有害气体地层区的隧道内的回风平均速度不低于0.5 m/s（DK0～DK1+780），实现风机节能。送风系统如图1所示。

图1 有害气体稀释通风区压入式通风

3.3 风筒出风量的计算

隧道及工业通风的主要目的为消除有害气体、粉尘、热害的影响以及人员身体健康的需氧量要求的送风量，选择其中的最大风量作为通风系统的风量。隧道施工通风量按照规范要求分别计算四种情况的需风量，取其中的最大值作为风筒出风量的设计值。

3.3.1 按排尘风速计算风量

按排尘风速计算风量，则：

式（1）中：V为允许最低风速，0.3 m/s；A为隧道结构面积。

3.3.2 按稀释有害气体浓度计算风量

隧道内泥浆管路泄漏引发有害气体溢出，计算公式为：

式（2）中：QCH4为掌子面有害气体涌出量，m3/min。

假定泥浆管有害气体溢出的量与泥浆管泥浆泄漏的量相等（无相关实测数据，本案考虑管路泄漏的流体全部为有害气体）。每小时泄漏在隧道内的有害气体体积为管路总流体容量的1%（参照城镇供热规范中供热管道的漏水量计算漏气量），此外，因为压力由0.9 MPa（地层最大压力）减小至0.1 MPa（一个大气压下），温度不变，由理想气体状态方程可知，其容积将扩大9倍，则：

式（2）（3）中：V为隧道内泥浆管最大容积，m3；BC为工作面允许甲烷浓度，取0.5%；BPC为送入工作面的风流中甲烷浓度，0%；K为有害气体涌出不均衡系数，K=1.5.

因缺少具体参考数据，稀释有害气体的通风量根据《煤炭工业矿井设计规范》计算。《煤炭矿井设计规范》7.1.4条支出，抽排有害气体专用巷道的风速不得低于0.5 m/s。因此，按照稀释有害气体最低风速0.5 m/s计算，稀释有害气体通风量：

式（4）中：S为允许最低风速，0.5 m/s；A为隧道结构面积。稀释有害气体最大风速的通风量大于排尘风速的通风量，因此，隧道掘进风筒出风量应选择最大风量2 596.4 m3/min。

3.3.3 按照盾构机自带风机供风量计算

盾构机自备风机的通风量为20 m3/s（1 200 m3/min），2台风机的送风量为2 400 m3/min，压入风量必须大于盾构机内置风机的引风量。

3.3.4 按照需氧量供应的通风量

根据《盾构法隧道施工及验收规范》12.0.9条规定，计算的供风量为：

式（5）中：V为允施工人员每分钟需风量；M为施工人员数量。

对以上5种计算方法计算的通风量大小进行比较，确定掌子面（盾构机引风机处）的送风量，取计算最大值2 596.4 m3/min为风筒末端出风量。

3.4 管道漏风计算

隧道行业一般采用青函隧道公式计算风机风量，计算公式如下：

计算需要考虑风机与风筒的漏风备用系数，Ψ为漏风备用系数为百米漏风率。

考虑风机需要具有一定的裕量，经计算风机总出风量为60 m3/s，单台风机为30 m3/s。

3.5 风机出口风压计算

经计算通风系统总风阻为7 480.1 Pa，当通风机风压大于总阻力时，含有害气体地层隧道内回风速度不小于0.5 m/s，DK4.5～DK5.4段内回风速度约0.45 m/s，可以保证满足除尘、排除汽车尾气、隧道内工作人员需氧量的要求。

3.6 通风管选择

因为在隧道施工中采用压入式通风，极有可能遇到有害气体。为了防止事故发生，出于对经济性和适用性的考虑，本工程选用PVC拉链式高强度阻燃风管，其参数为φ1.5 m、每节100 m、平均百米漏风率≤0.5%.

3.7 风机选择

选择法国产ECE轴流风机，型号T2.140.4×75.4，共2台。匹配进口风机直径1 400 mm，4级风机，单级电机功率75 kW。风机风量30 m3/s，风压为7 675 Pa，满足计算要求。

4 通风系统安装要点及效果

4.1 风机安装

根据安全规程的要求，压入式局部通风机和启动装置安装在进风巷道中，距掘进巷道回风口不得小于10 m。因此，地面通风机设置位置距离工作井至少不低于20 m，距离泥浆池也不应低于20 m。地面风机进风口，保持清洁，无污染源。如设在施工斜坡通道的S7横梁处，其前后20 m范围内的工作井、施工通道必须用密封盖板将施工通道与工作井的部分井口覆盖密封，无泄漏。风机吸入口距地面2.0 m，防止吸入地面杂物与粉尘。

4.2 风筒安装

由于送风距离长，风筒风压大，选用带刚性圈的柔性风筒。且风筒具有阻燃、防水、防静电的功能，耐风压大于10 000 Pa。压入式风筒出口到盾构机风机吸入口的距离为2.7 m。柔性风筒采用拉链连接并要求配备性能良好的密封垫，风筒在隧道拱顶吊装。双风筒并排吊装在管片处的螺栓下，每2 m设1个吊装挂钩。风筒安装时，为带压移动安装，风筒事先装在出风箱内（100 m柔性风筒），随盾构机前进装设风筒吊架；出风箱内的风筒轮流更换或者检修班更换柔性风筒。出风口朝向盾构机自带风机吸入口，使得盾构机吸入新鲜风流。距离风机出口段较近的柔性风筒设风压监测传感器，靠近盾构机压入风筒的出风口设置风速与温度传感器，确保有害气体稀释通风区回风平局速度应不小于0.5 m/s，温度不高于30℃。

4.3 通风效果

通过定期对隧道回风速度、有害气体气体浓度进行检测，均达到设计要求，隧道有害气体气体浓度低于0.5%，隧道回风速度不小于1 m/s。

5 结束语

本工程穿越含有害气体地层大直径、长距离泥水盾构采用盾构隧道段压入式双风机双风筒送风，取得了良好通风效果，大幅度提高了隧道内的通风系统工作能力，将隧道内有害气体浓度降低至规范要求以下，满足了盾构隧道的施工安全要求。本文可为类似穿越赋存有害气体的大直径、长距离盾构工程施工提供可靠借鉴。

参考文献：

［1］杨立新，赵军喜，郝然.隧道中双软管混合式通风的风量问题［J］.世界隧道，2000（09）：282-287.

［2］李新.长距离独头巷道掘进的通风技术研究［J］.矿业安全与环保，2012，39（02）：45-46，49.

［3］赖涤泉.隧道施工通风与防尘［M］.北京：中国铁道出版社，1994.