浅谈城市高瓦斯暗挖法隧道通风机选型技术

张哲宁， 祁海峰， 李小庆

(中国水利水电第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

随着城市化的快速发展，各个城市均出现城市隧道及地下交通建设。暗挖法施工颇受欢迎，并在城市隧道及地下交通工程施工中应用较广。高瓦斯、浅覆土城市地铁暗挖隧道具有施工难度大、安全风险高、瓦斯监测防控难度大等特点，而处理瓦斯隧道，通风是最好的手段。科学、合理、正确地选择风机尤为关键。本文通过成都地铁18号线施工经验，总结、分析、提炼出安全和可靠的风机选型与布设方法，为后续工程提供借鉴。

成都地铁18号线海昌路站～福州路站暗挖隧道沿天府大道东侧敷设，从北往南分别是武汉路支路段(80 m)、武汉路主路段(65 m)及杭州路段(117 m)。杭州路段采用B型衬砌断面。沿线路方向杭州路暗挖隧道双线均为5.4‰下坡，杭州路暗挖段洞深最小埋深约8 m。杭州路暗挖隧道平面、断面见图1、2。

图1 杭州路暗挖隧道平面

海昌路站～福州路站区间隧道穿苏码头油气田，根据地勘报告，在沿线不同地段均测出有不同程度的瓦斯分布。有害气体主要有浅层天然气(CH4)、一氧化碳(CO)气体。隧道浅层天然气单位时间最大涌出量估算值为2.31 m3/min。根据地勘资料，武汉路支路隧道、主路隧道为高瓦斯段，杭州路隧道为低瓦斯段。

图2 杭州路暗挖隧道断面(单位：mm)

1 通风设计

1.1 通风设计标准

隧道在整个施工过程中，依据《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)，作业环境应符合下列职业健康及安全标准：

(1)空气中氧气含量。按体积计不得小于20%。

(2)粉尘容许浓度。每立方米空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2 mg。

(3)瓦斯隧道装药爆破时，爆破地点20 m范围内，风流中瓦斯浓度必须小于1.0%；总回风道风流中瓦斯浓度应小于0.75%；开挖面瓦斯浓度大于1.5%时，所有人员必须撤至安全地点。

(4)有毒、有害气体最高容许浓度：一氧化碳最高容许浓度30 mg/m3，在特殊情况下施工人员必须进入作业面时，浓度可为100 mg/m3，但工作时间不得大于30 min；二氧化碳按体积计不得大于0.5%；氮氧化合物(换算成NO2)为5 mg/m3以下。

(5)隧道内气温不得高于28℃。

(6)隧道内噪声不得大于90 dB。

1.2 通风设计参数

(1)瓦斯。根据《成都轨道交通18号线麓博区间岩土工程勘察报告资料》，杭州路B型断面隧道属低瓦斯隧道，有害气体主要为浅层天然气，浅层天然气单位时间最大涌出量估算为2.31 m3/min。

(2)爆破排烟。根据《成都地铁瓦斯隧道施工安全技术指导书》中通风要求：武汉路处两段隧道为高瓦斯工区，放炮后应至少通风30 min；杭州路隧道为低瓦斯工区，放炮后应至少通风15 min。

(3)人员呼吸。根据《成都地铁瓦斯隧道施工安全技术指导书》中要求：每人每分钟至少供给新鲜空气量4 m3/min；采用内燃机械作业时，供风量不应小于3 m3/(min·kW)。

(4)隧道施工通风风速。根据《成都地铁瓦斯隧道施工安全技术指导书》中要求：瓦斯工区最低风速不应小于1.0 m/s，最高风速不应大于6 m/s：瓦斯的扩散速度比空气大1.6倍，易透过裂隙、结构松散层溢(涌)出。当风速在0.3 m/s时，甲烷会从发生点反流形成甲烷带。当风速为0.5 m/s时，甲烷几乎不会发生反流，但也会形成甲烷带。当风速大于1 m/s时，甲烷散乱，则不会形成甲烷带，不会在拱顶上部聚积。在通风需风量计算过程中采取风速不小于0.5 m/s，对二衬支架、掌子面等瓦斯可能产生积聚地段，通过增设局扇风机，达到《铁路瓦斯隧道技术规范》要求的最低风速(小于1 m/s)。

(5)风筒及漏风率。根据《成都地铁瓦斯隧道施工安全技术指导书》中通风设备要求：压入式通风管选用螺旋连接通风筒，直径Φ1.2 m，风筒具有高强度、抗静电、阻燃柔性能，每节长度20 m，柔性风筒百米漏风率P100取2%。

(6)气象要素。根据《成都轨道交通18号线麓博区间岩土工程勘察报告资料》，隧址区年平均气温16.2℃，年平均气压956.4 hPa，年平均相对湿度82%，空气密度对隧道施工通风影响较小，本设计暂不考虑。

(7)隧道施工采用内燃机械作业，无轨运输出渣。装载机隧道内设计标准车速为5～10 km/h。

(8)隧道开挖采用光面爆破技术，根据爆破方案中炸药用量计算，有效爆破深度取1 m；单位体积炸药用量取0.9 kg/m3。

2 通风方案

风机选型主要根据通风需风量、风筒通风阻力以及以往施工经验确定。瓦斯隧道需要的风量，须按照爆破排烟、同时工作的最多人数、稀释洞内瓦斯绝对涌出量分别计算，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值。

杭州路B型衬砌断面：根据《铁路隧道工程施工安全技术规程》(TB10304-2009)：隧道施工独头掘进长度超过150 m时，必须采用机械通风。考虑隧道开挖约50 m，且出土孔位于隧道洞口上方，自然通风良好，故计算风量时按二衬断面面积考虑。

2.1 杭州路B型暗挖段风机选型计算

2.1.1 需风量计算

(1)根据同一时间，洞内工作人员数计算。

Q=q×k×m

(1)

=1.2×30×4=144 m3

式中，k为风量备用系数，采用1.2;m为同时在洞内工作人数，取30人;q为每个工作人员所需新鲜空气，4 m3/(min·人)。

(2)按爆破排烟计算风量。

(2)

式中，t为通风时间，取15 min；S为隧道断面面积，为62.6 m2；A为一次爆破炸药用量，kg。

A=S×l×b

(3)

=62.6×1×0.9=56.34 kg

式中，l为循环进尺，取1 m；b为单位炸药用量，取0.9 kg/m3；L0为炮烟抛掷长度，m。

(4)

式中，k0为安全系数，取1.5。

将k0代入式(2)，即：

(3)按稀释洞内使用内燃机废弃计算。

(5)

式中，单位功率需风量为3，m3/(min·kW)；Ni为第i台柴油机械设备功率，kW；ηi为第i台柴油机械设备综合效率系数。

根据前期筹划，杭州路B型暗挖断面拟采用机械设备配置情况详见表1。

表1 杭州路B型暗挖断面机械配置

由表1中的数据：

Q=3×(162×0.8+110×0.8+

30×0.8)=724.8 m3/min

(4)按瓦斯涌出量计算。

(6)

=924 m3/min

式中，q为掌子面瓦斯涌出量，取2.31 m3/min；Ca为掌子面允许瓦斯浓度，取0.5%；Co为送入掌子面风流中的瓦斯浓度，取0；K为瓦斯涌出不均衡系数，取1.5～2.0。

(5)按允许最小风速验算。

按允许风速计算风量时，参照了《煤矿安全规程》和《铁路瓦斯隧道技术规范》两个标准，但差别较大；为确保安全，对本隧道最低风速按0.5 m/s进行通风设计，对模板、踏腔、掌子面等瓦斯可能产生积聚地段通过增设局扇风机，达到《铁路瓦斯隧道技术规范》要求的最低风速(小于1 m/s)。

60v低·S≤Q≤60v高·S

则1 879.3 m3/min≤Q≤23 594.4 m3/min

式中，v为允许风速，瓦斯工区最低取0.5 m/s，最高取6 m/s；S为隧道断面面积，为62.6 m2。

(6)最大风量确定。由前面计算结果知：Qmax=1 879.3 m3/min，则：

Q供=KPQmax

(7)

式中，K为高原修正系数，不受影响，取K=1；P为风筒漏风损失修正系数，按百米漏风率(P100)通风管Φ1.2 m取2%，即：

Q供=KPQmax=1×1.035 2×1 879.3

=1 922 m3/min=32 m3/s

2.1.2 通风阻力计算

h=hf+hx

(8)

式中，h为风筒通风阻力，Pa；hf为风筒摩擦阻力，Pa；hx为风筒局部阻力，Pa。

杭州路B型暗挖段为低瓦斯工区，通风管拟选用直径Φ1.2 m PVC增强塑纤布拉链式柔性风筒。

(1)风筒摩擦阻力系数计算。

(9)

=0.002 66 N·S2/m4

式中，α为风筒摩擦阻力系数，N·S2/m4；λ为风筒摩擦系数，又称达西系数，Φ1.2 m柔性风筒取0.017 7；ρ为空气密度，取1.20 kg/m3。

(2)风筒风阻计算。

(10)

=1.283 N·S2/m8

式中，Rf为风筒风阻，N·S2/m8；D为风筒直径，均为Φ1.2 m。

(3)风筒摩擦阻力计算。

(11)

=1 287.4 Pa

式中，QL为通风机吸入风量，m3/s。

(4)风筒局部阻力计算。

(12)

=578.2 Pa

式中，ξ为风筒局部阻力系数，N·S2/m4；A为风筒断面积，m2。

(5)风筒通风阻力计算。

h=hf+hx

(13)

=1 287.4+578.2=1 865.6 Pa

2.2 通风机型号选择

风机选型计算结果汇总见表2。

表2 风机选型计算结果

通风机型号的选择主要考虑以下三个条件：

(1)通风机产生的风量不能小于理论计算风量；

(2)通风机直径与选取通风管直径不能差别太大；

(3)风机全压值不小于管道总阻力。

根据以上三个条件及计算结果，选择隧道轴流通风机，确定的风机种类如表3所示。

表3 瓦斯隧道风机布置

2.3 局扇选择

隧洞内为避免瓦斯积聚，在隧洞掌子面、二衬支架、杭州路横通道、瓦斯容易积聚的空间等位置布置局扇，实施局部通风的方法，消除瓦斯积聚。局扇选用FBYNo 4.0/5.5型矿用隔爆轴流局部通风机，主要性能见表4。

3 隧道施工通风设备技术措施

3.1 风 机

(1)压入式通风机安设在出土孔范围外不小于20 m处，避免吸入洞内排出的污风。根据现场实际情况，拟将风机安装在工区地面上空旷处新鲜风流中，通过风筒连接向隧道内供风。每台风机后设置同等性能备用风机，并保持性能良好，当主风机发生故障时，保证备用风机能在10 min内启用供风。

(2)通风机前后10 m范围内不得堆放杂物，通风机进口应设置铁箅，并安设保险装置。

(3)轴流风机的基础应水平、坚固，通风机及电动机组件安装在整块钢支架上，钢支架与基础之间必须增加橡胶减振垫，且钢支架要安装在基础顶部的减振垫上。另外，钢支架须固定在混凝土基础上，减振垫宜采用多孔型橡胶板。

(4)风机支架应稳固结实，风机出口处设置加强型柔性管与风管连接，风机与柔性管结合处应多道绑扎，减少漏风。

(5)风机安装采用20 t吊车进行吊装，吊车作业必须持有特种作业证。

3.2 风 筒

(1)选用高强度、抗静电、阻燃柔性风筒，风筒必须有出厂合格证，使用前应进行外观检查，保证无损坏，黏接缝牢固平顺，接头完好严密。

(2)风筒挂设在隧道顶部，吊挂高度大于4.5 m，应做到平、稳、直，无扭曲和褶皱。在初支施工作业时，每5 m标出螺栓位置，然后用电钻打眼，安置膨胀螺栓，并采用镀锌铁丝，用紧线器张紧。

(3)尽量选择节长较大的风筒，以减少接头数量，风筒接头应严密，百米漏风率不大于2%。使用软风筒时，靠近通风机部分应采用加强型风筒，风筒破损时，应及时修补或更换。

(4)风筒出口距离掌子面应小于5 m，炮烟抛掷区采用可折叠风筒，以便放炮时迅速缩至炮烟抛掷区以外。

(5)应严格控制风筒质量，安装时保持风筒成直线，防止弯折变形。要特别注意风筒防护，避免出渣机械、型钢支架运输磨擦损坏风筒。

3.3 供 电

(1)隧道内通风机设两路电源，其中一路电源从变压器接出，通过一级配电箱直接接到风机控制柜，风机控制柜与常用风机连接，供电后按风机启动开关直接控制风机运转。另一路备用发电机从备用风机接到风机控制柜，再通过控制柜的另一端口与400 kW发电机连接。当常规电源停电或风机出现故障时，立即启动400 kW的发电机，由人工合拢手闸，确保在10 min内启动备用通风机，保证隧道通风和正常作业不受影响。

(2)洞内局扇风机供电选用专用阻燃电缆，所有电缆接头使用接线盒，不准有明接头。

(3)洞内不得带电检修、不得随意搬迁电气设备、电缆和电线。

(4)备用发电机必修定期进行维修、保养，每周进行一次全面检查，确保停电或变压器故障后10 min内发电机能给轴流风机正常供电运行。

3.4 风机维修及保养

(1)加强机器在运转期间的外部检查，注意机体有无漏风和不正常振动。

(2)定期检查轴承内的润滑油量，轴承的磨损情况，叶片有无弯曲和断裂以及叶片弯曲程度。

(3)机壳内部和叶轮上的灰尘应每季清扫一次，以防锈浊。

(4)在检查机壳内部时，应严防工具和杂物掉入。

(5)注意检查联轴器的连接螺丝，必要时进行调整或更换。

(6)按说明书规定的时间检查风门及其传动装置是否灵活。

(7)在处理电气设备的故障时，必须首先断开检查地点的电源，清扫时注意电动机绕组。

(8)露在外面的机械部分和电气的裸露部分，要加装保护罩或遮拦。

(9)备用通风机和发电机，必修经常处于完好状态，并保证能在10 min内进行启动。

(10)主风机在维修、保养期间，备用风机应正常运行，保证洞内24 h不间断通风。

4 结 语

海福区间暗挖法隧道为高瓦斯浅埋暗挖法隧道，施工难度大。在该隧道施工通风中采用压入式通风方法，保证了工作面的新鲜风量。通过计算，科学地选择通风设备，既能达到良好的通风效果，又能有效合理地利用电能，由专业队伍进行施工通风管理，严格按照通风方案施工，使施工通风取得了圆满的成功，为后续工程提供有力借鉴。