高瓦斯特长铁路隧道衬砌拆换段施工通风技术研究

李建军

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

随着近年来我国铁路瓦斯隧道的建设和施工技术的进步和飞速发展，10 km及以上的特长铁路瓦斯隧道不断涌现[1]，我国是一个天然矿产资源较丰饶的国家，铁路瓦斯隧道在建设和施工的过程中时常会出现瓦斯大量逸出的情况，严重的直接影响其施工进度和隧道的施工人员安全，随着我国铁路瓦斯隧道的数量不断的增多，瓦斯逸出隧道的数量也得到了相应逐年的增加，特长铁路瓦斯隧道的施工通风和安全问题已经是目前我国铁路瓦斯隧道建设和施工中普遍面临的重要技术问题。

近年来，对于瓦斯隧道施工通风技术研究已有不少，如:白俊等[2]对于新建沪昆高速客运专线沪昆铁路大茶山高瓦斯隧道的斜井及正洞施工的通风技术进行了深入的研究，并进一步提出针对该茶山高瓦斯隧道的施工通风设备参数的要求；赵志飞[3]研究了隧道瓦斯的监测处理方法，得出了发耳隧道内部瓦斯浓度分布的一般迁移扩散规律；张云龙等[4]以白杨林隧道施工过程为中心的案例，对白杨林长大隧道施工过程中的瓦斯隧道通风效果进行了深入研究；曾昌等[5]通过对隧道内部的整体、掌子面附近和隧道主洞与横通道连接处的瓦斯逸出量体积的分数及其分布深入研究，分析了隧道内部整体瓦斯浓度分布的特点；王江龙[6]通过依托于中国太古高速西山隧道1＃斜井施工，对瓦斯隧道施工的过程中，通风管距掌子面的距离对隧道内部瓦斯浓度的分布和通风情况的直接影响和作用进行了深入研究；彭佩等[7]通过研究分析了局部风扇隧道瓦斯布设位置对瓦斯浓度、风流速度分布的直接影响；张磊等[8]根据隧道瓦斯的逸出量和风流场的特点，对隧道采用竖井施工和辅助瓦斯通风的情况下瓦斯压入式隧道施工的通风情况建立了流体力学的分析模型，研究了隧道内流场分布的规律和隧道瓦斯浓度分布迁移扩散的规律；刘敦文等[9]通过深入研究，获得并采用了隧道施工过程中风筒的最佳设置方案和其影响，说明了隧道内部瓦斯浓度分布因素的重要性以及顺序；张开鑫[10]提出了关于瓦斯隧道通风的技术性指标；王明年等[11]以软岩隧道家竹箐高瓦斯隧道为通风设计依托的工程，用了数值分析的通风设计方法，对隧道的瓦斯活塞渗入通风量进行了较为深度的分析，完成了竹箐长大隧道实际的瓦斯活塞渗入通风速的计算及软岩隧道运营期间实际的平衡瓦斯通风量的计算；王志成[12]对位于滇西南地区的玉磨高速铁路大尖山软岩隧道通风方案的设计进行了深入的研究设计分析，详细地介绍了家竹箐长大隧道瓦斯活塞通风的设计标准、通风设计方式的选择、通风量计算、通风设备的配置以及软岩隧道通风方案设计施工的技术要点。

现有铁路隧道施工通风研究集中在依据具体工程的施工通风优化设计及对通风过程各参数的研究上，对于特殊地段二次施工时的施工通风研究较少，本文依托成贵铁路高坡隧道，对其软弱大变形衬砌拆换段二次施工时的通风方案进行了探讨，详细介绍了采用了“机械通风，固定风向”以射流风机为主要通风设备的机械通风并辅以瓦斯自动监测系统的方法。

2 工程概况

高坡隧道设计位于贵州镇雄至四川毕节区间，为川黔铁路全线控制隧道的工期工程。高坡隧道设计全长7 944 m，由中铁十二局、十九局集团共同承建。其中包含的高瓦斯段分别长2 066 m、1 109 m；隧道平导全长2 856 m，主斜井长度为244 m，副斜井长度为408 m。为了充分满足隧道施工段对隧道工程通风的实际需要，提出:“2横洞＋1平导＋1通风竖井”的高瓦斯辅助隧道通风设计坑道工程配置通风设计方案。特长瓦斯隧道地理位置见图1。

图1 高坡隧道地理位置

成贵铁路高坡隧道煤系地层软岩变形段全长424 m。为有效保证二次施工隧道的主体结构和隧道施工安全，按照双层结构支护、圆形单层衬砌等的各种综合施工处理和安全保护措施分别进行了保护施作。为确保瓦斯隧道拆换施工安全，采用“机械通风，固定风向”的方法，建立以射流风机为主要通风设备的机械通风方式。

3 通风原则

在正确选择合适的通风系统时以下几点应慎重考虑:(1)绝对保证洞内施工工作面施工人员机具具有最大的安全性；(2)在松动爆破后30 min内，将工作面洞内瓦斯浓度降低0.5%以下；(3)洞内施工通风系统稳定可靠，通风以统一机械通风系统为主，固定风向；(4)隧道施工期间，应注意保持风流的一定连续性，实施连续通风；(5)因人工漏电、漏水、检修、停电等各种原因导致停止了风机的工作时，必须及时地切断电源，并有序地撤出洞内的施工人员；(6)恢复停止风机的工作前，须及时检查隧道中瓦斯的浓度，以及为了确保人工操作、开动停止恢复风机时的施工人员安全，要求在风机启动开关处附近20 m以内隧道中的瓦斯浓度不得超过0.75%。

4 衬砌拆换段施工通风方案

根据高坡隧道正洞贯通后通风方案以及贯通面现场实际风速、瓦斯浓度监测等情况，在利用现有设备、考虑安全、经济合理的原则上，对高坡隧道软岩大变形段拆换施工通风方案进行优化，具体方案如下:

为确保瓦斯隧道拆换段的施工安全，采用“机械通风，固定风向”的方法，建立以射流风机为主要通风设备的机械通风方式。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》规定，铁路瓦斯隧道瓦斯在风速大于1 m/s的情况下更易消散，分别对正洞及平导中的射流风机数进行检算，洞内的建筑施工管理环境具体情况见图2。

图2 圆形衬砌段洞内施工环境

4.1 正洞射流风机台数检算

正洞通风距离长7 944 m，考虑到平导未衬砌段落长，瓦斯容易逸出等特殊情况，正洞贯通后，洞内风速分别取:正洞设计风速vr＝1 m/s；平导设计风速vr＝2 m/s；自然风引起洞内风速vn＝3 m/s。

(1)正洞断面当量直径

式中，Ar为净空断面积(m2)；Dr为断面当量直径(m)。

(2)自然风阻力

式中，ΔPm为自然风阻力(N/m2)；vn为自然风引起的洞内风速，取3 m/s；ζe为入口损失系数，取0.6；λr为摩阻损失系数，取0.02；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3。

(3)通风阻抗力

式中，ΔPr为通风阻抗力(N/m2)；vr为隧道设计风速，取 1 m/s。

(4)交通通风风力

①汽车等效阻抗面积:

式中，Am为汽车等效阻抗面积(m2)；Acs为小型车正面投影面积，取2.13 m2；ξcs为小型车空气阻力系数，取0.5；Acl为大型车正面投影面积，取5.37 m2；ξcl为大型车空气阻力系数，取1.0；r1为大型车比例，取0.9。

②交通通风风力:

式中，ΔPt为交通通风风力(N/m2)；n＋为与vr同向的车辆数，取7；n-为vr反向的车辆数，取7；vt＋为与vr同向的各工况车速，取1.39 m/s；vt-为与vr反向的各工况车速，取-1.39 m/s。

(5)每台射流风机升压力

射流风机选用SSF-No.11型45 kW防爆射流风机，出风口风速vj＝35.2 m/s，出风口直径为1.128 m。

式中，ΔPj为每台射流风机升压力(N/m2)；vj为射流风机出风口风速(m/s)；Aj为射流风机出风面积(m2)。

(6)射流风机所需台数计算

取:i＝8台。

4.2 平导射流风机台数检算

平导通风距离L＝5 615 m，射流风机选用SSFNo.11型45 kW防爆射流风机，出风口风速vj＝35.2 m/s，出风口直径为1.128 m，按正洞射流风机计算方法，算得i＝4.7，取i＝6台。

4.3 风机布置

中铁十二局、十九局在正洞各布置4台射流风机，在平导各布置3台射流风机(共14台，每台功率不小于45 kW)，具体如下:

由中铁十二局在6-1＃、7＃联络通道正洞大里程侧各布置2台45 kW射流风机；在竖井及5＃、6-1＃联络通道平导大里程侧各布置一台45 kW射流风机；射流风机位置可根据现场情况调整；出风口方向为由成都至贵阳。由中铁十九局在9＃、13＃联络通道正洞大里程侧各布置2 台45 kW 射流风机；在9＃、12＃、13＃联络通道平导大里程侧各布置一台45 kW射流风机；射流风机位置可根据现场情况调整；为保证贯通后后施工安全，出风口方向为由成都至贵阳。具体布置见图3。

图3 风机布置

4.4 局扇

为防止施工期间瓦斯积聚，在各施工台架、防水板台车、二衬台车以及洞室等瓦斯易积聚段均配备局扇。隧道内易于积聚瓦斯处风速检算如下:

(1)施工台车风速计算

根据瓦斯易积聚于拱部的特性，台车拱部144°段落是瓦斯易积聚部位，采用5.5 kW(风量为110～180 m3/s)以及2.2 kW(风量为45～80 m3/s)矿用隔爆型轴流式局部通风机，通过局部通风消除瓦斯积聚。V速5.5＝Q风5.5/S面积＝150/40＝3.75 m/s>1 m/s；V速2.2＝Q风2.2/S面积＝ 60/40 ＝ 1.5 m/s>1 m/s，式中，Q风5.5为风量取值 150 m3/s；Q风2.2为风量取值60 m3/s；S面积为拱部144°范围净空面积40 m2。满足《铁路瓦斯隧道技术规范》中相关规定的要求。

(2)洞室风速计算

取最大洞室计算，变压室洞室净空面积23.6 m2，采用2.2 kW(风量为45～80 m3/s)矿用隔爆型轴流式局部通风机，通过局部通风消除瓦斯积聚。V速2.2＝Q风2.2/S面积＝60/23.6 ＝2.54 m/s>1 m/s，式中，Q风2.2为风量取值 60 m3/s；S面积为洞室净空面积23.6 m2。满足《铁路瓦斯隧道技术规范》中相关规定的要求。

5 施工通风监测

为了保证测风点在施工过程和操作中的安全以及及时有效避免各种突发状况，建立了一套相应的测风安全管理制度，拟定每过10 d进行1次全面的测风。施工期间各测风点应有一套足够数量和质量的通风安全计量检测仪表(由工信部和国家环保局授权的安全检测仪表机构和计量技术检验管理单位负责进行计量检验)，各自使用测风机在施工地点和掘进工作面进行即时测风，根据现场条件判断该测点的检测频率及力度，测风的结果应及时记录，由相关人员详细列出并写在各测风点的记录牌上，以此清晰地展示该点实际风速数据，同时需要根据实际情况对测风检验结果的要求进行对相应风量的自动调节以保证施工的安全性。

5.1 风速的测定

5.1.1 自动监控系统

瓦斯隧道2＃横洞工区利用KJ203自动监控系统，安设3台GFY15(B)型矿用双向风速传感器，设置位置如下:高坡2＃横洞口30 m处、PDK342＋992(平导分界里程处)、D3K343＋169(正洞分界里程)。

高坡隧道斜井工区安设3台GFW15型矿用单向风速传感器，设置位置如下:D3K345＋250正洞拱顶(正向)、D3K345＋255正洞拱顶(反向)、主斜井口30 m处。

5.1.2 测定要求

空气具有黏性且隧道内部隧道壁面是不平整的，具有一定的粗糙度，因此，空气在隧道中流动时，易产生摩擦，这导致了隧道断面的风速呈不规则分布。风速最小处位于隧道壁，且在隧道轴线附近达到最大值，经历由隧道壁到轴线逐步增大的过程。当隧道平均风速测量计位于整个隧道的轴向中心时，测量的结果可能会显得过大；或者当风速测量计位于整个隧道壁附近时，测量的结果可能会过小。因此，在风速计上测量隧道平均的风速时，不能长期停留在固定的轴向中心位置，而是应沿整个隧道横断面上的某条单一路线均匀进行测量，这样风速计的测量所得结果的准确度才能更真实地直接反映出整个隧道的平均风速，风速测点布置见图4。

图4 风速测定点布置(单位：m)

为了方便测量隧道的平均高度和风速，将隧道的横断面分成几个网格，风速计在每个网格中停留的时间相等，从而计算出平均风速，风速曲线见图5。

图5 风速曲线

5.2 瓦斯浓度的测定

瓦斯浓度测定时，以既有风速测点为测点进行测试，使用瓦斯检定器对瓦斯浓度进行测定，为了使隧道施工安全最大化，以瓦斯浓度测定结果的最大值作为该处的实际瓦斯浓度。

瓦斯浓度测定时，以测点处既有的风速测点为中心对测点进行瓦斯浓度测试，使用瓦斯浓度检定器对测点处瓦斯的浓度最大值进行测定，为了更好地使隧道施工安全最大化，以瓦斯浓度测定结果的最大值作为该处的实际瓦斯浓度。

瓦斯检定器在安装或使用时应当特别注意下列问题:(1)为了保证瓦斯检定仪器的精准及完好性，在安装或使用瓦斯检定仪器时需轻拿轻放，以有效避免瓦斯检定仪器因受外力而振动、碰撞等原因导致测量结果的不精准；(2)若在测定的工作仪器发生故障，须第一时间停止测量工作并由专职人员进行相关修理；(3)大型隧道风流需要划定的空间范围一般主要是位于距顶、底等各20 cm的特定空间，测量工作须在风流范围进行；(4)仪器定期检修、校正的周期不得大于7 d。

平导贯通后每日瓦斯浓度最大值见图6。

图6 平导贯通后每日瓦斯浓度最大值

6 结论

在高瓦斯特长铁路隧道软弱大变形衬砌拆换段采用“机械通风，固定风向”的方法，建立以射流风机为主要通风设备的机械通风方式，保证了瓦斯隧道二次施工的安全；对隧道内部瓦斯的浓度及其风速情况进行了高频率自动通风监控，建立了自动通风监控的系统，为高瓦斯特长铁路隧道的施工提供了更安全的保障，也为今后其他同类型高瓦斯特长铁路隧道的施工提供了更为可靠的技术和理论支持。