成自高速铁路龙泉山一号隧道高瓦斯通风技术研究
2022-01-05张魏
张 魏
(成兰铁路有限责任公司，四川 成都 610036)
1 工程概况
新建成都至自贡高速铁路北起成都东站，终点接川南城际铁路自贡东站。本标段落位于天府站进站端至龙泉山一号隧道出口。工程起讫里程如下：DK24+055～DK39+406，隧道DK31+600～DK33+300、DK34+550～DK36+900、DK37+100～DK38+250穿越高瓦斯段落，设置全封闭瓦斯隔离层(瓦斯隔离板+土工布(重量≥400 g/m2))，高瓦斯设防段落向两侧低瓦斯段落延伸50 m，全封闭设防段隧道边墙墙脚处设置纵向盲管和水气分离装置，分离出的气体采用排气管引排至洞外。为加快施工进度，满足施工通风的需要，并预留运营通风土建条件，本隧道设计共设置3座斜井，长度分别为430、475和610 m，采用双车道无轨运输。
2 成自高速铁路龙泉山一号隧道工程特点和难点
(1)穿越交通密集区及既有公路较多。本项目工程经过四川盆地中部及中南部，地质情况比较复杂，沿线跨多条既有道路，包含成自泸高速、东山大道三段、108国道、双简路，其中采用(72+128+72)m连续梁跨越成自泸高速兴隆互通，采用(36+64+36)m连续梁跨越东山大道。
(2)本标段主要穿越砂泥岩地层，整个工程线路存在砂岩、泥岩，且风化比较明显，容易出现危险状况，沿陡崖呈带状分布，长度为160 m，崖高15～20 m。隧道进口及浅埋段上部多为土质边坡，下部为岩质边坡，受外应力的影响，泥岩表面岩体容易脱落，严重时浅表层出现坍滑，使边坡和基坑的安全受到威胁。
3 隧道施工通风参数计算
为满足高瓦斯隧道施工和通风需要，根据设计图纸及《瓦斯隧道技术规范》TB10120—2019施工通风规定，各工区最长通风距离小于2 000 m，均采用压入式通风[1]，相邻作业面贯通后结合现场实际调整通风方式。
3.1 需风量计算
通过以下5种计算方式，取其最大值来作为通风管末端需风量，需风量用Q表示，单位为m3/min。
(1)按洞内最多作业人数计算：
Q1=qmk
(1)
式中：q表示每人每分钟呼吸所需空气量，q=4 m3/min；m为同时工作人数，按60人计算；k为风量备用系数，取k=1.15。
Q1=qmk=4×60×1.15=276
(2)按稀释和排除内燃机废气计算风量：
对供风量进行计算时，需考虑内内燃机废气的排量，将可能将其排出，使之符合要求，可按下面公式来进行计算：
(2)
式中：K为功率通风计算系数，取值4.0 m3/min；Ni为各台柴油机械设备的功率；Ti为利用率系数。
在施工过程中，因为工况不同，需根据实际情况对工况进行组合，计算出内燃机的功率，具体见表1。
表1 单工作面内燃设备配置表
Q2=4.0×(1×107×0.6+2×138×0.5+2×247×0.45+2×162×0.5)=2 346
(3)按允许最低平均风速需风量计算:
Q3=60AV
(3)
式中，A为断面积，A=146.4 m2；V为最低平均风速，取最小值为0.25 m/s。
Q3=60AV=60×146.4×0.25=2 199
(4)按稀释炮烟需风量计算:
(4)
式中：Q4为工作面风量；t为洞内排烟时间，取30 min；G为同时爆破的炸药量，取值为527 kg；A为断面积；L为通风区段长度，不得大于极限长度，L=48 m。
Q4=770.5
(5)按瓦斯(天然气)绝对涌出量需风量计算：
Q5=QCH4×K÷(B允-B0)
(5)
式中，QCH4为瓦斯最大涌出量，取值为5.14 m3/min；K为瓦斯涌出的不均衡系数，取1.6；B允为工作面允许的瓦斯浓度，取0.5%；B0为送入风流中的瓦斯浓度，取0。
Q5=5.14×1.6÷(0.5%-0)=1 644.8
(6)
由上式可知，稀释和排除内燃机废气计算风量为开挖面最大所需风量，风量为2 346 m3/min。
3.2 隧道防爆通风设备配置技术
3.2.1 通风机供风量的确定
通风机供风量应满足掘进工作面所需风量及补足风管沿程漏风损失[2]。通风机应提供的供风量Q机(单位为m3/min)为：
Q机=PQ开=P×1 346
(7)
其中，P为风管漏风系数。
P=1/(1-L/100×Pi)
(8)
在上式中，P为风管平均百米漏风率，Pi=1.3%=0.013，L为风管长度。
隧道进口、斜井和出口工区开挖面的通风管长度L=L0+30-50，式中30 m为通风机至洞口的距离，50 m为通风管末端至开挖面的距离。L0为洞口至工区分界的长度。
隧道进口、斜井及出口工区各工作面的风管长度、风管漏风系数和风机应提供的供风量见表2。
表2 施工通风风量计算表
3.2.2 风机选型与风压校核
风机风压h机应满足通风管全程的风压损失值h损的要求，本隧道通风管为直管，只考虑静压损失，通风管路静压损失值h损计算按：
h损=Q机Q开Rf
(9)
Q机为通风机供风量；Q开为开挖面所需风量；Rf为通风管全程摩擦风阻，按下式计算：
Rf=6.5αL/D5
(10)
α为风管内摩擦阻力系数，取α=0.0019；L为通风管总长度；D为通风管直径，取D=1.8 m；D5=18.90。
4 通风设备选择
本隧道进口、1#斜井、2#斜井、3#斜井及出口工区所选用的风机型号、台数及配置等见表3。
表3 龙泉山一号隧道施工通风系统配置表
5 通风管理
要使施工过程中的通风效果达到最佳，除了要合理布置通风系统外，还要有与之相匹配的通风设备，同时需要加强管理，做好通风管路的“防漏降阻”工作，并由专人进行管理。
对于管道通风而言，“防漏降阻”至关重要。因此，在材质上应选用高强、阻燃、低阻型软管，摩阻系数不得超过0.0019 kg/m3，符合要求的才能进入施工现场[3]。连接风管时应尽可能减少接头数量，绑扎时注意绑紧以免漏风。采用钢丝绳后吊挂方式安装，吊挂之间距离设置为5 m，并确保其表面平顺、竖直，防止通风时阻力过大。在制作衬砌台车时需留有足够的风管空间，如施工过程中发现风管有破损漏风现象，应及时修补或更换。
6 通风效果监测
为达到安全生产的目的，施工完成后需监测通风情况。需测定各传感器的参数，如CH4传感器，CO传感器，风速传感器等[4]。通过监测各项数据发现，隧道最高瓦斯浓度均小于允许最低限值0.5%，隧道内通风风速均大于0.5 m/s， 易于积聚瓦斯处风速大于1 m/s，由此可见，整体通风效果较好，符合施工条件要求。
7 结语
成都至自贡高速铁路龙泉山一号隧道的防爆通风设备的应用，提升了工作效率，确保了施工进度以及施工安全，有效减少了劳动力，同时施工质量也得到了有效提升，可为今后同类工程提供借鉴。
