瓦斯隧道施工通风技术探析及应用

2022-07-07武文娟

工程与建设 2022年3期

武文娟

(1.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，河北石家庄 050043；2.河北省地下空间工程岩土技术创新中心，河北石家庄 050043)

0 引言

随着公路、铁路等交通基础设施建设水平和规模不断提高，我国已成为世界上隧道建设规模最大、难度最高与数量最多的国家。越来越多的隧道穿越油气盆地、煤系地层等瓦斯积聚区山脉，瓦斯隧道也随之增多。瓦斯爆炸机理十分复杂、交通隧道断面大，施工中对瓦斯的管理与控制十分关键[1]。通风是防止瓦斯浓度超限及爆炸事故的关键措施。

1 瓦斯隧道及通风要求

瓦斯隧道指隧道施工中出现局部地段为煤系层或含瓦斯的非煤系地层，并有瓦斯出露的情况的隧道。根据瓦斯涌出量，分为微瓦斯隧道、低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道[2]。瓦斯隧道施工风险包括施工人员窒息、中毒，瓦斯燃烧及爆炸。瓦斯爆炸的两个基本条件为浓度和引燃源。隧道施工过程中，降低瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的主要途径，因此加强通风是瓦斯隧道施工安全的关键。同时，通风还可及时排出内燃机械产生的尾气、爆破产生的有毒气体、粉尘等，改善隧道内部环境。

2 隧道通风方案分类及选型依据

2.1 通风方案分类

隧道通风方式分类如图1所示。根据隧道污染气体排出路径的不同，机械通风主要分为风管式通风和巷道式通风[3]。根据气流驱动方向的不同，风管式通风又分为压入式、抽出式和混合式。巷道式通风主要分为主扇巷道式和射流巷道式。

图1 隧道施工通风方式

2.2 压入式通风

压入式通风是指利用风机的正压将新鲜空气从隧道外部压入隧道，污浊空气沿隧道流出，如图2所示。风筒内部风压为正，因此对风筒材料要求低，用柔性帆布即可，成本低廉。但是，隧道整体处于携带粉尘、瓦斯的回风风流中，环境较为恶劣[4]。随着独头掘进长度的增大，会导致送风管路的沿程通风阻力增大，通风能耗随之增大，且掌子面污染风流排出洞外所需时间也越长。该种通风方式最为常用。

图2 压入式通风原理

2.3 抽出式通风

抽出式通风是指利用风机的负压抽出污浊空气，如图3所示。抽出式通风的优点为污风从风筒排出，隧道整体均处于新鲜风流中。但是，携带粉尘和瓦斯的污风流经风扇，危险性高，须配置防爆风机。风筒为负压环境，需要配置刚性骨架，成本高。该种通风方式在隧道中采用较少。

图3 抽出式通风原理

2.4 混合式通风

混合式通风同时配置压入式和抽出式风机，根据两者风筒端口在掌子面的位置关系，分为长压短抽式和长抽短压式，如图4所示。长压短抽式以压入式通风为主，仅在掌子面附近配置小功率抽出式风机和小段刚性风筒，适用于掌子面有毒有害气体浓度较高的工况[5]。长抽短压式以抽出式通风为主，仅在掌子面附近配置小功率压入式风机和小段柔性风筒，适用于对全线空气环境要求高的隧道。混合式通风可以有效解决掌子面附近瓦斯等有害气体集聚的难题，但是需要同时配置两台风机，成本高。

图4 混合式通风原理

2.5 巷道式通风

巷道式通风是一种利用平行导坑、斜井、竖井等作为回风道的通风方式，一般适用于3 000 m以上的特长隧道。该通风方式风流路径简单，但是通风设备较多，费用较大。同时，排风洞长期处于污风之中，大功率主扇耗电量大，风门漏风和横通道封闭不严会使部分风流短路。随着工作面迁移，横通道可根据需要选择射流风机、风墙、风帐或风门封堵。

2.6 瓦斯隧道通风方案选型原则

目前，国内隧道主流通风方式包括压入式、混合式、巷道式，以压入式为主。对瓦斯隧道而言，瓦斯监测和施工通风是保障安全的根本，将洞内瓦斯浓度稀释至0.5%以下是基本要求[6]。在工程实际中，低瓦斯隧道宜采用压入式或巷道式，高瓦斯隧道不论隧道长短均应采用巷道式通风。

3 七曜山隧道通风方案设计

3.1 七曜山隧道简介

七曜山隧道为重庆石柱至黔江高速公路全线单洞最长的隧道，全长5 400 m，是全线重点控制性工程。隧道出口端工区非煤系地层在施工期间意外出现瓦斯，且溢出频繁。左洞瓦斯绝对涌出量在1.70～2.16 m3/min，右洞瓦斯绝对涌出量在1.59～1.82 m3/min，属于高瓦斯隧道。

3.2 通风方案设计

考虑瓦斯涌出量、人数、爆破排烟、内燃机械尾气等因素的排风要求，选取最大值作为隧道施工需风量。计算结果表明，七曜山隧道需风量为3 335.5 m3/min，风压1 979.27 Pa。综合考虑七曜山隧道布置形式、掘进长度、断面大小、开挖方法等因素，采用巷道式通风。参考风机性能参数，隧道风机选用SDDY-No14#型多级变速风机作为主风机，并对风机进行防爆改装，其性能参数均满足计算要求。风机型号及参数见表1。

表1 SDDY-No14#通风机主要参数表

通风布置方案如图5所示。在K20+580处设置4台轴流风机向左右洞内输送风量，K20+520横通道和右洞安装射流风机加速向洞内抽排污浊气流。为防止二衬台车附近、衬砌断面变化处、横通道处瓦斯聚集，增加空气流速，特在二衬台车安装2台11 kW局扇、开挖台车安装2台2.2 kW局扇、6#车行横通道口安装2台30 kW射流风机。通风效果表明隧道内部风速、瓦斯排放效果均满足要求。