高速公路隧道工程瓦斯段施工的通风控制技术

2024-04-24孙登峰

工程机械与维修 2024年1期

孙登峰

摘要：在简述隧道施工过程中通风的重要性及其方式的基础上，详细阐述了高速公路隧道工程瓦斯段施工在选择隧道瓦斯段通风方式、确定瓦斯段通风设计条件与参数、计算高速公路隧道瓦斯段所需风量等方面通风控制技术，通过高速公路隧道工程瓦斯段通风检测实例，验证了该通风控制技术的有效性。

关键词：高速公路；隧道施工；瓦斯段通风；控制技术

0 引言

高速公路隧道建设中合理利用了地下空间，有利于缓解了公路交通的压力，确保了人员通行安全，提高公路通行效率[1]。若高速公路隧道中瓦斯大量聚积，未采取合理措施予以处置，将引发瓦斯段大爆炸。强大的冲击波不仅会将隧道里施工的设备悉数摧毁，还会对施工范围的人员造成伤亡[2]。从各类隧道施工段爆炸事故来看，瓦斯是发生爆炸的主要因素。避免出现瓦斯爆炸隐患，是降低高速公路隧道施工风险的首要任务。

1 隧道施工通风的重要性及其方式

在高速公路隧道施工过程中，在含有瓦斯的地层上施工，存在一定的风险。如果隧道内通风不足，就有可能发生可燃气体爆炸事故，一旦出现爆炸或其他大型事故，将会对隧道内人员与地面无辜人群造成极大伤害[3]。

隧道通风的方案有很多种，通风方案选择取决于隧道瓦斯段长度以及交通条件。对施工段的地层、环境等因素进行综合考虑，才能形成最佳通风方案[4]。

隧道通风控制可分为手动控制、基本控制、自动控制等3种。手动控制耗时耗力，仅能作为应急控制方案；基本控制是根据隧道施工段的瓦斯变化规律控制通风量，仅能够进行短时间的控制；自动控制则是建立一个相对准确的控制模型，针对不同的瓦斯变化情况，调整隧道通风量，从而避免瓦斯爆炸隐患[5]。

2 隧道瓦斯段施工的通風控制技术

本文提出了高速公路隧道瓦斯段施工的通风控制技术，如下所述。

2.1 选择隧道瓦斯段通风方式

根据隧道不同的施工环境和瓦斯紊流扩散情况，应选择不同的通风方式，以便引导新鲜空气进入隧道，避免瓦斯爆炸隐患。隧道通风方式可分为局部通风和全隧道通风。局部通风主要是针对掌子面等局部作业地点的通风，全隧道通风主要是针对双线隧道整个隧道的通风系统。

隧道通风主要采用通风机通风，按照风道类型和通风机安装位置不同，可分为风管式和巷道式两类。高瓦斯和瓦斯突出隧道施工长度大于1500m时，宜采用巷式通风。风管式通风采用风筒作风道，根据隧道内空气流向的不同，又可分为压入式、抽出式和混合式3种方式。压入式通风方式如图1所示。

如图1所示，本隧道高瓦斯工区施工长度1355m，施工通风主要采用机械通风，其通风方式采用压入式。主通风机安装在距离洞口10m处（应将通风机安装在隧道的一侧，不要正对洞口），通过柔性阻燃风带将新鲜风流压入至掌子面，污风经主洞排出地表。同时为了保证瓦斯隧道通风安全稳定，采用2台通风机进行通风。

2.2 确定瓦斯段通风设计条件与参数

为了确保施工安全，本文设计要求瓦斯段的通风速度＞0.5m/s。根据风管出口与工作面的距离，控制开挖工作面通风参数，使通风环境更加满足实际需求[6]。瓦斯隧道内掘进过程中，风筒出口速度为风筒的平均风速，垂直于出口断面通风。压力出口距离工作面10m，不会对隧道内风流造成影响。根据瓦斯源边界条件，确定瓦斯段通风参数。隧道瓦斯段通风参数表如表1所示。

2.3 计算高速公路隧道瓦斯段所需风量

施工通风所需风量，按施工隧道洞内同时工作的最多人数、爆破排烟、稀释洞内使用内燃机废气、瓦斯涌出量和允许风速分别计算，选取其中的最大值，并按风带漏风损失进行修正。

2.3.1 隧道内人数最多时所需风量

隧道内同一时间段人数最多时所需风量，可按公式（1）计算：

Q1=4KN （1）

式中：Q1为隧道内人数最多时所需风量；4为每人每分钟供风标准，单位为m3/（min·人）；N为隧道内同时工作的最多人数，取29人；K为备用系数，取1.45。经计算，得到隧道内同一时间段人数最多时所需风量为168.2m2/min。

2.3.2 隧道内最大炸药量爆破所需风量

按隧道内同一时间最大炸药量爆破时所需风量时，可按公式（2）计算：

（2）

式中：Q2为隧道内最大炸药量爆破时所需风量；t为通风时间，取30min；A为1次爆破炸药用量，取22kg；S为最大开挖断面面积，按双侧壁一次起爆最大开挖断面面积，取37.4m2；L为巷道临界长度或巷道长度L'，当L＞L'按L'计算，当L＜L'按L计算，单位为m；为K淋水系数，根据隧道渗水情况而定，潮湿巷道取0.6；b为1kg炸药爆破时有害气体生成量，岩石中取40L，煤层中取100L；P为风带漏风系数。

公式（2）中巷道临界长度L，可按公式（3）计算：

（3）

式中：A、b、S、P含义同公式（2）；β为紊流扩散系数，取0.6。

公式（3）中风带漏风系数P，可按公式（4）计算：

（4）

式中：L'巷道长度取1355m；P100为百米漏风率，取1.0%。经计算，得到风带漏风系数P为1.15。

巷道临界长度即可按照公式（3）计算出来，经计算，为333.59m。在计算出巷道临界长度之后，进而可按照公式（2）计算隧道内最大炸药量爆破时所需风量。经计算，其值为1209.6m3/min。

2.3.3 隧道内允许（最大）风量

隧道内允许最大风量，可按公式（5）计算：

Q3=60S'Vmin （5）

式中：Q3为隧道内允许（最大）风量；S'为隧道内回风流断面积，取100.17m2；Vmin为允许最低回风流的风量，取0.5m/s。经计算，隧道内允许最大风量Q3为3005m3/min。

2.3.4 稀释隧道内发动机废气所需风量

计算稀释隧道内发动机废气所需风量，可按公式（6）计算：

Q4=4.5∑ni=1Niηi （6）

式中：Q4为稀释隧道内发动机废气所需风量；Ni为第i台发动机功率，单位为kW；ηi为第台发动机综合效率系数。经计算，得到稀释隧道内发动机废气所需风量Q4值为2041m3/min。隧道内机械车辆发动机功率及配置数量如表2所示。

2.3.5 将瓦斯浓度稀释到0.5％以下所需风量

将瓦斯浓度稀释到0.5％以下所需风量，可按公式（7）计算：

Q5=q·k/r （7）

式中：Q5为将瓦斯浓度稀释到0.5％以下所需风量，单位为m3/min；q为瓦斯绝对涌出量，根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》规定，瓦斯绝对涌出量不得小于3m3/min，按此值计算；k为瓦斯涌出不均匀系数，取1.2；r为工作面回风流瓦斯允许浓度，取0.5%。经计算，得到Q5值为1080m3/min。

2.3.6 实际所需风机风量

实际所需的风机风量，可按公式（8）计算：

（8）

式中：QL为实际所需风机风量；Qmax为公式（5）计算出的最大风量，即3005m3/min（50.08m3/s）。经计算，QL值为3443m3/min（57.38m3/s）。

将实际所需风机风量QL（57.38m3/s）与公式（5）中

隧道内回风流断面积S'（100.17m2）相除，即得出为隧道内的风速为0.57m/s。该风速大于瓦斯段要求的0.5m/s通风速度，故该风量可行。隧道内各项通风参数计算结果汇总，如表3所示。

3 隧道通风检测实例

针对某高速公路隧道工程瓦斯段施工，采取了上述通风控制技术。在施工过程中，随机选取了隧道瓦斯段的6个检测点，其编号分别为TFJC-1～TFJC-6。每个检测点均设置1个瓦斯浓度限值，选用JX-300型气体探测器检测瓦斯浓度。

JX-300型气体探测器采用声光报警方式，低于限值不报警，高于限值报警，报警音量≥80dB。JX-300型气体探测器能够在温度-10～+40℃、湿度≤90%RH的环境下工作，适应该隧道施工环境。使用JX-300型气体探测器检测到的瓦斯浓度，作为隧道瓦斯段通风检测结果。隧道瓦斯段瓦斯浓度检测结果如表4所示。

如表4所示，TFJC-1在高速公路隧道掘进面风流中；TFJC-2在岩层爆破之后，掘进面风流中；TFJC-3在隧道洞室瓦斯局部积聚的掘进面；TFJC-4在局部通风机及电气开关20m范围内；TFJC-5在低瓦斯工区K152+855～K153+275段任意处；TFJC-6在高瓦斯工区K152+455～K152+855段任意处。将施工段的通风检测分成了施工前、施工中、施工后。经检测，其瓦斯浓度均在限值以内。

在满足施工需求的基础上，瓦斯段施工前的瓦斯浓度在0.12%～0.38%范围内变化，瓦斯段施工中的瓦斯浓度在0.18%～0.32%范围内变化，瓦斯段施工后的瓦斯浓度在0.08%～0.17%范围内变化。由此说明，隧道内通风控制效果良好，瓦斯浓度均未超出瓦斯限值。

4 结束语

隧道工程地质条件复杂，隧道内容易聚集有害气体，存在瓦斯爆炸隐患。在高速公路工程隧道施工过程中，采用上述隧道瓦斯段施工的通风控制技术之后，有效避免了瓦斯聚积，消除了瓦斯爆炸隐患，为隧道瓦斯段施工提供了安全保障。

参考文献

[1] 朱培盛.高速公路隧道施工重难点分析：以敦当高速试验

段一标项目为例[J].工程与建设，2022，36（3）：772-774.

[2] 李浩，陈志涛，李朋，等.基于蒙特卡洛多层次抽样的高速

公路隧道管理新体系的消防安全评价[J].隧道建设（中英

文），2023，43（7）：1236-1245.

[3] 刘国亮，秦丹，刘陈鸿.某高速公路隧道内空气污染物的浓

度分布特征及其控制技术研究[J].企业科技与发展，2023（2）：

83-86.