瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)

杜 琳

(中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著目前高速公路的逐步增多，隧道穿越煤層等特殊復(fù)雜區(qū)域的情況也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)瓦斯的考慮主要在主體設(shè)計(jì)、施工階段，但是考慮到瓦斯氣體聚集爆炸等帶來(lái)的嚴(yán)重后果，隧道附屬機(jī)電設(shè)施設(shè)計(jì)中也需要在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中所規(guī)定的除CO,VI,換氣和火災(zāi)工況之外考慮瓦斯氣體的影響。本文作者參與設(shè)計(jì)的云南昭樂(lè)高速公路交通工程項(xiàng)目中龍臺(tái)隧道、黃連坪隧道、杉木崗隧道，主體單位按照瓦斯隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，機(jī)電設(shè)施設(shè)計(jì)需配合進(jìn)行，考慮到目前關(guān)于瓦斯隧道相關(guān)設(shè)計(jì)可參考的技術(shù)規(guī)范有限，而《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)技術(shù)指南》中對(duì)于瓦斯隧道的勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及管理提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，該指南適用于兩車(chē)道高速公路瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)，對(duì)瓦斯公路隧道附屬機(jī)電設(shè)施通風(fēng)設(shè)計(jì)也具有一定的參考意義。

以下從瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)、附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)階段瓦斯事故防治建議三個(gè)方面對(duì)瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)施設(shè)計(jì)展開(kāi)描述。瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)需風(fēng)量的計(jì)算公式對(duì)于瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量的理解具有一定的意義，對(duì)于附屬機(jī)電工程的通風(fēng)設(shè)計(jì)以及隧道運(yùn)營(yíng)、管理、瓦斯事故防治等均在理論上具有一定的指導(dǎo)意義。

1 瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)技術(shù)指南》附錄H中瓦斯隧道的施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)，瓦斯隧道施工通風(fēng)應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)度、瓦斯涌出段位置及隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊纫蛩剡M(jìn)行施工通風(fēng)方案的選取。其中提出稀釋瓦斯需風(fēng)量的計(jì)算公式如下:

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg

(1)

其中，Qreq(CH4)為隧道全長(zhǎng)稀釋瓦斯的需風(fēng)量,m3/s；α為瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，1.5～2；Bg為隧道內(nèi)瓦斯設(shè)計(jì)濃度，0.5%；QCH4為隧道內(nèi)單位時(shí)間瓦斯涌出量，m3/s。

(2)

其中，K為透氣系數(shù),m/s；p1為封閉后底層瓦斯壓力，MPa；p為隧址區(qū)大氣壓，MPa；S為透氣面積，m2，其中,S=LCH4Lγ;LCH4為隧道穿越瓦斯地段的長(zhǎng)度，m；Lγ為隧道斷面周長(zhǎng)，m；γA為瓦斯密度，kg/m3,一般取0.716 kg/m3；b為襯砌厚度，m。

上式適用于瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)，通過(guò)需風(fēng)量的計(jì)算公式可知，瓦斯隧道需風(fēng)量與隧道襯砌的透氣系數(shù)、隧道穿越煤層隧道封閉后近隧道層的瓦斯壓力、隧址區(qū)的大氣壓力以及可能引起瓦斯泄露的透氣帶面積、瓦斯地段的長(zhǎng)度、襯砌的厚度以及隧道斷面周長(zhǎng)有關(guān)。

根據(jù)上式可知，瓦斯隧道的瓦斯泄露主要存在于隧道穿越煤層段，故瓦斯不同于隧道內(nèi)CO、煙塵等均勻分布的氣體、顆粒，瓦斯僅在隧道穿越煤層段存在泄露及聚集的可能。

瓦斯的泄露量除與隧道斷面周長(zhǎng)Lγ以及隧道穿越瓦斯地段的長(zhǎng)度LCH4有關(guān)，隧道襯砌厚度b、襯砌的透氣系數(shù)K以及可能的透氣面積S也是重要的影響因素，所不同的是，Lγ,LCH4，b，K,S在施工階段，這些值相對(duì)比較穩(wěn)定，但是在隧道運(yùn)營(yíng)階段，由于環(huán)境對(duì)隧道襯砌的影響，以及瓦斯壓力的影響，近隧道層的瓦斯壓力p1，襯砌的透氣系數(shù)K以及透氣面積S會(huì)發(fā)生變化，但是這些值的測(cè)量非常困難而且其變化規(guī)律也難以確定，故上式對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)僅具有指導(dǎo)意義并不具備實(shí)際的可操作性。

2 瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)階段通風(fēng)設(shè)計(jì)

2.1 瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)階段通風(fēng)設(shè)計(jì)——單處瓦斯泄漏點(diǎn)需風(fēng)量

以下基于上述計(jì)算方法提出另外一種瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)《指南》5.1.2提出的按照瓦斯工區(qū)等級(jí)絕對(duì)瓦斯涌出量的判定指標(biāo)如下。

表1 瓦斯底層絕對(duì)瓦斯涌出量判定標(biāo)準(zhǔn)

目前尚沒(méi)有適用于運(yùn)營(yíng)階段的瓦斯隧道的瓦斯涌出量的等級(jí)指標(biāo)，參考瓦斯工區(qū)等級(jí)，由于隧道穿越煤層，僅在部分隧道段存在瓦斯涌出，以作者參與設(shè)計(jì)的云南昭樂(lè)項(xiàng)目為例，經(jīng)與主體單位溝通交流，瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)按照瓦斯運(yùn)營(yíng)階段低瓦斯隧道考慮，對(duì)于單處瓦斯涌出段，瓦斯涌出量取表1中低瓦斯涌出等級(jí)的上限值1.5 m3/min，所需的稀釋瓦斯的需風(fēng)量按照式(1)進(jìn)行計(jì)算如下：

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg=1.5×2/0.5%=10 m3/s。

上式中瓦斯涌出的不均衡系數(shù)同樣取《指南》中規(guī)定的上限值2，通過(guò)計(jì)算可知，對(duì)于運(yùn)營(yíng)階段瓦斯工區(qū)等級(jí)判定為低瓦斯等級(jí)的瓦斯隧道，一處瓦斯工區(qū)所需的稀釋瓦斯的需風(fēng)量為10 m3/s。

2.2 瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量與隧道換氣需風(fēng)量

2.2.1瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算方法1

以云南昭樂(lè)項(xiàng)目杉木崗隧道為例，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算所得近期需風(fēng)量為248 m3/s，相對(duì)應(yīng)于2.1中計(jì)算的低瓦斯隧道單處瓦斯工區(qū)所需稀釋瓦斯的需風(fēng)量10 m3/s，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)248/10≈25，即低瓦斯隧道25處低瓦斯工區(qū)瓦斯泄露的稀釋。

此計(jì)算方法具有一定的局限性，對(duì)如下數(shù)據(jù)的判定存在一定的模糊：1)運(yùn)營(yíng)階段瓦斯區(qū)段的判定標(biāo)準(zhǔn)，通常可認(rèn)為隧道穿越煤層的區(qū)段；2)運(yùn)營(yíng)階段瓦斯區(qū)段瓦斯泄露等級(jí)，該等級(jí)主要由區(qū)段內(nèi)瓦斯泄露涌出量Q絕(m3/min)確定，需要在隧道運(yùn)營(yíng)階段對(duì)瓦斯區(qū)段不同位置進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以得到，同時(shí)考慮到隧道襯砌透氣面積的變化、襯砌的透氣系數(shù)的不同，各區(qū)段的瓦斯泄露涌出量會(huì)有一定差異，需要在通風(fēng)設(shè)計(jì)中針對(duì)通風(fēng)的分段區(qū)段分別考慮該區(qū)段內(nèi)的稀釋瓦斯需風(fēng)量。

2.2.2瓦斯隧道通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算方法2

另外該《指南》中提出瓦斯隧道需風(fēng)量的另一種計(jì)算方法，即最小風(fēng)速需風(fēng)量計(jì)算公式：

Qreq(vmin)=vmin×A

(3)

其中，Qreq(vmin)為隧道全長(zhǎng)最小風(fēng)速需風(fēng)量，m3/s；vmin為瓦斯隧道最小風(fēng)速，取1 m/s；A為隧道通風(fēng)斷面面積，m2。

根據(jù)最小風(fēng)速需風(fēng)量計(jì)算公式，瓦斯隧道全長(zhǎng)最小風(fēng)速需風(fēng)量數(shù)值上等于隧道通風(fēng)斷面面積，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)參考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則,其中隧道換氣需風(fēng)量的計(jì)算公式如下：

Qreq(ac)=Vac×Ar

(4)

其中，Vac為隧道換氣風(fēng)速，不應(yīng)低于1.5 m/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2。

由式(4)計(jì)算所得的隧道換氣需風(fēng)量大于瓦斯隧道最小風(fēng)速需風(fēng)量，且隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)取稀釋煙塵需風(fēng)量、稀釋CO需風(fēng)量以及交通阻滯和換氣的需風(fēng)量的較大值，故隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)需風(fēng)量滿足瓦斯隧道需風(fēng)量的需求。

2.2.3總結(jié)

雖然從需風(fēng)量的角度上，隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)低瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中低瓦斯泄露的稀釋?zhuān)怯捎谕咚剐孤c(diǎn)以及瓦斯泄露量的不確定性使瓦斯聚集到一定程度帶來(lái)了很大的危害性，故隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)不能作為大量瓦斯泄露的應(yīng)對(duì)措施。

3 預(yù)防瓦斯事故

筆者認(rèn)為，預(yù)防瓦斯事故，首先應(yīng)從主體施工過(guò)程中隧道相關(guān)防護(hù)等級(jí)、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及主體施工中的瓦斯防治措施等入手，根據(jù)《指南》8.2.4瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)應(yīng)符合以下要求：

1)瓦斯隧道在運(yùn)營(yíng)中的濃度不得大于0.5%，超限時(shí)應(yīng)禁止通行，同時(shí)開(kāi)啟全部風(fēng)機(jī)。

2)瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)中，橫通道內(nèi)應(yīng)設(shè)置換氣設(shè)施。

3)應(yīng)考慮通過(guò)隧道橫向排水管流入中心排水溝的瓦斯流出隧道后的排放措施。

4)需風(fēng)量計(jì)算除需考慮稀釋洞內(nèi)CO,VI,異味工況、火災(zāi)排煙等工況外，還應(yīng)包括防止洞內(nèi)瓦斯聚集工況。

根據(jù)《指南》瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)應(yīng)在瓦斯隧道內(nèi)不同位置處尤其是隧道穿越煤層處以及隧道襯砌薄弱處設(shè)置瓦斯?jié)舛葯z測(cè)器，待瓦斯?jié)舛却笥?.5%，對(duì)隧道采用禁止通行措施，并同時(shí)開(kāi)啟全部風(fēng)機(jī)。另外隧道橫通道內(nèi)容易造成瓦斯氣體的積累，應(yīng)設(shè)計(jì)排氣設(shè)施，需風(fēng)量的計(jì)算需考慮瓦斯聚集需風(fēng)量，根據(jù)式(3)，該需風(fēng)量小于隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的換氣需風(fēng)量，常規(guī)的隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)可滿足瓦斯隧道最小風(fēng)速需風(fēng)量的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)中對(duì)于瓦斯氣體的考慮是對(duì)于穿越特殊地質(zhì)區(qū)域的隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，目前國(guó)內(nèi)隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)中對(duì)瓦斯氣體的研究尚少，考慮到公路隧道的安全性，對(duì)瓦斯隧道附屬機(jī)電工程通風(fēng)設(shè)計(jì)中瓦斯泄露工況還需要進(jìn)一步的研究。