盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋瓦斯氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

權(quán)曉甜 高 濤

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)及交通行業(yè)的快速發(fā)展，穿越江河等水下地層的盾構(gòu)施工隧道工程日益增多，江河水下含有瓦斯氣體分布的地層亦日漸增多，含瓦斯氣體地層內(nèi)一定壓力的瓦斯氣體氣團(tuán)通過隧道結(jié)構(gòu)層及盾構(gòu)機(jī)部件等進(jìn)入盾構(gòu)施工隧道內(nèi)威脅施工的安全及人員的健康，嚴(yán)重者造成重大災(zāi)害。通風(fēng)技術(shù)是保障隧道施工、營運(yùn)安全的基礎(chǔ)[1,2]。在盾構(gòu)施工中,通風(fēng)的作用是向工作面輸送足夠的新鮮空氣、濾除盾構(gòu)機(jī)排入空氣中的粉塵,保證作業(yè)人員的健康、安全[3],而盾構(gòu)施工隧道的多個(gè)部位存在泄露地層內(nèi)瓦斯氣體的風(fēng)險(xiǎn)。研究不同氣源壓力下、不同的泄露流量、不同部位的瓦斯氣體泄露時(shí)瓦斯氣體的積聚擴(kuò)散規(guī)律，進(jìn)一步研究通風(fēng)組織形式對(duì)隧道內(nèi)瓦斯氣體積聚的抑制作用及瓦斯氣體被動(dòng)驅(qū)散稀釋的規(guī)律，以確定合理的通風(fēng)組織形式高效驅(qū)散隧道內(nèi)的瓦斯氣體至關(guān)重要。

2 隧道內(nèi)通風(fēng)驅(qū)散稀釋瓦斯氣體研究現(xiàn)狀概述

目前施工隧道內(nèi)通風(fēng)驅(qū)散稀釋瓦斯氣體的規(guī)律僅能通過數(shù)值模擬計(jì)算研究，尚未建立相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無法采用實(shí)驗(yàn)手段輔助驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果。本文根據(jù)相似理論與盾構(gòu)實(shí)際施工工藝及隧道實(shí)際尺寸搭建與原型同尺寸或一定比例的試驗(yàn)平臺(tái)，模擬不同通風(fēng)量及通風(fēng)組織形式下各泄露部位不同泄露速率與突涌量下的瓦斯氣體稀釋擴(kuò)散規(guī)律，同時(shí)模擬瓦斯氣體在施工隧道內(nèi)積聚特性以及不同壓力下的地層瓦斯氣體氣團(tuán)泄露規(guī)律，為盾構(gòu)施工隧道安全通風(fēng)方案的制定、通風(fēng)的氣流組織的設(shè)計(jì)、隧道內(nèi)空氣環(huán)境的預(yù)測(cè)以及應(yīng)急通風(fēng)預(yù)案的制定提供可靠的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

3 盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜述

針對(duì)上述存在的問題，設(shè)計(jì)出了一種盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬測(cè)試不同盾構(gòu)隧道不同部位發(fā)生瓦斯氣體涌入時(shí)，瓦斯氣體濃度在不同通風(fēng)方案下的流動(dòng)規(guī)律及稀釋過程。采用的技術(shù)方案是：盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)模擬試驗(yàn)裝置和用于控制模擬試驗(yàn)裝置產(chǎn)生瓦斯氣體的模擬氣源裝置。盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)模擬試驗(yàn)裝置包括模擬盾構(gòu)施工隧道模塊和模擬通風(fēng)模塊、測(cè)試模塊。模擬盾構(gòu)施工隧道模塊，包括模擬盾構(gòu)施工隧道以及用于模擬瓦斯氣體泄露的管片漏氣模型、泥漿管漏氣模型、氣墊倉排氣模型、刀倉排氣模型、盾尾刷漏氣模型。

4 盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方法

盾構(gòu)穿越瓦斯氣體地層施工隧道安全控制模擬實(shí)驗(yàn)裝置，具體說是一種盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于穿越江河水下瓦斯氣體地層的盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋驅(qū)散涌入隧道內(nèi)瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)，特別針對(duì)泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工隧道。

試驗(yàn)系統(tǒng)由模擬盾構(gòu)施工隧道模塊和模擬通風(fēng)模塊、測(cè)試模塊和模擬氣源裝置組成。可以實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究不同的通風(fēng)組織形式與瓦斯氣體的泄漏位置、泄露量、氣體監(jiān)測(cè)部位，用以研究瓦斯氣體在盾構(gòu)施工隧道內(nèi)的積聚規(guī)律以及瓦斯?jié)舛认♂尩难葑兲匦浴＞唧w可模擬盾尾刷拆換時(shí)涌入瓦斯氣體、管片密封泄露進(jìn)入的瓦斯氣體、氣墊倉超壓排氣中帶入的瓦斯氣體、刀倉換刀排入的瓦斯氣體、泥漿管法蘭接口泄入的瓦斯氣體在不同通風(fēng)氣流組織下的擴(kuò)散速率、積聚的區(qū)域及稀釋速率。

圖1是盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖2為圖1的A向投視圖，盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)模擬試驗(yàn)裝置和用于控制所述模擬試驗(yàn)裝置產(chǎn)生瓦斯氣體的模擬氣源裝置。

盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)模擬試驗(yàn)裝置包括模擬盾構(gòu)施工隧道模塊和模擬通風(fēng)模塊、測(cè)試模塊。其中模擬盾構(gòu)施工隧道模塊，包括模擬盾構(gòu)施工隧道以及用于模擬瓦斯氣體泄露的管片漏氣模型、泥漿管漏氣模型、氣墊倉排氣模型、刀倉排氣模型、盾尾刷漏氣模型。模擬盾構(gòu)施工隧道按設(shè)定的與實(shí)物的比例制作。隧道壁采用鋼板制作、原型長度不小于200 m，盾尾刷漏氣模型，刀倉排氣模型，氣墊倉排氣模型，管片漏氣模型，泥漿管漏氣模型，模擬盾構(gòu)機(jī)機(jī)架按一定比例尺寸設(shè)置在模擬盾構(gòu)施工隧道的對(duì)應(yīng)位置，以上幾項(xiàng)構(gòu)成的模擬盾構(gòu)施工隧道實(shí)驗(yàn)裝置，主要用于模擬不同部位及裝置的瓦斯氣體泄露入隧道內(nèi)的主體模型。其中，盾尾刷漏氣模型(如圖3所示)為半圓柱管道緊貼模擬盾構(gòu)施工隧道壁外側(cè)一周并與模擬盾構(gòu)施工隧道壁拼焊而成的環(huán)形箱體，環(huán)形箱體內(nèi)的隧道壁周向均勻開設(shè)若干出流孔口，各出流孔口非工作狀態(tài)時(shí)用密封膠封堵，實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)泄露面積的比例選用開啟數(shù)量，環(huán)形箱體正上方與模擬氣源試驗(yàn)裝置連接；管片漏氣模型(如圖4所示)是在模擬盾構(gòu)施工隧道壁面分別制作的貫穿隧道壁的縱向縫隙8-3和環(huán)向縫隙8-1，縫隙寬度按照盾構(gòu)隧道管片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0 mm～2 mm，模擬盾構(gòu)施工隧道外壁的縱向縫隙處罩扣半圓柱形容器8-4，半圓柱形容器與模擬盾構(gòu)施工隧道外壁密封結(jié)合，模擬盾構(gòu)施工隧道外壁的環(huán)向縫隙處罩扣環(huán)形容器8-2，環(huán)形容器的橫截面為矩形，環(huán)形容器與模擬盾構(gòu)施工隧道外壁密封結(jié)合，半圓柱形容器和環(huán)形容器分別通過管路與模擬氣源裝置相連。

模擬通風(fēng)模塊，包括通風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，風(fēng)量測(cè)量裝置，風(fēng)機(jī)具備壓入和抽吸功能，風(fēng)筒縱向懸掛于模擬盾構(gòu)施工隧道內(nèi)，風(fēng)筒用可調(diào)支架固定，風(fēng)筒位置通過可調(diào)支架進(jìn)行上下、前后、左右的移動(dòng)調(diào)控，根據(jù)風(fēng)筒的承壓特性選擇不同材質(zhì)的風(fēng)筒，風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥與風(fēng)量測(cè)量裝置后用風(fēng)筒連接法蘭連接風(fēng)筒，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥與風(fēng)量測(cè)量裝置聯(lián)合調(diào)控送風(fēng)量。以上部分聯(lián)成一體構(gòu)成模擬通風(fēng)系統(tǒng)用于模擬不同的通風(fēng)組織形式，模擬盾構(gòu)施工隧道與模擬通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成盾構(gòu)施工隧道通風(fēng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

測(cè)試模塊(圖5是測(cè)試系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖)，包括若干氣體濃度傳感器(瓦斯氣體)、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、若干流量傳感器(瓦斯氣體)、若干壓力傳感器(瓦斯氣體)、數(shù)據(jù)采集儀、控制主機(jī)，風(fēng)速傳感器設(shè)在盾尾刷漏氣模型后方，根據(jù)等面積法布置，溫度傳感器也設(shè)在盾尾刷漏氣模型后方，部分氣體濃度傳感器分別設(shè)在各模擬瓦斯氣體泄漏點(diǎn)附近，另一部分氣體濃度傳感器布置在模擬盾構(gòu)施工隧道的不同位置且不限數(shù)量，各流量傳感器與壓力傳感器分別設(shè)置在模擬氣源裝置與各漏氣/排氣模型的連接管路前端，所述氣體濃度傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)均傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入操作主機(jī)。

本實(shí)施例中，模擬瓦斯氣體源實(shí)驗(yàn)裝置，通過氣體壓縮機(jī)抽吸儲(chǔ)氣罐的模擬瓦斯氣體壓縮至需要的壓力送至模擬瓦斯氣體輸送管路，并通過瓦斯氣體流量傳感器調(diào)控氣體流量，將需要實(shí)驗(yàn)的漏氣模型的啟閉閥門開啟，即可模擬瓦斯氣體由此處模型進(jìn)入模擬施工隧道，可采用二氧化碳?xì)怏w作為模擬瓦斯氣體。

5 結(jié)語

該設(shè)計(jì)結(jié)合穿越含瓦斯氣體地層盾構(gòu)施工隧道的具體施工工藝及理論分析，按照一定比例尺寸搭建模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更加貼近盾構(gòu)施工隧道內(nèi)有瓦斯氣體泄露下的空氣環(huán)境及通風(fēng)稀釋瓦斯氣體的情景。該模擬實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，模擬氣源可采用安全無害的氣體代替，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方便安全，可根據(jù)相似律縮小模擬試驗(yàn)尺寸，投入成本低。能夠科學(xué)有效地模擬盾構(gòu)施工過程中盾尾刷密封拆換、刀倉開啟、泥漿管接口斷開、氣墊倉排氣等大量涌入瓦斯氣體的情景，以及正常情況下泄露的微小流量瓦斯氣體的情景，不同通風(fēng)組織形式下隧道內(nèi)的瓦斯氣體流動(dòng)擴(kuò)散的演化規(guī)律，分析結(jié)果對(duì)治理預(yù)防盾構(gòu)施工隧道瓦斯氣體災(zāi)害的安全通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)及應(yīng)急通風(fēng)預(yù)案的編制有很好的參考和指導(dǎo)意義。