低瓦斯隧道通風方案設計

李小勇

(四川川交路橋有限責任公司，四川廣漢 618300)

近幾年以來，為了滿足更大交通量需求，公路隧道數量逐漸增多，特長隧道、瓦斯隧道。長大隧道、瓦斯隧道的通風設計對于整個隧道工程來說尤為重要[1]。隧道通風在施工期間可改善施工環境、保障人員安全；在隧道建成后可保證隧道良好的運營環境；對于瓦斯隧道來說，隧道通風可降低瓦斯濃度，降低施工風險[2]。

越來越多的學者展開對公路隧道通風設計的研究。王永東等[3]提出了換氣橫通道結合單風井的混合通風方式，解決了互補式通風系統適用長度有限的問題；周健等[4]通過結合米倉山實際工程研究發現長距離獨頭掘進隧道可以利用輔助坑道井通風來減小獨頭掘進通風距離，從而達到理想的通風效果；萬建國等[5]調研發現隧道運營通風投資大、費用高等問題日益突出，從而展開了通風節能優化設計的研究；李志鵬[6]結合扎尕梁特長公路隧道實際工程，通過通風方案對比，找到了一種適用于單洞雙向行車公路隧道的通風方案。

綜上所述，目前對公路隧道施工通風已開展了較多研究，但是對于長距離瓦斯公路隧道而言，其通風方案設計不僅受變化的地質情況、工期等因素影響，還受到不同區段不同瓦斯涌出量的影響，因此有必要進一步對長大瓦斯公路隧道進行針對性設計。本文以四川境內白馬隧道為例，綜合考慮了隧道不同區段瓦斯濃度、施工功法并對隧道通風工區進行劃分，進而計算隧道最大需風量，以此進行通風設備配置、設備選型，形成一套完整的長大低瓦斯隧道施工通風方案，為后續類似工程提供相關經驗。

1 工程概況

白馬隧道出口端(綿陽端)洞口位于四川省平武縣白馬藏族鄉亞者造祖村，穿白馬至九寨溝縣勿角鄉蒲南村。隧道起點樁號為K41+664，全長13 013 m，屬特長隧道，其地理位置詳見圖1。隧址區屬構造剝蝕高中山地貌，隧道中部高，進出口兩端低。隧道洞身段穿過的主要巖性為花崗斑巖、板巖夾砂巖、炭質板巖等，圍巖等級為III～Ⅴ級，局部有股狀地下水涌出。

圖1 隧道交通位置

本隧道穿越三河口組地層中灰色灰質砂巖、含粉砂泥巖和瓦斯區域中都含有大量的有機質，都是良好的烴源巖，都具備產生瓦斯(CH4)的能力，且局部夾有煤線或瓦斯區域的地質條件，綜合判定為低瓦斯隧道。

2 通風方式選擇及工區劃分

公路隧道通風方式有壓入式通風、巷道式通風、抽(排)出式通風、混合式通風等[7]。壓入式通風不受施工條件限制而被經常使用；巷道式通風常用于有聯絡通道的平行雙洞下，能形成一個進新鮮風一個排出污風的通風系統，可大幅度提高送風量、改善通風效果；抽(排)出式通風需采用負壓管道，不適合瓦斯隧道。最后結合白馬隧道長度、斷面大小、施工工法、設備條件等諸多因素，再借鑒以往經驗，確定白馬隧道施工通風方式為獨頭壓入式通風和巷道式通風相結合的方式。

根據通風方式劃分，并結合隧道瓦斯含量分段，白馬隧道出口段的工區劃分見圖2。

圖2 白馬隧道出口段工區劃分示意

2.1 第一工區

主洞里程左線K47+720～K43+912，右線YK47+6 64～YK43+873，最大獨頭掘進長度為3 808 m，此工區又分4個區段。

(1)第一區段：壓入式通風，左線里程：K74+8 84～K46+231，右線里程：YK47+664～YK46+193，最大通風長度為1 489 m。

(2)第二區段：巷道式通風，左線里程：K46+2 31～K45+518，右線里程：YK46+193～YK45+480，最大通風長度為713 m。

(3)第三區段：巷道式通風，左線里程：K45+5 18～K43+912，右線里程：YK45+480～YK44+753，最大通風長度為727 m。

(4)第四區段：壓入式通風，左線里程：K44+7 91～K46+231，右線里程：YK44+753～YK43+873，最大通風長度為969 m。

2.2 第二工區

豎井及主洞左線K43+912～K41+664，右線YK43 +873～YK41+664，最大獨頭掘進長度為2 248 m，此工區又分4個區段。

(1)第一區段：巷道式通風，左線里程：K43+9 12～K43+371，右線里程：YK43+873～YK43+333，最大通風長度為541 m。

(2)第二區段：巷道式通風，左線里程：K43+3 71～K42+631，右線里程：YK43+333～YK42+593，最大通風長度為740 m。

(3)第三區段：巷道式通風，左線里程：K42+6 31～K41+911，右線里程：YK42+593～YK41+873，最大通風長度為720 m。

(4)第四區段：壓入式通風，左線里程：K41+9 11～K41+664，右線里程：YK41+873～YK41+664，最大通風長度為247 m。

3 隧道風量計算

3.1 隧道需風量的確定

在瓦斯隧道中，需風量計算不僅要考慮隧道內人員呼吸需風量、爆破排煙需風量、內燃機械排煙風量以及最低風速需風量四個因素，還需要考慮稀釋瓦斯需風量，再選取其中最大值作為最終需風量[8]。由于白馬隧道工程位于高原地區，在計算中需根據空氣密度進行相關修正：

(1)

式中:Kρ為空氣密度校正系數；ρz為海拔高度為z處空氣密度，經實測氣象數據計算，為0.97 kg/m3；ρ0為海拔高度為0 m處空氣密度，取1.20 kg/m3。

3.1.1 按作業人員呼吸需風量計算

(2)

式中:Q1為隧道需風量，m3/min；N為洞內同時工作的最多人數，取100人。

3.1.2 按最低風速需風量計算

根據瓦斯隧道施工要求，隧道內回風風速不應小于0.25 m/s，保證污染物不會逆風擴散。

Q2=S·v

(3)

式中:Q2為隧道需風量，m3/min；S為隧道的凈空面積，為66 m2；V為最小風速為0.15 m/s。

Q2=990 m3/min

3.1.3 按瓦斯涌出量計算

(4)

式中:Q3為隧道需風量，m3/min；q為掌子面瓦斯涌出量，1.253 m3/min；Ca為掌子面允許瓦斯濃度，取0.5 %；Co為送入掌子面風流中的瓦斯濃度，為0 %；K為瓦斯涌出不均衡系數，取1.5～2.0。

3.1.4 爆破排煙需風量計算

(5)

式中:Q4為掌子面需風量，m3/min；t為爆破后通風時間，取30 min；S為最大開挖斷面面積，取70 m2；A為一次爆破炸藥用量，kg，A=S·L·b;L為循環進尺，取2.5m；b為Ⅳ級圍巖全斷面開挖單位炸藥用量，取0.95 kg/ m3。

故，A=70×2.5×0.95=166.25kg

k0為安全系數，取1.2；

3.1.5 按內燃機需風量計算

隧道掌子面附近內燃機械設備配置情況詳見下表1所示，需風量計算公式如式6所示。

表1 內燃機設備

(6)

式中：Q5為掌子面需風量，m3/min；4.5為高原地區單位功率需風量m3/(min·kW)；Ni為第i臺柴油機械設備功率，kW；ηi為第i臺柴油機械設備綜合效率系數。

綜上所述，需風量按內燃機計算最大，故而取隧道需風量為

Qmax=Q5=1198 m3/min

3.2 風機供風量的確定

風機供風量由下式計算：

(7)

(8)

式中:Q為風機供風量(m3/min)；η100為百米平均漏風率，取2 %；L為風管最長大度(m)；k1為有效風量率。

風管長度由車行橫通道和人行橫通道長度決定，本計算中取800 m，計算得Q=1426.2 m3/min

4 施工通風阻力損失

4.1 風管摩擦阻力

(1)風筒摩擦阻力系數計算。

(9)

式中：α為風筒摩擦阻力系數，N·S2/m4；λ為風筒摩擦系數，又稱達西系數，采用的是φ1.5 m柔性風筒，取λ=0.013。

(2)風筒風阻計算。

(10)

式中：Rf為風筒風阻，N·S2/m8；U為風筒周長，m；S為風筒面積，m2。

(3)風筒摩擦阻力計算

風筒摩擦阻力可由下式計算：

(11)

式中：QL為局部通風機吸入風量，m3/s，QL=Q*PL;PL為風筒漏風損失修正系數，m3/s。

4.2 風管局部阻力

風管局部阻力主要是在全壓式通風時，局部風機轉彎產生的局部阻力。計算如式12所示：

(12)

式中:ξ為風筒局部阻力系數，取0.6 N·S2/m4；A為風筒斷面積，為1.77 m2。

4.3 風筒通風阻力計算

(1)風筒通風阻力計算。巷道式通風時，單洞風筒通風阻力為：

h=hf+hx= 531+86.77=617.77 Pa

(2)風筒通風阻力修正。本隧道工程位于高原地區，通風阻力應根據空氣密度進行修正，故而修正后的單洞風筒通風阻力為：

4.4 隧道阻力及射流風機計算

隧道阻力的計算與風管阻力計算相同，只需將數據帶入公式即可，隧道采用φ1 m的射流風機，其升壓力按式13計算：

(13)

需風量和通風阻力最終計算結果如表2所示。

表2 風量計算及阻力計算結果

5 設備選型

5.1 壓入式風機的選型

壓入式風機應選擇能滿足各個通風區段供風量及風壓的軸流風機，具體可按下式計算：

風機靜壓力：

Hst=h0

(14)

風機全壓力：

(15)

式中：v2為風筒出口風速，m/s。

壓入式風機的數量由白馬隧道第一工區第一區段、第一工區第四區段、第二工區第四區段施工通風控制，共需配置4臺壓入式軸流風機。在出口端左右線、豎井端各選用2臺FBDSNO.16/3×132 kW型礦用防爆壓入式對旋軸流通風機(1臺工作、1臺備用)，每臺通風機配置3臺YBF2-513M-6型防爆電動機(132 kW，380/660 V，980 r/min)共計8臺，風筒選用φ1.5 m高強度、防爆、抗靜電、阻燃柔性風筒。其主要參數詳見表3所示。

表3 軸流風機通風設備參數計算結果

5.2 射流風機的選型

設計選用SDS-11.2-4P-6-33°型隧道專用防爆射流風機，其主要參數詳見表4。

6 結束語

本文以白馬隧道出口段為例，通過綜合考慮隧道瓦斯濃度含量、隧道洞身地質情況、各種通風方式與該隧道施工功法的匹配等，選擇了壓入式通風和巷道式通風相結合的通風方式。根據不同施工階段進行通風分區，計算最大需風量，從而進行通風設備配置、設備選型，總結出一套低瓦斯含量隧道施工通風設計方案，可以為以后類似隧道工程施工的通風設計提供參考。

表4 射流風機設備參數