低瓦斯隧道施工通風方案研究

黃晉睿HUANG Jin-rui

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著國家西部大開發戰略的不斷實施和深化，近年來，越來越多的公路、鐵路等交通工程在西部地區落地施建。在我國西部山區中，具有地質構造和地理環境特殊，地質地形復雜，山區地形陡峭，生態環境敏感性強等一系列特點，經常遇到泥石流、滑坡、落石、采空區、巖溶、有害氣體、冰川、溶洞、高地應力、高地溫、膨脹土、軟土、鹽巖、冰磧層等影響施工的地質問題[1]。其中有害氣體就包括瓦斯氣體。公路隧道遇到瓦斯多出現在煤系地層，具有爆炸性、滲透性、不穩定性和窒息性。

瓦斯突出、瓦斯涌出是施工過程中發生的一種瓦斯的突然劇烈運動并造成十分巨大的動力效應現象，會造成很大的破壞性，誘發因素復雜，與空氣混合到一定濃度時，可能會造成瓦斯爆炸等事故的發生。瓦斯的存在，為隧道施工安全與質量帶來巨大的風險。加強通風是搞好瓦斯隧道安全施工的有效手段，隧道通風是非常有效的改善施工環境、保障施工過程掌子面空氣流通安全的措施；同時在隧道建成后可保證隧道內的運營環境，加強通風換氣；對于瓦斯隧道來說，隧道通風也可有效降低施工過程中遇到的瓦斯濃度，降低施工風險[2]。

眾多專家學者針對隧道瓦斯這一復雜問題，做出了深入研究。M.A.Berner和J.R.Day[3]研究提出了針對特長公路隧道，由于上下行通風負荷不均勻雙向換氣方法的“雙洞互補”的概念；夏豐勇[4]等基于“雙洞互補”的基礎上，提出了通過隧道需風量的計算和優化，提高經濟效益的方案；蔣學猛[5]利用Fluent軟件對建立的互補式通風換氣系統模型進行計算，對其進行數值模擬研究，為雙洞互補式通風提供了實施推廣的借鑒意義，但卻未考慮利用斜井通風的方案。王永東[6]等在分段式縱向通風方式的基礎上，增加利用橫通道對主洞進行輔助通風，將風量富裕的下坡隧道的多余風量，補償至上坡隧道，以達到更加充足的通風目的；李小勇[7]通過對瓦斯隧道需風量的計算，選擇了壓入式通風和巷道式通風相結合的通風方式，得到一套公路低瓦斯隧道通風的方案。劉輝[8]等通過定量改進HAZOP計算模型，結合通風參數的偏離情況，按照偏離等級有針對性地采取控制措施，此方法對瓦斯隧道各工區不同施工通風階段、不同參數的偏差分析需求均有一定的適用性，提升瓦斯隧道施工通風系統安全管理水平和改善瓦斯隧道施工安全生產狀況。

1 工程概況

1.1 工程簡介

四川省仁壽至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程，建設地點位于四川省樂山市沐川縣，公路全線由北向南途經眉山、樂山及宜賓三市，是國家高速公路網規劃的重要組成部分，路線主線長158.029km，馬邊支線長43.799km，路線全長201.828km。

五指山隧道為仁沐新高速公路控制性工程之一，隧道最大埋深995m，為雙洞隧道，左線全長9392m，右線全長9405m，兩線相距30m，中鐵十二局集團第三工程有限公司負責施工標段涉及4872m/0.5座。設計縱坡1%-0.8%，平面線型R=1000/∞/1780/∞/1500，隧道設計速度為80km/h，建筑限界10.25×5m。兩線相距30m，隧道凈空高度為7.12m，寬度達11.2m。隧道大角度（近正交）穿越五指山背斜核部，穿越地層受多次構造運動的影響，巖層破碎、構造較復雜、節理裂隙發育，拱頂圍巖自穩性差，特別是位于背斜翼部的轉折端以及其影響帶，巖層變形更為強烈、次級小斷裂（錯動）及其破碎帶較為發育。通風方案采用單無軌斜井兩區段送排式通風，斜井長1720m，坡度8.57%，其中左線Ⅳ級圍巖4354m，Ⅴ級圍巖516m；右線Ⅳ級圍巖4310m，Ⅴ級圍巖565m。

1.2 瓦斯及其他有害氣體情況

三迭系下統香溪群（T3～J1x），分布于五指山南西坡，巖層單斜，節理較發育～發育，受地質構造影響較重～嚴重，封閉條件較差，傾斜～急傾斜煤層厚度一般≤0.3m，屬碎裂～原生結構煤，生烴類煤及煤系地層埋深100～400m。瓦斯有一定的封閉與聚集條件，以涌出形式為主。擬建隧道穿越五指山山脈，隧道穿越地帶，屬低瓦斯工區，按低瓦斯隧道設計施工。煤巖地層、瓦斯等級及設防段落詳見表1。針對五指山隧道實際情況，施工中應加強通風、排氣和監測措施。

表1 煤巖地層、瓦斯等級及設防段落

2 瓦斯隧道施工通風

2.1 通風方式

利用隧道斜井，為左、右洞分別設置送、排風道，具體布置詳見圖1。

圖1 送、排風道布置圖

壓入式、抽出式、混和式、巷道式及利用輔助坑道通風等是較為常見的幾種隧道施工機械通風方式。壓入式通風方式是通過軸流風機將外部新鮮空氣通過風管輸入至掌子面，內部的污濁空氣沿隧道反向排出，長隧道（2km左右長度）多采用此通風方式。抽出式通風是利用軸流風機通過風管把工作區域的污濁空氣抽出，而新鮮空氣則可以順隧道進入，與壓入式通風方式工作原理正好相反，抽出式通風須采用硬質風管。混和式通風系統中，以抽出式風機作為主風機，壓入式風機作為輔助風機，綜合壓入式和抽出式通風方式的有點，使得通風效率更高。巷道式通風是采用射流技術，兩隧道的掌子面的新鮮風流由軸流風機通過風管供給，使其中一條隧道作為進風巷，另外一條隧道作為回風巷，利用輔助通道進行通風，主要運用在特長隧道施工過程中，同時為縮短通風距離常利用平導坑、斜井、豎井等作為輔助通風坑道，主要布置方式有雙巷式和混和式通風。

五指山隧道設計長度、瓦斯段長度較長，同時設計有較長的斜井，常規通風方式不能滿足實際生產的要求，隧道瓦斯段基本情況詳見表2。

表2 五指山隧道瓦斯段基本情況

根據本隧道施工的現實情況，通過計算，采用分段進行通風布設的方案，具體分為兩個階段，第一階段長度為起始段至700m左右長度位置，第二階段順接第一階段至合同段結束。

第一階段采用獨頭壓入式通風方式，將隧道左右洞分別作為兩個獨立的通風系統，采用射流通風，左右線掌子面的新鮮空氣由布置于洞口的軸流風機提供，射流風機引導污濁空氣從隧道中排出，橫通道予以封閉，確保無漏風和循環風，風管軸流風機放在洞外30m處，兩管在同一鉛垂上面上，風管間相錯開約30cm左右，風速計算按稀釋瓦斯、排除開挖放炮及出渣灰塵、消除頂層瓦斯聚集、回風流沼氣濃度不超限所需風量三方面考慮，取三者需風量的最大值。第二階段采用巷道式通風方式，利用射流通風，軸流風機布置在隧道內部，距離施工掌子面700m左右，以射流風機引導左洞為進風巷，右洞為回風巷，左右洞掌子面的新鮮空氣均由軸流風機提供，利用靠近掌子面的車行橫洞作為聯通風道，以后橫洞予以封閉，確保無漏風和循環風出現。斜井長度為1602m，采用壓入式通風方式。瓦斯隧道通風方案應按照工區進行劃分，每個工區中采用獨立的巷道式通風系統。在施工過程中，需設置專門的通風管理小組，專門負責通風系統各設備的日常管理和檢修，定期對洞內的風速、風量、氣溫、氣壓、瓦斯濃度等數據進行檢測，并作出詳細記錄臺賬，計算記錄不同時段的有效風量。施工期間，還需保證隧道內的連續通風，在特殊情況下出現停風情況時，應及時停止工作，撤出作業人員，切斷一切電源，防治出現瓦斯爆炸，恢復通風前也需要先檢查洞內瓦斯濃度，防止電力引燃。

因本隧道為低瓦斯隧道，選用布置在隧道內的局扇、射流及軸流風機均為防爆型。高壓風采用洞外電動空壓機組成的壓風站集中供風，左右線采用統一設置200m3空壓站1座；高壓風管選用φ200mm無縫鋼管，入洞后利用托架布置在隧道邊墻上，沿全隧道通長布置。主風管間隔300～500m安裝閘閥和三通閥，風管前段距開挖面30m的主風管頭接分風器，利用高壓軟管分接至各風動機具。在洞口設一座100m3空壓機站，供應斜井施工用風。通風機供電必須要有兩個回路。通風機必須設專人負責管理。

風機采用吊式安裝，其中心軸線與隧道軸線平行，每組兩臺，沿隧道縱向布置，構成并聯、串聯運行，安裝位置的里程誤差為2m，安裝高度誤差為5mm，且風機下沿距車輛限界15~20cm。風機安裝時要求每臺風機均能手動及自動開、停。風機需既可獨立運行，又可成組運行，可以在實際運行過程中隨時靈活調整風機的通風量。

2.2 需風量計算

隧道施工通風技術參數見表3。

表3 隧道施工通風計算參數

與常規隧道施工通風相比，瓦斯隧道需風量增加了稀釋瓦斯需風量，同時瓦斯隧道最小風速與非瓦斯隧道有區別，其他一致。

瓦斯隧道施工通風需風量分為兩部分，一部分為掌子面需風量，另外一部分為回風巷需風量，其中掌子面需風量主要有：①洞內工作人員需風量Q1；②爆破作業需風量Q2；③稀釋瓦斯需風量Q3；④掌子面機械需風量Q4；⑤掌子面最小風速需風量Q5，掌子面需風量取其中最大值QMAX。回風巷需風量主要有：①最小風速需風量；②作業機械需風量，回風巷需風量取最大值。通過計算可得：當有機械作業時段，掌子面需風量由洞內作業機具需風量決定，無機械作業時段需風量由最小風速決定，詳見表4。

表4 需風量計算表

根據通風方式的選擇以及需風量的計算，最終確定風機數量以及風機功率，據此合理安排施工現場用電以及風機布置。詳見表5。

表5 現場風機布置表

3 結論

本文通過對中鐵十二局集團第三工程有限公司負責施工的四川省仁壽至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程五指山隧道不良瓦斯地質情況以及現場施工需求進行調查研究，選擇合理的通風方式，并對需風量進行計算，最終確定現場實施的通風方案，同時依據計算結果，可以靈活調整有無機械作業時的通風量，提高了經濟效益。瓦斯涌出、突出前后，會伴隨著地應力、瓦斯和煤巖的地質構造與力學性質的種種異常表現，結合結構防瓦斯措施、超前地質預報，不斷完善瓦斯檢測制度、瓦斯濃度管理等一些列措施，從而確保隧道施工安全有序的開展。