紫坪鋪隧道通風(fēng)系統(tǒng)施工技術(shù)

劉建正

（中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

紫坪鋪隧道通風(fēng)系統(tǒng)施工技術(shù)

劉建正

（中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

紫坪鋪隧道長2550米，瓦斯最大涌出量1.48m3/min。本文介紹通風(fēng)系統(tǒng)巷道壓入式通風(fēng)技術(shù)，可為類似隧道施工通風(fēng)借鑒。

瓦斯隧道；施工；通風(fēng)；管理

1 紫坪鋪隧道工程概況

紫坪鋪隧道是國道317（213）線都江堰至汶川高速公路重點工程，隧道設(shè)計為基本平行的雙洞，其中左洞長4090m，右洞長4060m；出口作業(yè)區(qū)任務(wù)：左右洞施工長度分別為 2550m和2515m（左洞 LK13+350～LK15+900、右洞 K13+385～K15+900）。

隧道地質(zhì)情況十分復(fù)雜，有軟弱圍巖、高地應(yīng)力、斷層、涌水、煤層等不良地質(zhì)。圍巖瓦斯涌出量與地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，巖層(煤層)及瓦斯分布具有明顯的不均勻性，瓦斯壓力0.172～0.83Mpa間，以裂隙瓦斯為主，存在局部瓦斯突出可能，是目前國內(nèi)最新完成具有瓦斯突出危險的公路高瓦斯隧道。

2 通風(fēng)系統(tǒng)闡述

2.1 一般隧道施工機械通風(fēng)方式主要有壓入式、抽出式、混合式、巷道式等四種方式。

根據(jù)本標段隧道實際情況（單洞長2550m）和以往隧道施工經(jīng)驗及施工通風(fēng)結(jié)果，施工通風(fēng)分三個階段進行布設(shè)，第一階段為隧道施工長度0～600m段，第二階段為隧道施工長度600～1900m段，第三階段為隧道施工長度1900～2550m段。

第一階段采用的通風(fēng)方式為獨頭壓入式通風(fēng)方式，適用隧道施工長度0～600m段，左右洞分別為獨立的通風(fēng)系統(tǒng)，橫通道用風(fēng)門封閉，風(fēng)門采用磚塊砌筑外貼土工布密封，避免漏風(fēng)和循環(huán)風(fēng)出現(xiàn)。本階段單洞采用1臺軸流風(fēng)機，采用射流風(fēng)機和局扇輔助通風(fēng)。軸流風(fēng)機放在洞外30m處。

第二階段與第一階段相同采用獨頭壓入式通風(fēng)方式，使用隧道施工長度600～1900m，因為通風(fēng)距離增大，為確保隧道掌子面所需風(fēng)量和風(fēng)速，確保吹散瓦斯，在本階段通風(fēng)中單洞增加1臺軸流風(fēng)機，采用射流風(fēng)機輔助通風(fēng)，局扇吹散死角或瓦斯易積聚部位的瓦斯。

第三階段采用的通風(fēng)方式為巷道壓入式通風(fēng)方式，考慮到隨通風(fēng)距離的增加漏風(fēng)率將不斷增大，將左右洞軸流風(fēng)機移至2#加寬段和2#車行橫洞，采用射流風(fēng)機誘導(dǎo)左線為進風(fēng)巷，右線為回風(fēng)巷，靠近掌子面的車行橫通道為左右線間風(fēng)流通道，其余橫通道用風(fēng)門封閉，風(fēng)門采用磚塊砌筑外貼土工布密封，避免漏風(fēng)和循環(huán)風(fēng)出現(xiàn)。采用局扇吹散死角或瓦斯易積聚部位的瓦斯。

2.2 掌子面至模板臺車地段設(shè)置移動式局扇（將軸流風(fēng)機安裝在平板車上）配合軟風(fēng)管供風(fēng)，以增加瓦斯易聚集地段的風(fēng)速，防止瓦斯聚集。

2.3 在掌子面至模板臺車地段的死角、塌腔等部位將高壓風(fēng)引出，根據(jù)瓦斯檢測結(jié)果對其吹入高壓風(fēng)，將其聚集的瓦斯吹出，使之與回風(fēng)混合后排出。

2.4 模板臺車后橫通道開挖后先采用定期、不定期打開風(fēng)門并配合專用高壓風(fēng)管局部吹散的通風(fēng)方式，確保橫通道內(nèi)瓦斯?jié)舛炔淮笥?.5%，風(fēng)門打開的頻率及時間根據(jù)現(xiàn)場瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測情況決定。

2.5 在每個隧道的緊急避車洞處設(shè)置5.5KW局扇一臺，以吹散該處聚集的瓦斯。

2.6 通風(fēng)的連續(xù)性。施工期間應(yīng)實施連續(xù)通風(fēng)。因檢修、停電等原因停風(fēng)時，必須撤出人員，切斷電源。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 壓入式通風(fēng)設(shè)計

3.1.1 根據(jù)同一時間，洞內(nèi)工作人員數(shù)計算

3.1.2 按照爆破作業(yè)確定風(fēng)量

風(fēng)管直徑取1.5m，百米損耗率P100=2%，則風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)P=1.67

A-掘進巷道的斷面面積，選擇75m2

G-同時爆破的炸藥量（kg），取160

臨界長度

ψ-淋水系數(shù)，取 0.8，t-通風(fēng)時間（min），取30

b－炸藥爆炸時得有害氣體生成量，根據(jù)本隧道實際情況取80

代入以上數(shù)據(jù)，

3.1.3 按照隧道瓦斯涌出量計算所需風(fēng)量：

QCH4-單洞瓦斯最大涌出量1.48m3/min，此處考慮到左洞瓦斯通過右洞排出，取雙洞最大涌出量2×1.48；K-瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，取1.6；Bg-工作面允許的瓦斯?jié)舛?，?.5%；Bg0-送入風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，?。

3.1.4 按照瓦斯隧道洞內(nèi)最小風(fēng)速計算所需風(fēng)量：

V-瓦斯隧道要求回風(fēng)風(fēng)速，取0.5m/s；洞身通風(fēng)斷面表A取75m3

綜合上述計算，取風(fēng)量最大值2250m3/min為本標段隧道施工所需風(fēng)量。

3.1.5 風(fēng)機及通風(fēng)管選型

風(fēng)機風(fēng)量計算：Qm=PQ

式中：Q-計算所需風(fēng)量；P-管道的漏風(fēng)系數(shù)。

通風(fēng)管百米損耗率P100=2%，全長漏風(fēng)率按2%×4000/100=80%考慮，所以：

3.1.6 風(fēng)壓的計算

λ-達西系數(shù)取 0.015；D-風(fēng)管直徑配φ1.5m；L-供風(fēng)長度取2550m。

通風(fēng)管進口風(fēng)量選擇Qm=Q機/2=4050/2=2025m3/min，

通風(fēng)管出口風(fēng)量Q0=2250/2=1125m3/min，

圖1

L-坑道全長（m）2550，ρ取1.2

3.1.7 風(fēng)機選型

根據(jù)計算第三階段左右洞各配山西侯馬生產(chǎn)SDF（C）-N012.5型風(fēng)機2臺，功率為2×110KW，采用并聯(lián)模式雙管路進洞。參照風(fēng)機性能曲線圖（見圖1SDF（C）-N012.5隧道風(fēng)機性能曲線圖），風(fēng)機風(fēng)量Qm=1462.5m3/min時，風(fēng)壓 P=5000Pa＞3128.7Pa。

3.1.8 通風(fēng)管

通風(fēng)管采用洛陽市高林隧道環(huán)境控制技術(shù)有限公司的阻燃、抗靜電軟風(fēng)管，直徑1.5m，百米損耗率p100=2%，直徑為1.5m，模板臺車至風(fēng)機處風(fēng)管每節(jié)20～30m，二襯臺車至掌子面風(fēng)管每節(jié)10m，風(fēng)管因模板臺車所限懸掛在隧道一側(cè)拱腰處、兩風(fēng)管相距大于30cm。

3.2 巷道式通風(fēng)設(shè)計

射流風(fēng)機通風(fēng)計算按最大值考慮，即計算取開挖掌子面達2550m處。參考通風(fēng)布置圖，設(shè)右洞洞口至4#行車橫通道壓降為P1、4#橫通道壓降為P2、射流風(fēng)機至4#行車橫通道壓降為P3。

根據(jù)風(fēng)壓平衡關(guān)系：Pf≥P1+P2+P3

3.2.1 P1=P11+P12+P13

其中P11為沿程摩擦阻力、P12為局部摩擦阻力、P13為交通通風(fēng)力。式中α查表取118×10-4kg/m3（隧道正洞）

ξ-局部阻力系數(shù),可查ξ=0.62+2.5=3.12；ρ-重力加速度，通常取1.2Kg/m3

L為4#行車橫通道長度，取34.06m；A為4#行車橫洞斷面面積，取35.65m2；Q為左洞主風(fēng)機及射流風(fēng)機供風(fēng)量之和，Q=4050m3/min=67.5m3/s

風(fēng)流所遇到的正面阻力

δ-正面阻力系數(shù)，當(dāng)一列車走行時δ=1.15；當(dāng)一列車或一斗車停放時δ=0.15；如兩列（或斗車）停放間距超過1.0m時，則逐一相加；

Am-阻塞物斷面積（m2）；L-取 2550m；A-二襯已施工斷面面積60m2

式中α查表取39.2×10-4kg/m3（隧道正洞）

局部摩擦阻力P22同公式②，查表可知ξ=0.62+2.5=3.12

n為同一時間段內(nèi)出碴車輛、進料車輛總和，取最大值7輛

Vt為洞內(nèi)車輛速度，取 15km/h，即4.17m/s

為橫通道內(nèi)風(fēng)速，Vr=67.5/60=1.125m/s

代入①、②、③式得P1=P11+P12+P13=6.71+1.65+16.68=25.04Pa

3.2.2 P2=P21+P22+P23

由《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》可知P21同公式①，

代入式①，可得P21=0.99Pa，其中ρ取1.2kg/m3、A 取 35.65m2、Q 同上取 67.5m3/s

由《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》可知P22同公式②，

代入式②，可得P22=4.66Pa

由《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》可知P23同公式③，

代入式③，可得P23=6.24Pa，

式中 Am 取 8.5m2、Ar 同上取 35.65m2、ρ取1.2kg/m3；n為同一時間段內(nèi)出碴車輛、進料車輛總和，取最大值2輛；Vt為洞內(nèi)車輛速度，取 10km/h，即 2.78m/s；Vr為橫通道內(nèi)風(fēng)速，Vr=67.5/35.65=1.89m/s

故P2=P21+P22+P23=0.99+4.66+6.24=11.9Pa

3.2.3 P3=P31+P32

其中P31為沿程摩擦阻力、P32為交通通風(fēng)力。

由《隧道施工通風(fēng)與防塵》可知射流風(fēng)機至4#行車橫通道壓降為P31，同公式①。

式中 α查表取 39.2×10-4kg/m3；L為射流風(fēng)機至4#行車橫通道距離，取2100m；A為襯砌后隧道斷面面積，取60m2；U為隧道周長，取28m；Q為射流供風(fēng)量，Q=1800m3/min=30m3/s

代入式①，可得P31=1.09Pa

由《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》可知交通通風(fēng)力P32同公式③，

式中Am為汽車等效阻抗面積，Am=8.5m2；Ar同上取 60m2、ρ取 1.2kg/m3；n 為同一時間段內(nèi)出碴車輛、進料車輛總和，取最大值6輛；Vt為洞內(nèi)車輛速度，施工時進料和自卸汽車空車由左洞進入，左洞出碴車輛由距掌子面最近的車行橫通道從右洞出碴，故車速取-2.78m/s；Vr為洞內(nèi)風(fēng)速，暫取0.5m/s

代入計算可得P32=5.49Pa

故P3=P31+P32=1.09+5.49=6.58Pa

3.2.4 根據(jù)風(fēng)壓平衡關(guān)系：Pf≥P1+P2+P3=25.04+11.9+6.58=43.52Pa

3.2.5 選擇山西候馬風(fēng)機廠的SDS-Ⅱ-No10.0型射流風(fēng)機，其出口風(fēng)速38m/s（考慮廠商標稱的為理論值，取1.5的安全系數(shù)，計算取 25.3m/s），出口面積 0.79m2。

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》射流風(fēng)機升壓力

其中ρ取1.2kg/m3，Vj為射流風(fēng)機的出口風(fēng)速，取25.3m/s，Vr為洞內(nèi)風(fēng)速，暫取0.5m/s，Aj為射流風(fēng)機的出口面積，取0.79m2，Ar為襯砌后隧道斷面面積，取60m2，η為射流風(fēng)機位置摩阻損失折減系數(shù)，查表取0.85。

代入式④，可得ΔPj=8.43Pa

施工通風(fēng)布置圖見圖2、3、4。

3.2.6 射流風(fēng)機的安裝

射流風(fēng)機的工作原理是：利用射流自身的卷吸升壓作用，引導(dǎo)隧道內(nèi)空氣縱向流動。風(fēng)機的出口動壓引射風(fēng)流，使巷道內(nèi)的風(fēng)量大于風(fēng)機本身風(fēng)量。射流風(fēng)機的作用是控制風(fēng)向，增大風(fēng)速，使整個巷道成為真正意義上的風(fēng)道。

4 風(fēng)速、風(fēng)量檢測

通風(fēng)系統(tǒng)安裝后，組織技術(shù)人員進行通風(fēng)系統(tǒng)效果檢測，見表1，能滿足高瓦斯隧道正常通風(fēng)要求。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)效果檢測表

5 通風(fēng)管理

5.1 成立專人的通風(fēng)安裝、使用、維修、維護的通風(fēng)班組，每天進行巡檢。保證管路順直，無死彎、漏洞，其開機人員每天按班組對風(fēng)機運行進行記錄登記。

5.2 通風(fēng)系統(tǒng)安裝后，首先，由經(jīng)理部組織人員及集團公司有關(guān)專家對通風(fēng)設(shè)施進行驗收，確認通風(fēng)效果是否與設(shè)計相符。其次，經(jīng)理部組織相關(guān)人員每周對通風(fēng)進行定期檢查。

5.3 鉆眼、噴錨、出碴運輸、安裝格柵鋼架、掌子面塌方、塌方處理、瓦斯?jié)舛却笥诨蛘叩扔?.5%時，風(fēng)機要高速運轉(zhuǎn)，加強檢測確保洞內(nèi)任一處瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下才能施工。

5.4 風(fēng)機的停運，關(guān)開、變速由監(jiān)控中心專人負責(zé)調(diào)度指揮，并且做好相應(yīng)的記錄并簽認后備查，其他任何人不準擅自停機。當(dāng)移動模板臺車時，風(fēng)機采取低檔位供風(fēng)，以保證供風(fēng)的連續(xù)性。

5.5 通風(fēng)設(shè)施安裝完正常運轉(zhuǎn)后，每10天進行1次全面測風(fēng)，對掌子面和其他用風(fēng)地點，根據(jù)實際需要隨時測風(fēng)，每次測風(fēng)結(jié)果做好記錄并寫在測風(fēng)地點的記錄牌上。若風(fēng)速不能滿足規(guī)范要求，采用適當(dāng)?shù)拇胧?，進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

5.6 每7天 在風(fēng)管進風(fēng)、出風(fēng)口測一次風(fēng)速及風(fēng)壓，并計算漏風(fēng)率，如漏風(fēng)率大于1%，分析查找原因，盡快改正，確保送至掌子面的風(fēng)量與設(shè)計相符。

6 結(jié)束語

6.1 瓦斯隧道通風(fēng)的主要目的是滿足稀釋瓦斯?jié)舛?，吹走瓦斯，確保不同部位的瓦斯?jié)舛仍谙拗捣秶鷥?nèi)，因此隨著隧道掘進深度的變化，檢測的瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃髸r，應(yīng)分析原因，及時調(diào)整通風(fēng)方案，如巷道式通風(fēng)、巷道壓入式通風(fēng)等，以滿足吹散瓦斯所需的風(fēng)量和風(fēng)速。

6.2 隨著風(fēng)筒的不斷接長，風(fēng)筒布和接頭的漏風(fēng)率增加特別快，很難保證掌子所需的風(fēng)量和風(fēng)速，要采取辦法解決漏風(fēng)問題。紫坪鋪高瓦斯隧道通過采用大直徑高質(zhì)量風(fēng)筒、減少風(fēng)筒布接頭、成立專門的通風(fēng)班組、嚴格通風(fēng)管理制度等，使得風(fēng)筒漏風(fēng)率較小，確保了掌子面所需的風(fēng)量和風(fēng)速需要。

圖2 射流風(fēng)機理想布置位置圖

圖3 射流風(fēng)機原理示意圖

圖4 紫坪鋪隧道射流風(fēng)機布置圖

6.3 根據(jù)設(shè)流風(fēng)機的射流原理，射流風(fēng)機布置的最佳位置在隧道斷面的中央處，但由于影響施工，則在隧道中射流風(fēng)機的最佳位置在仰拱面上2.0m、左（右）側(cè)稍靠中線處，既能滿足通風(fēng)、施工要求，又便于檢修。

[1]《隧道施工通風(fēng)與防塵》，賴滌泉，1994年

[2]《隧道》中國鐵道出版社，1999年

[3]《鷓鴣山高原隧道施工通風(fēng)設(shè)計與實施》，陸茂成，2004年

[4]《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120-2002,J160-2002），中國鐵道出版社，2002 年

[5]《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》,交通出版社1999年

[6]《煤礦安全規(guī)程》，中國言實出版社，2001年