銅鑼山特長公路瓦斯隧道施工通風(fēng)方案的研究

蔣 剛，陳玉峰，袁明偉，劉 靜

(1.四川南渝高速公路有限公司，四川南充 637000;2.中建三局第三建設(shè)工程有限公司，遼寧大連 116041)

1 工程概況

銅鑼山隧道是南充～大竹～梁平(川渝界)高速公路穿越銅鑼山山脈而設(shè)的特長隧道，隧道進口～中部～隧道出口的線間距為15.3～38.1～30 m，隧道進、出口分別位于大竹縣余家鎮(zhèn)麂子壩煤礦和石橋鋪二煤廠附近，左、右線最大埋深分別為468 m 和478 m。隧道共設(shè)車行橫通道5個，人行橫通道8個，車行橫通道位置的隧道異側(cè)設(shè)緊急停車帶5處，緊急停車帶長40 m，有效長30 m。

隧道左洞平面線性為半徑3350 m 的曲線，坡度為+1.7%及－0.8%的人字坡，全長5015 m;隧道右洞平面線性為半徑2950 m 的曲線，坡度為+1.7%及－0.8%的人字坡，全長5032 m。

隧道穿越珍珠沖組和須家河組含煤地段。須家河組T3xj7、T3xj5、T3xj3、T3xj1為區(qū)域性泥巖含煤段。各含煤段施工絕對瓦斯涌出量均已超過0.5 m3/min，根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，隧道兩端須家河組(T3xj)地層段均屬高瓦斯工區(qū)。

2 公路瓦斯隧道通風(fēng)要求

(1)瓦斯工區(qū)施工通風(fēng)需風(fēng)量，應(yīng)按洞內(nèi)同時工作人員需風(fēng)量、爆破作業(yè)需風(fēng)量、作業(yè)機械需風(fēng)量、掌子面(或回風(fēng)巷)最小風(fēng)速需風(fēng)量、稀釋瓦斯需風(fēng)量經(jīng)計算后取最大值。

(2)瓦斯工區(qū)施工區(qū)域風(fēng)速不宜低于0.5 m/s，消除瓦斯積聚的風(fēng)速不小于1 m/s。

(3)對瓦斯易積聚的空間和襯砌模板臺車附近區(qū)域，可采用局扇等設(shè)備實施局部通風(fēng)來消除瓦斯積聚。

(4)瓦斯隧道各開挖工作面必須采用獨立通風(fēng)，嚴禁任何兩個工作面之間串聯(lián)通風(fēng)。

(5)瓦斯工區(qū)在施工期間，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?；謴?fù)通風(fēng)前，必須檢查瓦斯?jié)舛?。?dāng)停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^1%，并在壓入式局部通風(fēng)機及其開關(guān)地點附近10 m 以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛瘸^1%時，必須制訂排除瓦斯的安全措施?；仫L(fēng)系統(tǒng)內(nèi)還必須停電撤人。只有經(jīng)檢查證實停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^1%時，方可人工恢復(fù)局部通風(fēng)機供風(fēng)的巷道中一切電氣設(shè)備的供電。

3 公路隧道常見的施工通風(fēng)方式

3.1 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)是將軸流風(fēng)機安設(shè)在距離洞口30 m 以外的新鮮風(fēng)區(qū)(上風(fēng)向)，通過通風(fēng)管將新鮮風(fēng)壓送到開挖工作面，稀釋有害氣體，并將污風(fēng)沿隧道排出洞外，如圖1 所示。壓入式通風(fēng)的優(yōu)點是有效射程大，沖淡和排除炮眼的作用比較好，工作面的污濁空氣沿隧道流出，沿途帶走隧洞內(nèi)的粉塵及有毒有害氣體，對改善工作面的環(huán)境更有利。缺點則是長距離掘進排出炮煙需風(fēng)量大，通風(fēng)排煙時間較長，回流風(fēng)污染整個隧道。

圖1 壓入式通風(fēng)

3.2 抽(排)出式

此方式細分為抽出式和排出式。抽出式通風(fēng)是將通風(fēng)機安設(shè)在距離洞口30 m 以外的下風(fēng)向，通過剛性負壓風(fēng)管將開挖工作面產(chǎn)生的污風(fēng)抽出洞外，新鮮風(fēng)沿隧道進入到開挖工作面，其布置方式如圖2 所示。

圖2 抽出式通風(fēng)

排出式通風(fēng)是將通風(fēng)機安設(shè)在開挖工作面污染源附近，通過通風(fēng)管將污風(fēng)排出洞外，洞外通風(fēng)管出風(fēng)口也需在距離洞口30 m 以外的下風(fēng)向，新鮮風(fēng)也是沿隧道進入到開挖工作面，其布置方式如圖3。

圖3 排出式通風(fēng)

抽(排)出式通風(fēng)的優(yōu)點是在有效吸程內(nèi)排煙效果好，排除炮煙所需風(fēng)量小，回流風(fēng)不污染隧道。缺點則是有效吸程很短，只有當(dāng)風(fēng)筒口離工作面很近時才能獲得滿意的結(jié)果。

3.3 混合式通風(fēng)

混合式通風(fēng)是將壓入式與抽(排)出式聯(lián)合布置的一種通風(fēng)方式。壓入式通風(fēng)機安設(shè)在洞口到抽(排)出式通風(fēng)進風(fēng)口之間的合適位置，與抽(排)出式通風(fēng)進風(fēng)口保持10 m以上的間距，抽(排)出式通風(fēng)的出風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在距離洞口30 m 以外的下風(fēng)向，新鮮風(fēng)由壓入式通風(fēng)機通過風(fēng)管壓送到開挖工作面，污風(fēng)到達抽(排)出式通風(fēng)進風(fēng)口處被吸入排出洞外，如圖4 所示。

圖4 混合式通風(fēng)

混合式通風(fēng)方式兼有以上兩種方式的優(yōu)點，能達到快速降塵的目的。缺點則是必須在洞內(nèi)同時鋪設(shè)兩路風(fēng)管，在洞內(nèi)狹小的空間內(nèi)將會干擾施工運輸、砼襯砌等項工作，且風(fēng)管管路的續(xù)接、維護工作量也大大增加，一般只在長隧道、對通風(fēng)要求高及需要搶抓進度等情況下才考慮使用。

3.4 巷道式通風(fēng)

巷道式通風(fēng)一般應(yīng)用在有聯(lián)絡(luò)通道的平行雙洞條件下，在輔助坑道(斜井、橫洞、豎井等)貫通的情況下有時也可以局部采用。巷道式通風(fēng)可細分為主扇巷道式、射流巷道式(包括輔助坑道巷道式)。

主扇巷道式通風(fēng)是在平行雙洞的其中一個洞口附近單獨設(shè)置風(fēng)道和主扇風(fēng)機房，該洞口必須利用風(fēng)門封閉(防止風(fēng)流短路)，主風(fēng)機安設(shè)在主扇風(fēng)機房內(nèi)，通過風(fēng)道向隧道內(nèi)壓送新鮮風(fēng)或者抽出污風(fēng)，另一個洞口排出污風(fēng)或者引進新鮮風(fēng)，開挖工作面利用安設(shè)在新鮮風(fēng)區(qū)的局扇(壓入式風(fēng)機)和通風(fēng)管來獲取新鮮風(fēng)。

射流巷道式通風(fēng)布置方式與主扇巷道式有很多相似之處，此方式取消了主扇、風(fēng)機房、風(fēng)道和風(fēng)門，改用射流風(fēng)機為動力來引射新鮮風(fēng)，開挖工作面仍然是利用安設(shè)在新鮮風(fēng)區(qū)的局扇(壓入式風(fēng)機)和通風(fēng)管來獲取新鮮風(fēng)。要求局扇后面的橫通道必須及時封閉并封堵嚴密(避免風(fēng)流短路或污風(fēng)循環(huán))。

巷道式通風(fēng)的優(yōu)點是利于車輛通行，簡化施工管理，減少施工干擾;風(fēng)機、通風(fēng)管及其他通風(fēng)設(shè)備少;通過增減射流風(fēng)機臺數(shù)可調(diào)節(jié)總風(fēng)量的大小;橫通道的射流風(fēng)機安裝在頂部，下部允許人員及車輛通過。缺點則是被污染的風(fēng)流會進入工作面。

4 施工通風(fēng)方案

4.1 階段性通風(fēng)方案

銅鑼山隧道進口段高瓦斯段，根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，可供選擇的通風(fēng)方式有管道獨頭壓入式和巷道式通風(fēng)。壓入式通風(fēng)需隨著開挖面的推進而不斷接長風(fēng)管，通風(fēng)阻力也隨風(fēng)管延長而增大，加之沿程漏風(fēng)，到達工作面的風(fēng)量和風(fēng)壓隨著通風(fēng)距離的延長而不斷減少。為了滿足瓦斯隧道的通風(fēng)要求，就必然需要增加供風(fēng)風(fēng)機的風(fēng)壓和風(fēng)量，并接長風(fēng)管，與此相對應(yīng)的相關(guān)成本也隨之成倍增長，因此在特長隧道施工中自始自終采用獨頭壓入式通風(fēng)方案顯然經(jīng)濟上并不合理。巷道式通風(fēng)適用于線間距較小且平行施工的兩條隧道，其特點是通過兩條隧道間適當(dāng)位置的橫通道使相鄰的兩條隧道組成一個完整的風(fēng)流循環(huán)系統(tǒng)。由于利用整個隧道作為風(fēng)道，故這種通風(fēng)方式斷面大、阻力小，可供應(yīng)較大的風(fēng)量。在充分調(diào)研我國已建和在建隧道施工通風(fēng)的經(jīng)驗，并統(tǒng)籌考慮施工通風(fēng)方案的可行性和經(jīng)濟性，確定在銅鑼山隧道施工中分階段采用壓入式通風(fēng)與巷道式通風(fēng)。

由于銅鑼山隧道進口左右線煤系地層的長度分別為726 m 和741 m，進口至1#車行橫通道間距離為775 m，即進口高瓦斯地段在1#車行橫通道前，在該地段采用有管道的獨頭壓入式通風(fēng)，并向1#橫通道后無瓦斯地段再延伸50 m。自1#橫通道50 m 以后，則采用巷道式通風(fēng)。

銅鑼山隧道兩個施工標(biāo)段劃分在3#車行橫通道，因此將隧道進口工區(qū)分別按三個施工段進行施工通風(fēng)設(shè)計。

第一區(qū)段:

入口～1#車行橫通道后50 m 區(qū)段(高瓦斯區(qū)段)。

第二區(qū)段:

1#車行橫通道后50 m 區(qū)段～2#車行橫通道區(qū)段。

第三區(qū)段:

2#車行橫通道區(qū)段～3#車行橫通道區(qū)段。

各區(qū)段的風(fēng)機布置如圖5～圖7 所示。

圖5 第一區(qū)段進口工區(qū)壓入式通風(fēng)平面布置

圖6 第二區(qū)段進口工區(qū)巷道式通風(fēng)平面布置

圖7 第三區(qū)段進口工區(qū)巷道式通風(fēng)平面布置

4.2 隧道進口需風(fēng)量計算

開挖面需風(fēng)量計算按照洞內(nèi)工作面同時工作的最多人數(shù)、隧道內(nèi)最小瓦斯積聚風(fēng)速、隧道內(nèi)最小風(fēng)速、隧道內(nèi)最佳排塵風(fēng)速、一次性爆破所需要排除的炮煙量、絕對瓦斯涌出量和無軌運輸洞內(nèi)需風(fēng)量分別計算，取最大值作為配風(fēng)標(biāo)準的控制風(fēng)量。

根據(jù)各區(qū)段劃分及地質(zhì)情況，分別計算了各工區(qū)各區(qū)段的需風(fēng)量見表1(由于篇幅所限，且計算公式在大多數(shù)參考文獻里都有詳細描述，不再贅述)。

表1 進口工區(qū)各區(qū)段需風(fēng)量表

4.3 風(fēng)機供風(fēng)量的確定

壓入式風(fēng)機的供風(fēng)量由式(1)計算，式中k1為有效風(fēng)量率。

式中:η100為百米漏風(fēng)率;L為壓入通風(fēng)的長度。

4.4 風(fēng)筒阻力計算

風(fēng)筒的風(fēng)阻由風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻和局部風(fēng)阻，以及接頭的局部風(fēng)阻構(gòu)成(計算公式略)。

表2 風(fēng)管阻力計算結(jié)果

4.5 隧道阻力及射流風(fēng)機計算

隧道阻力的計算與風(fēng)管阻力計算相同，僅需將公式中相關(guān)參數(shù)代為隧道參數(shù)(計算公式略)。

表3 各通風(fēng)區(qū)段射流風(fēng)機計算結(jié)果表

4.6 通風(fēng)設(shè)備配置

表4 隧道進口通風(fēng)設(shè)備配置表

5 結(jié)束語

目前，銅鑼山隧道進口左、右線已分別掘進了950 m 和940 m，施工通風(fēng)已完成從第一區(qū)段壓入式通風(fēng)向第二區(qū)段巷道式通風(fēng)的成功轉(zhuǎn)換。在上述兩個區(qū)段的施工過程中，通過對隧道內(nèi)的風(fēng)速、含氧量、有害氣體及粉塵濃度等參數(shù)進行了實時的量測、記錄，除放炮和出碴工序中空氣能見度較低外，其他工序均能滿足勞動衛(wèi)生標(biāo)準和公路隧道施工規(guī)范的要求。

銅鑼山隧道進口將壓入式通風(fēng)與巷道式通風(fēng)結(jié)合起來使用，并且在巷道式通風(fēng)過程中采用了射流通風(fēng)技術(shù)，很好地保障了瓦斯隧道的施工通風(fēng)效果，有效地改善了洞內(nèi)一線工作人員的生產(chǎn)環(huán)境，同時還降低了通風(fēng)成本，實現(xiàn)了銅鑼山隧道施工安全、質(zhì)量、進度和經(jīng)濟目標(biāo)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

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