高海拔地區(qū)特長高瓦斯隧道施工的通風方案

孫立成

（四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司，四川 成都 610200）

0 引 言

公路隧道通風方式一般包括壓入式、抽（排）式、混合式和巷道式，長大隧道采用巷道式通風方案較多，關(guān)于巷道式通風技術(shù)國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究，并取得了一定成果［1－5］。但是，通風方案一般是基于普通長大隧道建立模型，或者只考慮單一因素對通風的影響，然后通過計算需風量，從而確定風機的選型和現(xiàn)場設(shè)備布置；此外，一般編制方案以后，現(xiàn)場執(zhí)行情況較差，沒有考慮隧道復(fù)雜的施工環(huán)境對通風方案執(zhí)行的影響，如施工過程中風帶的破壞、聯(lián)絡(luò)通道封堵、溫度和濕度對通風效果的影響［6－9］。

本文研究的隧道不僅是長大隧道，更是高瓦斯和高海拔地區(qū)隧道，對于施工的通風風速要求更高，設(shè)備的功率損耗更大。為了提高通風方案的指導(dǎo)性，本文闡述方案執(zhí)行、方案過程控制和方案動態(tài)調(diào)整3個方面，通過糾偏和調(diào)整找到方案執(zhí)行的最佳狀態(tài)；同時為了解決高海拔地區(qū)特長高瓦斯隧道通風問題，結(jié)合在建的寶鼎2號隧道，制定出合理的施工通風技術(shù)方案。

1 工程概況

寶鼎2號隧道左洞長8 870m，右洞長8 860m，是攀枝花至大理高速公路的控制性工程，為雙洞分離式四車道高速公路隧道，設(shè)計速度為80km·h－1。隧道最大埋深為646m，K23＋322～K20＋240（3 082m）為低瓦斯區(qū)段，K20＋240～K18＋640（1 600m）為高瓦斯區(qū)段。高瓦斯開挖地段主要為Ⅴ級、Ⅳ級和Ⅲ級圍巖，開挖均采用鉆爆法施工，對施工通風提出了很高的要求。

寶鼎2號隧道K20＋240～K18＋640地段為高瓦斯區(qū)段，順路線長度約為1 600m。為滿足瓦斯地段風速不小于1m·s－1的要求，隧道的需風量相較于無瓦斯隧道高出很多。

寶鼎2號隧道K18＋640～K23＋322段平均高程為1 432m，最高高程在1 500m左右，這個高度對于CO的濃度限值沒有影響，但是海拔高度增加后大氣壓相較于平原地區(qū)下降較多，為平原地區(qū)的0.838倍，由于風機的風壓與氣壓成正比，因此高海拔將對風機的性能產(chǎn)生影響。

2 隧道施工通風計算

2.1 通風方式的選擇及工區(qū)劃分

寶鼎2號隧道長約9km，本次計算的范圍為4.8km。目前國內(nèi)隧道大多開辟輔助坑道實現(xiàn)多個作業(yè)面同時施工，并利用既有的施工輔助坑道作為通風道，以縮短獨頭通風管道長度。由于寶鼎2號隧道為高瓦斯隧道，且是公路隧道，左右線通過車行橫通道相連接，為保證通風效果，隧道施工選擇獨頭壓入式通風和射流巷道式通風相結(jié)合的方式。

射流巷道式通風是利用射流風機的增壓作用，在平行雙洞和橫通道組成的通道中形成主風流，使新鮮空氣從一個隧道進入，通過送風管道將新鮮空氣送到工作面，再從另一個洞流出［10－12］。該通風方式縮短了送風管道長度，減小了通風阻力，降低了能耗，同時也減少了總供風量。該技術(shù)目前在雙洞隧道和設(shè)平導(dǎo)的單洞隧道施工中被廣泛采用。

根據(jù)車行橫通道的位置，寶鼎2號隧道工區(qū)里程劃分如表1和圖1所示。

表1 寶鼎2號隧道工區(qū)劃分

圖1 寶鼎2號隧道工區(qū)劃分示意

2.2 寶鼎2號隧道施工需風量

根據(jù)隧道各工區(qū)劃分及地質(zhì)情況，分別計算了各工區(qū)的需風量，結(jié)果如表2所示。

表2 寶鼎2號隧道各工區(qū)施工需風量

3 隧道施工通風設(shè)備的選擇

3.1 風機供風量的確定

寶鼎2號隧道第1工區(qū)采用獨頭壓入式通風，其他工區(qū)均采用巷道式通風，壓入式風機的供風量應(yīng)按表2中最大需風量Qmax確定，隧道里的風速則由最大風速確定。壓入式風機的供風量

其中

式中：k1為有效風量率；L為通風管最大長度；η為機械效率。

各工區(qū)的風機供風量如表3所示。

表3 寶鼎2號隧道各工區(qū)風機供風量

3.2 風管阻力計算

拉鏈軟風管具有接頭不脫落、阻力小、漏風少、筒體強度高、抗靜電、阻燃、重度輕、體積小、安裝簡便、省力省時等特點，適用于鐵路隧道、公路隧道、水路隧洞、冶金礦井及城市地鐵的壓入式和以排為主的混合式通風，建議采用該類型風管進行施工［13－15］。

考慮到高瓦斯地段隧道需風量大、風機供風量大以及出渣便易的因素，提出在高瓦斯地段每個隧道采用2個Φ1 600mm風管，在低瓦斯地段正常情況下布置雙風管，一般只使用單風管，另一條風管備用，待檢測出來瓦斯后再使用雙風管。經(jīng)計算各工區(qū)的風管阻力如表4所示。

表4 寶鼎2號隧道各工區(qū)風管阻力計算結(jié)果

3.3 隧道阻力及射流風機計算

隧道通風阻力的計算與風管通風阻力的計算相同，隧道通風阻力由隧道的摩擦阻力和局部阻力構(gòu)成。經(jīng)計算各工區(qū)的隧道通風阻力如表5所示。

表5 寶鼎2號隧道通風阻力計算結(jié)果

隧道采用SSF型No7.1防爆型射流風機，各工區(qū)所需射流風機臺數(shù)如表6所示。

表6 寶鼎2號隧道射流風機計算結(jié)果

3.4 設(shè)備選型

壓入式風機應(yīng)選擇能滿足各個通風區(qū)段供風量及風壓的軸流風機。由于寶鼎2號隧道海拔高度在1 500m左右，大氣壓相較于平原地區(qū)低很多，僅為平原地區(qū)的0.838 6倍，而風機的風壓與氣壓成正比，因此風機在該地區(qū)的性能比平原地區(qū)偏低。各工區(qū)風機的供風量和風機需要滿足的風壓如表7所示。在滿足寶鼎2號隧道施工風量和風壓的條件下，計算并選取設(shè)備參數(shù)，結(jié)果見表8。

表7 寶鼎2號隧道各工區(qū)風機需滿足的風量和風壓

表8 隧道通風設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果

3.5 風管選型

風管選用拉鏈軟風管，它具有接頭不脫落、阻力小、漏風少、筒體強度高、抗靜電、阻燃、重度小、體積小、安裝簡便、省力省時等特點，直徑為1 600mm的接頭采用拉鏈連接的方式，百米漏風率要小于1%，摩擦系數(shù)λ不大于0.014。

3.6 風機的布置方案

根據(jù)風機設(shè)備選型和風管選型，寶鼎2號隧道設(shè)備選型及布置原則如下。（1）軸流風機采用防爆型風機，功率為2×160kW。（2）風管采用拉鏈軟風管，直徑為1 600mm，瓦斯地段風管離掌子面的距離不大于5m。

（3）射流風機采用SSF型No7.1防爆型射流風機，功率為30kW。

（4）采用壓入式通風的第1工區(qū)，軸流風機置于洞口外30m處；采用巷道式通風的工區(qū)，軸流風機置于距掌子面最近的車行橫通道前30m處［16］。

（5）為防止掌子面與襯砌臺車間瓦斯積聚，各工區(qū)施工時在掌子面與襯砌臺車間設(shè)置1臺射流風機，風流吹向洞口。

（6）除距掌子面最近的車行橫通道（用于通風）外，其余車行、人行橫通道均關(guān)閉。

根據(jù)以上原則及通風方式的選擇和工區(qū)劃分，施工的具體通風方案及布置如下。

3.6.1 第1工區(qū)

第1工區(qū)采用壓入式通風，設(shè)備布置如圖2所示。左、右洞各2臺壓入式軸流風機。射流風機共4臺，具體布置為：在右洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在右洞洞口100m處布置1臺（風流吹向洞外）；左洞布置與右洞一樣。

3.6.2 第2工區(qū)

第2工區(qū)采用巷道式通風，設(shè)備布置如圖3所示。壓入式軸流風機共4臺，布置在左洞。射流風機共5臺，具體布置為：在左洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在距左洞洞口420m處布置1臺（風流吹向洞內(nèi)），在右洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在距右洞洞口420 m處布置1臺（風流吹向洞外），在距掌子面最近的車行橫通道內(nèi)布置1臺（風流吹向右洞）。

圖2 第1工區(qū)施工通風

3.6.3 第3工區(qū)

第3工區(qū)采用巷道式通風，設(shè)備布置如圖4所示。壓入式軸流風機共4臺，布置在左洞。射流風機共7臺，具體布置為：在左洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在主隧道緊急停車帶（7＃、8＃車行橫通道附近）處各布置1臺（風流吹向洞內(nèi)），在右洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在主隧道緊急停車帶（7＃、8＃車行橫通道附近）處各布置1臺（風流吹向洞外），在距掌子面最近的車行橫通道內(nèi)布置1臺（風流吹向右洞）。

圖3 第2工區(qū)施工通風

3.6.4 第4工區(qū)

第4工區(qū)采用巷道式通風，通風方案及設(shè)備布置如圖5所示。壓入式軸流風機共4臺，布置在左洞。射流風機共9臺，具體布置為：在左洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在主隧道緊急停車帶（7＃、8＃車行橫通道附近及2＃聯(lián)絡(luò)道）處各布置1臺（風流吹向洞內(nèi)）；在右洞掌子面與襯砌臺車間布置1臺（風流吹向洞外），在距左洞洞口100m、3 200m處及主隧道緊急停車帶（7＃、8＃車行橫通道附近及2＃聯(lián)絡(luò)道）處各布置1臺（風流吹向洞外），在距掌子面最近的車行橫通道內(nèi)布置1臺（風流吹向右洞）。

圖4 第3工區(qū)施工通風

圖5 第4工區(qū)施工通風

4 通風方案現(xiàn)場管理

4.1 方案的執(zhí)行

在實際施工過程中，常會出現(xiàn)方案執(zhí)行不徹底、對施工通風認識程度不夠、經(jīng)常曲解或者打折扣執(zhí)行等問題，例如：隨意選用風機和風管進行匹配，不設(shè)置或者少設(shè)置射流風機，橫通道應(yīng)付性封堵而造成污風循環(huán)，無軌運輸不進行撒水降塵等。對此要求施工單位認真進行交底，正確理解設(shè)計文件，嚴格貫徹執(zhí)行設(shè)計文件。

4.2 方案的過程控制

理論計算采用的風管平均百米漏風率較低，由于施工現(xiàn)場通風管理不到位，實際漏風率會遠遠大于設(shè)計值，造成通風效果達不到要求。所以設(shè)計要求必須選用性能參數(shù)達標的風管，每100m漏風率達到低于1%的要求。同時，教育施工人員充分認識到施工通風的重要性，愛護通風管路，加強日常維修保養(yǎng)，及時進行修補和更換，以便提高通風管理水平，保證優(yōu)良的通風效果。需要封閉的橫通道必須封堵嚴密，避免發(fā)生污風循環(huán)。能夠貫通的橫通道必須及時貫通，以便及時進行施工通風階段調(diào)整，縮短獨頭送風距離［17］。

4.3 方案動態(tài)調(diào)整

通風設(shè)計方案不是現(xiàn)場執(zhí)行后就一成不變，要定期測試風速和風流方向，尤其是檢測通風管道突變的地方是否出現(xiàn)紊流。定期對通風效果和洞內(nèi)空氣質(zhì)量進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果及時進行施工通風優(yōu)化調(diào)整。

5 結(jié) 語

通過對高海拔地區(qū)特長高瓦斯隧道進行通風方案的設(shè)計，合理配置較大功率的風機，并采用雙風管的通風方式，既滿足了高瓦斯隧道的風量要求，又避免了高海拔對通風效果的影響。從現(xiàn)場反饋的情況來看，通風效果良好，風路運行正常，節(jié)約了通風用電。在通風過程中，發(fā)現(xiàn)主洞和橫通道連接位置由于存在一個夾角，導(dǎo)致風道不順直，易在此處形成紊流，減弱風的流速，影響通風效果；通過現(xiàn)場測試分析，認為可以采用增加射流風機的方式來調(diào)整風流方向，但由于每個通道位置不一樣，射流風機布置的位置和設(shè)備的選型等方面需要進一步研究。