淺談城市高瓦斯暗挖法隧道通風機選型技術

張哲寧， 祁海峰， 李小慶

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

隨著城市化的快速發(fā)展，各個城市均出現城市隧道及地下交通建設。暗挖法施工頗受歡迎，并在城市隧道及地下交通工程施工中應用較廣。高瓦斯、淺覆土城市地鐵暗挖隧道具有施工難度大、安全風險高、瓦斯監(jiān)測防控難度大等特點，而處理瓦斯隧道，通風是最好的手段?？茖W、合理、正確地選擇風機尤為關鍵。本文通過成都地鐵18號線施工經驗，總結、分析、提煉出安全和可靠的風機選型與布設方法，為后續(xù)工程提供借鑒。

成都地鐵18號線海昌路站～福州路站暗挖隧道沿天府大道東側敷設，從北往南分別是武漢路支路段(80 m)、武漢路主路段(65 m)及杭州路段(117 m)。杭州路段采用B型襯砌斷面。沿線路方向杭州路暗挖隧道雙線均為5.4‰下坡，杭州路暗挖段洞深最小埋深約8 m。杭州路暗挖隧道平面、斷面見圖1、2。

圖1 杭州路暗挖隧道平面

海昌路站～福州路站區(qū)間隧道穿蘇碼頭油氣田，根據地勘報告，在沿線不同地段均測出有不同程度的瓦斯分布。有害氣體主要有淺層天然氣(CH4)、一氧化碳(CO)氣體。隧道淺層天然氣單位時間最大涌出量估算值為2.31 m3/min。根據地勘資料，武漢路支路隧道、主路隧道為高瓦斯段，杭州路隧道為低瓦斯段。

圖2 杭州路暗挖隧道斷面(單位：mm)

1 通風設計

1.1 通風設計標準

隧道在整個施工過程中，依據《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB10204-2002)，作業(yè)環(huán)境應符合下列職業(yè)健康及安全標準：

(1)空氣中氧氣含量。按體積計不得小于20%。

(2)粉塵容許濃度。每立方米空氣中含有10%以上的游離二氧化硅的粉塵不得大于2 mg。

(3)瓦斯隧道裝藥爆破時，爆破地點20 m范圍內，風流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.0%；總回風道風流中瓦斯?jié)舛葢∮?.75%；開挖面瓦斯?jié)舛却笥?.5%時，所有人員必須撤至安全地點。

(4)有毒、有害氣體最高容許濃度：一氧化碳最高容許濃度30 mg/m3，在特殊情況下施工人員必須進入作業(yè)面時，濃度可為100 mg/m3，但工作時間不得大于30 min；二氧化碳按體積計不得大于0.5%；氮氧化合物(換算成NO2)為5 mg/m3以下。

(5)隧道內氣溫不得高于28℃。

(6)隧道內噪聲不得大于90 dB。

1.2 通風設計參數

(1)瓦斯。根據《成都軌道交通18號線麓博區(qū)間巖土工程勘察報告資料》，杭州路B型斷面隧道屬低瓦斯隧道，有害氣體主要為淺層天然氣，淺層天然氣單位時間最大涌出量估算為2.31 m3/min。

(2)爆破排煙。根據《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術指導書》中通風要求：武漢路處兩段隧道為高瓦斯工區(qū)，放炮后應至少通風30 min；杭州路隧道為低瓦斯工區(qū)，放炮后應至少通風15 min。

(3)人員呼吸。根據《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術指導書》中要求：每人每分鐘至少供給新鮮空氣量4 m3/min；采用內燃機械作業(yè)時，供風量不應小于3 m3/(min·kW)。

(4)隧道施工通風風速。根據《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術指導書》中要求：瓦斯工區(qū)最低風速不應小于1.0 m/s，最高風速不應大于6 m/s：瓦斯的擴散速度比空氣大1.6倍，易透過裂隙、結構松散層溢(涌)出。當風速在0.3 m/s時，甲烷會從發(fā)生點反流形成甲烷帶。當風速為0.5 m/s時，甲烷幾乎不會發(fā)生反流，但也會形成甲烷帶。當風速大于1 m/s時，甲烷散亂，則不會形成甲烷帶，不會在拱頂上部聚積。在通風需風量計算過程中采取風速不小于0.5 m/s，對二襯支架、掌子面等瓦斯可能產生積聚地段，通過增設局扇風機，達到《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》要求的最低風速(小于1 m/s)。

(5)風筒及漏風率。根據《成都地鐵瓦斯隧道施工安全技術指導書》中通風設備要求：壓入式通風管選用螺旋連接通風筒，直徑Φ1.2 m，風筒具有高強度、抗靜電、阻燃柔性能，每節(jié)長度20 m，柔性風筒百米漏風率P100取2%。

(6)氣象要素。根據《成都軌道交通18號線麓博區(qū)間巖土工程勘察報告資料》，隧址區(qū)年平均氣溫16.2℃，年平均氣壓956.4 hPa，年平均相對濕度82%，空氣密度對隧道施工通風影響較小，本設計暫不考慮。

(7)隧道施工采用內燃機械作業(yè)，無軌運輸出渣。裝載機隧道內設計標準車速為5～10 km/h。

(8)隧道開挖采用光面爆破技術，根據爆破方案中炸藥用量計算，有效爆破深度取1 m；單位體積炸藥用量取0.9 kg/m3。

2 通風方案

風機選型主要根據通風需風量、風筒通風阻力以及以往施工經驗確定。瓦斯隧道需要的風量，須按照爆破排煙、同時工作的最多人數、稀釋洞內瓦斯絕對涌出量分別計算，并按允許風速進行檢驗，采用其中的最大值。

杭州路B型襯砌斷面：根據《鐵路隧道工程施工安全技術規(guī)程》(TB10304-2009)：隧道施工獨頭掘進長度超過150 m時，必須采用機械通風。考慮隧道開挖約50 m，且出土孔位于隧道洞口上方，自然通風良好，故計算風量時按二襯斷面面積考慮。

2.1 杭州路B型暗挖段風機選型計算

2.1.1 需風量計算

(1)根據同一時間，洞內工作人員數計算。

Q=q×k×m

(1)

=1.2×30×4=144 m3

式中，k為風量備用系數，采用1.2;m為同時在洞內工作人數，取30人;q為每個工作人員所需新鮮空氣，4 m3/(min·人)。

(2)按爆破排煙計算風量。

(2)

式中，t為通風時間，取15 min；S為隧道斷面面積，為62.6 m2；A為一次爆破炸藥用量，kg。

A=S×l×b

(3)

=62.6×1×0.9=56.34 kg

式中，l為循環(huán)進尺，取1 m；b為單位炸藥用量，取0.9 kg/m3；L0為炮煙拋擲長度，m。

(4)

式中，k0為安全系數，取1.5。

將k0代入式(2)，即：

(3)按稀釋洞內使用內燃機廢棄計算。

(5)

式中，單位功率需風量為3，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。

根據前期籌劃，杭州路B型暗挖斷面擬采用機械設備配置情況詳見表1。

表1 杭州路B型暗挖斷面機械配置

由表1中的數據：

Q=3×(162×0.8+110×0.8+

30×0.8)=724.8 m3/min

(4)按瓦斯涌出量計算。

(6)

=924 m3/min

式中，q為掌子面瓦斯涌出量，取2.31 m3/min；Ca為掌子面允許瓦斯?jié)舛龋?.5%；Co為送入掌子面風流中的瓦斯?jié)舛?，?；K為瓦斯涌出不均衡系數，取1.5～2.0。

(5)按允許最小風速驗算。

按允許風速計算風量時，參照了《煤礦安全規(guī)程》和《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》兩個標準，但差別較大；為確保安全，對本隧道最低風速按0.5 m/s進行通風設計，對模板、踏腔、掌子面等瓦斯可能產生積聚地段通過增設局扇風機，達到《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》要求的最低風速(小于1 m/s)。

60v低·S≤Q≤60v高·S

則1 879.3 m3/min≤Q≤23 594.4 m3/min

式中，v為允許風速，瓦斯工區(qū)最低取0.5 m/s，最高取6 m/s；S為隧道斷面面積，為62.6 m2。

(6)最大風量確定。由前面計算結果知：Qmax=1 879.3 m3/min，則：

Q供=KPQmax

(7)

式中，K為高原修正系數，不受影響，取K=1；P為風筒漏風損失修正系數，按百米漏風率(P100)通風管Φ1.2 m取2%，即：

Q供=KPQmax=1×1.035 2×1 879.3

=1 922 m3/min=32 m3/s

2.1.2 通風阻力計算

h=hf+hx

(8)

式中，h為風筒通風阻力，Pa；hf為風筒摩擦阻力，Pa；hx為風筒局部阻力，Pa。

杭州路B型暗挖段為低瓦斯工區(qū)，通風管擬選用直徑Φ1.2 m PVC增強塑纖布拉鏈式柔性風筒。

(1)風筒摩擦阻力系數計算。

(9)

=0.002 66 N·S2/m4

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，Φ1.2 m柔性風筒取0.017 7；ρ為空氣密度，取1.20 kg/m3。

(2)風筒風阻計算。

(10)

=1.283 N·S2/m8

式中，Rf為風筒風阻，N·S2/m8；D為風筒直徑，均為Φ1.2 m。

(3)風筒摩擦阻力計算。

(11)

=1 287.4 Pa

式中，QL為通風機吸入風量，m3/s。

(4)風筒局部阻力計算。

(12)

=578.2 Pa

式中，ξ為風筒局部阻力系數，N·S2/m4；A為風筒斷面積，m2。

(5)風筒通風阻力計算。

h=hf+hx

(13)

=1 287.4+578.2=1 865.6 Pa

2.2 通風機型號選擇

風機選型計算結果匯總見表2。

表2 風機選型計算結果

通風機型號的選擇主要考慮以下三個條件：

(1)通風機產生的風量不能小于理論計算風量；

(2)通風機直徑與選取通風管直徑不能差別太大；

(3)風機全壓值不小于管道總阻力。

根據以上三個條件及計算結果，選擇隧道軸流通風機，確定的風機種類如表3所示。

表3 瓦斯隧道風機布置

2.3 局扇選擇

隧洞內為避免瓦斯積聚，在隧洞掌子面、二襯支架、杭州路橫通道、瓦斯容易積聚的空間等位置布置局扇，實施局部通風的方法，消除瓦斯積聚。局扇選用FBYNo 4.0/5.5型礦用隔爆軸流局部通風機，主要性能見表4。

3 隧道施工通風設備技術措施

3.1 風 機

(1)壓入式通風機安設在出土孔范圍外不小于20 m處，避免吸入洞內排出的污風。根據現場實際情況，擬將風機安裝在工區(qū)地面上空曠處新鮮風流中，通過風筒連接向隧道內供風。每臺風機后設置同等性能備用風機，并保持性能良好，當主風機發(fā)生故障時，保證備用風機能在10 min內啟用供風。

(2)通風機前后10 m范圍內不得堆放雜物，通風機進口應設置鐵箅，并安設保險裝置。

(3)軸流風機的基礎應水平、堅固，通風機及電動機組件安裝在整塊鋼支架上，鋼支架與基礎之間必須增加橡膠減振墊，且鋼支架要安裝在基礎頂部的減振墊上。另外，鋼支架須固定在混凝土基礎上，減振墊宜采用多孔型橡膠板。

(4)風機支架應穩(wěn)固結實，風機出口處設置加強型柔性管與風管連接，風機與柔性管結合處應多道綁扎，減少漏風。

(5)風機安裝采用20 t吊車進行吊裝，吊車作業(yè)必須持有特種作業(yè)證。

3.2 風 筒

(1)選用高強度、抗靜電、阻燃柔性風筒，風筒必須有出廠合格證，使用前應進行外觀檢查，保證無損壞，黏接縫牢固平順，接頭完好嚴密。

(2)風筒掛設在隧道頂部，吊掛高度大于4.5 m，應做到平、穩(wěn)、直，無扭曲和褶皺。在初支施工作業(yè)時，每5 m標出螺栓位置，然后用電鉆打眼，安置膨脹螺栓，并采用鍍鋅鐵絲，用緊線器張緊。

(3)盡量選擇節(jié)長較大的風筒，以減少接頭數量，風筒接頭應嚴密，百米漏風率不大于2%。使用軟風筒時，靠近通風機部分應采用加強型風筒，風筒破損時，應及時修補或更換。

(4)風筒出口距離掌子面應小于5 m，炮煙拋擲區(qū)采用可折疊風筒，以便放炮時迅速縮至炮煙拋擲區(qū)以外。

(5)應嚴格控制風筒質量，安裝時保持風筒成直線，防止彎折變形。要特別注意風筒防護，避免出渣機械、型鋼支架運輸磨擦損壞風筒。

3.3 供 電

(1)隧道內通風機設兩路電源，其中一路電源從變壓器接出，通過一級配電箱直接接到風機控制柜，風機控制柜與常用風機連接，供電后按風機啟動開關直接控制風機運轉。另一路備用發(fā)電機從備用風機接到風機控制柜，再通過控制柜的另一端口與400 kW發(fā)電機連接。當常規(guī)電源停電或風機出現故障時，立即啟動400 kW的發(fā)電機，由人工合攏手閘，確保在10 min內啟動備用通風機，保證隧道通風和正常作業(yè)不受影響。

(2)洞內局扇風機供電選用專用阻燃電纜，所有電纜接頭使用接線盒，不準有明接頭。

(3)洞內不得帶電檢修、不得隨意搬遷電氣設備、電纜和電線。

(4)備用發(fā)電機必修定期進行維修、保養(yǎng)，每周進行一次全面檢查，確保停電或變壓器故障后10 min內發(fā)電機能給軸流風機正常供電運行。

3.4 風機維修及保養(yǎng)

(1)加強機器在運轉期間的外部檢查，注意機體有無漏風和不正常振動。

(2)定期檢查軸承內的潤滑油量，軸承的磨損情況，葉片有無彎曲和斷裂以及葉片彎曲程度。

(3)機殼內部和葉輪上的灰塵應每季清掃一次，以防銹濁。

(4)在檢查機殼內部時，應嚴防工具和雜物掉入。

(5)注意檢查聯軸器的連接螺絲，必要時進行調整或更換。

(6)按說明書規(guī)定的時間檢查風門及其傳動裝置是否靈活。

(7)在處理電氣設備的故障時，必須首先斷開檢查地點的電源，清掃時注意電動機繞組。

(8)露在外面的機械部分和電氣的裸露部分，要加裝保護罩或遮攔。

(9)備用通風機和發(fā)電機，必修經常處于完好狀態(tài)，并保證能在10 min內進行啟動。

(10)主風機在維修、保養(yǎng)期間，備用風機應正常運行，保證洞內24 h不間斷通風。

4 結 語

海福區(qū)間暗挖法隧道為高瓦斯淺埋暗挖法隧道，施工難度大。在該隧道施工通風中采用壓入式通風方法，保證了工作面的新鮮風量。通過計算，科學地選擇通風設備，既能達到良好的通風效果，又能有效合理地利用電能，由專業(yè)隊伍進行施工通風管理，嚴格按照通風方案施工，使施工通風取得了圓滿的成功，為后續(xù)工程提供有力借鑒。