高瓦斯特長鐵路隧道襯砌拆換段施工通風技術研究

李建軍

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著近年來我國鐵路瓦斯隧道的建設和施工技術的進步和飛速發(fā)展，10 km及以上的特長鐵路瓦斯隧道不斷涌現(xiàn)[1]，我國是一個天然礦產(chǎn)資源較豐饒的國家，鐵路瓦斯隧道在建設和施工的過程中時常會出現(xiàn)瓦斯大量逸出的情況，嚴重的直接影響其施工進度和隧道的施工人員安全，隨著我國鐵路瓦斯隧道的數(shù)量不斷的增多，瓦斯逸出隧道的數(shù)量也得到了相應逐年的增加，特長鐵路瓦斯隧道的施工通風和安全問題已經(jīng)是目前我國鐵路瓦斯隧道建設和施工中普遍面臨的重要技術問題。

近年來，對于瓦斯隧道施工通風技術研究已有不少，如:白俊等[2]對于新建滬昆高速客運專線滬昆鐵路大茶山高瓦斯隧道的斜井及正洞施工的通風技術進行了深入的研究，并進一步提出針對該茶山高瓦斯隧道的施工通風設備參數(shù)的要求；趙志飛[3]研究了隧道瓦斯的監(jiān)測處理方法，得出了發(fā)耳隧道內(nèi)部瓦斯?jié)舛确植嫉囊话氵w移擴散規(guī)律；張云龍等[4]以白楊林隧道施工過程為中心的案例，對白楊林長大隧道施工過程中的瓦斯隧道通風效果進行了深入研究；曾昌等[5]通過對隧道內(nèi)部的整體、掌子面附近和隧道主洞與橫通道連接處的瓦斯逸出量體積的分數(shù)及其分布深入研究，分析了隧道內(nèi)部整體瓦斯?jié)舛确植嫉奶攸c；王江龍[6]通過依托于中國太古高速西山隧道1＃斜井施工，對瓦斯隧道施工的過程中，通風管距掌子面的距離對隧道內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊姆植己屯L情況的直接影響和作用進行了深入研究；彭佩等[7]通過研究分析了局部風扇隧道瓦斯布設位置對瓦斯?jié)舛?、風流速度分布的直接影響；張磊等[8]根據(jù)隧道瓦斯的逸出量和風流場的特點，對隧道采用豎井施工和輔助瓦斯通風的情況下瓦斯壓入式隧道施工的通風情況建立了流體力學的分析模型，研究了隧道內(nèi)流場分布的規(guī)律和隧道瓦斯?jié)舛确植歼w移擴散的規(guī)律；劉敦文等[9]通過深入研究，獲得并采用了隧道施工過程中風筒的最佳設置方案和其影響，說明了隧道內(nèi)部瓦斯?jié)舛确植家蛩氐闹匾砸约绊樞?；張開鑫[10]提出了關于瓦斯隧道通風的技術性指標；王明年等[11]以軟巖隧道家竹箐高瓦斯隧道為通風設計依托的工程，用了數(shù)值分析的通風設計方法，對隧道的瓦斯活塞滲入通風量進行了較為深度的分析，完成了竹箐長大隧道實際的瓦斯活塞滲入通風速的計算及軟巖隧道運營期間實際的平衡瓦斯通風量的計算；王志成[12]對位于滇西南地區(qū)的玉磨高速鐵路大尖山軟巖隧道通風方案的設計進行了深入的研究設計分析，詳細地介紹了家竹箐長大隧道瓦斯活塞通風的設計標準、通風設計方式的選擇、通風量計算、通風設備的配置以及軟巖隧道通風方案設計施工的技術要點。

現(xiàn)有鐵路隧道施工通風研究集中在依據(jù)具體工程的施工通風優(yōu)化設計及對通風過程各參數(shù)的研究上，對于特殊地段二次施工時的施工通風研究較少，本文依托成貴鐵路高坡隧道，對其軟弱大變形襯砌拆換段二次施工時的通風方案進行了探討，詳細介紹了采用了“機械通風，固定風向”以射流風機為主要通風設備的機械通風并輔以瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)的方法。

2 工程概況

高坡隧道設計位于貴州鎮(zhèn)雄至四川畢節(jié)區(qū)間，為川黔鐵路全線控制隧道的工期工程。高坡隧道設計全長7 944 m，由中鐵十二局、十九局集團共同承建。其中包含的高瓦斯段分別長2 066 m、1 109 m；隧道平導全長2 856 m，主斜井長度為244 m，副斜井長度為408 m。為了充分滿足隧道施工段對隧道工程通風的實際需要，提出:“2橫洞＋1平導＋1通風豎井”的高瓦斯輔助隧道通風設計坑道工程配置通風設計方案。特長瓦斯隧道地理位置見圖1。

圖1 高坡隧道地理位置

成貴鐵路高坡隧道煤系地層軟巖變形段全長424 m。為有效保證二次施工隧道的主體結構和隧道施工安全，按照雙層結構支護、圓形單層襯砌等的各種綜合施工處理和安全保護措施分別進行了保護施作。為確保瓦斯隧道拆換施工安全，采用“機械通風，固定風向”的方法，建立以射流風機為主要通風設備的機械通風方式。

3 通風原則

在正確選擇合適的通風系統(tǒng)時以下幾點應慎重考慮:(1)絕對保證洞內(nèi)施工工作面施工人員機具具有最大的安全性；(2)在松動爆破后30 min內(nèi)，將工作面洞內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档?.5%以下；(3)洞內(nèi)施工通風系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，通風以統(tǒng)一機械通風系統(tǒng)為主，固定風向；(4)隧道施工期間，應注意保持風流的一定連續(xù)性，實施連續(xù)通風；(5)因人工漏電、漏水、檢修、停電等各種原因導致停止了風機的工作時，必須及時地切斷電源，并有序地撤出洞內(nèi)的施工人員；(6)恢復停止風機的工作前，須及時檢查隧道中瓦斯的濃度，以及為了確保人工操作、開動停止恢復風機時的施工人員安全，要求在風機啟動開關處附近20 m以內(nèi)隧道中的瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.75%。

4 襯砌拆換段施工通風方案

根據(jù)高坡隧道正洞貫通后通風方案以及貫通面現(xiàn)場實際風速、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測等情況，在利用現(xiàn)有設備、考慮安全、經(jīng)濟合理的原則上，對高坡隧道軟巖大變形段拆換施工通風方案進行優(yōu)化，具體方案如下:

為確保瓦斯隧道拆換段的施工安全，采用“機械通風，固定風向”的方法，建立以射流風機為主要通風設備的機械通風方式。根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》規(guī)定，鐵路瓦斯隧道瓦斯在風速大于1 m/s的情況下更易消散，分別對正洞及平導中的射流風機數(shù)進行檢算，洞內(nèi)的建筑施工管理環(huán)境具體情況見圖2。

圖2 圓形襯砌段洞內(nèi)施工環(huán)境

4.1 正洞射流風機臺數(shù)檢算

正洞通風距離長7 944 m，考慮到平導未襯砌段落長，瓦斯容易逸出等特殊情況，正洞貫通后，洞內(nèi)風速分別取:正洞設計風速vr＝1 m/s；平導設計風速vr＝2 m/s；自然風引起洞內(nèi)風速vn＝3 m/s。

(1)正洞斷面當量直徑

式中，Ar為凈空斷面積(m2)；Dr為斷面當量直徑(m)。

(2)自然風阻力

式中，ΔPm為自然風阻力(N/m2)；vn為自然風引起的洞內(nèi)風速，取3 m/s；ζe為入口損失系數(shù)，取0.6；λr為摩阻損失系數(shù)，取0.02；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。

(3)通風阻抗力

式中，ΔPr為通風阻抗力(N/m2)；vr為隧道設計風速，取 1 m/s。

(4)交通通風風力

①汽車等效阻抗面積:

式中，Am為汽車等效阻抗面積(m2)；Acs為小型車正面投影面積，取2.13 m2；ξcs為小型車空氣阻力系數(shù)，取0.5；Acl為大型車正面投影面積，取5.37 m2；ξcl為大型車空氣阻力系數(shù)，取1.0；r1為大型車比例，取0.9。

②交通通風風力:

式中，ΔPt為交通通風風力(N/m2)；n＋為與vr同向的車輛數(shù)，取7；n-為vr反向的車輛數(shù)，取7；vt＋為與vr同向的各工況車速，取1.39 m/s；vt-為與vr反向的各工況車速，取-1.39 m/s。

(5)每臺射流風機升壓力

射流風機選用SSF-No.11型45 kW防爆射流風機，出風口風速vj＝35.2 m/s，出風口直徑為1.128 m。

式中，ΔPj為每臺射流風機升壓力(N/m2)；vj為射流風機出風口風速(m/s)；Aj為射流風機出風面積(m2)。

(6)射流風機所需臺數(shù)計算

取:i＝8臺。

4.2 平導射流風機臺數(shù)檢算

平導通風距離L＝5 615 m，射流風機選用SSFNo.11型45 kW防爆射流風機，出風口風速vj＝35.2 m/s，出風口直徑為1.128 m，按正洞射流風機計算方法，算得i＝4.7，取i＝6臺。

4.3 風機布置

中鐵十二局、十九局在正洞各布置4臺射流風機，在平導各布置3臺射流風機(共14臺，每臺功率不小于45 kW)，具體如下:

由中鐵十二局在6-1＃、7＃聯(lián)絡通道正洞大里程側各布置2臺45 kW射流風機；在豎井及5＃、6-1＃聯(lián)絡通道平導大里程側各布置一臺45 kW射流風機；射流風機位置可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整；出風口方向為由成都至貴陽。由中鐵十九局在9＃、13＃聯(lián)絡通道正洞大里程側各布置2 臺45 kW 射流風機；在9＃、12＃、13＃聯(lián)絡通道平導大里程側各布置一臺45 kW射流風機；射流風機位置可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整；為保證貫通后后施工安全，出風口方向為由成都至貴陽。具體布置見圖3。

圖3 風機布置

4.4 局扇

為防止施工期間瓦斯積聚，在各施工臺架、防水板臺車、二襯臺車以及洞室等瓦斯易積聚段均配備局扇。隧道內(nèi)易于積聚瓦斯處風速檢算如下:

(1)施工臺車風速計算

根據(jù)瓦斯易積聚于拱部的特性，臺車拱部144°段落是瓦斯易積聚部位，采用5.5 kW(風量為110～180 m3/s)以及2.2 kW(風量為45～80 m3/s)礦用隔爆型軸流式局部通風機，通過局部通風消除瓦斯積聚。V速5.5＝Q風5.5/S面積＝150/40＝3.75 m/s>1 m/s；V速2.2＝Q風2.2/S面積＝ 60/40 ＝ 1.5 m/s>1 m/s，式中，Q風5.5為風量取值 150 m3/s；Q風2.2為風量取值60 m3/s；S面積為拱部144°范圍凈空面積40 m2。滿足《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》中相關規(guī)定的要求。

(2)洞室風速計算

取最大洞室計算，變壓室洞室凈空面積23.6 m2，采用2.2 kW(風量為45～80 m3/s)礦用隔爆型軸流式局部通風機，通過局部通風消除瓦斯積聚。V速2.2＝Q風2.2/S面積＝60/23.6 ＝2.54 m/s>1 m/s，式中，Q風2.2為風量取值 60 m3/s；S面積為洞室凈空面積23.6 m2。滿足《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》中相關規(guī)定的要求。

5 施工通風監(jiān)測

為了保證測風點在施工過程和操作中的安全以及及時有效避免各種突發(fā)狀況，建立了一套相應的測風安全管理制度，擬定每過10 d進行1次全面的測風。施工期間各測風點應有一套足夠數(shù)量和質(zhì)量的通風安全計量檢測儀表(由工信部和國家環(huán)保局授權的安全檢測儀表機構和計量技術檢驗管理單位負責進行計量檢驗)，各自使用測風機在施工地點和掘進工作面進行即時測風，根據(jù)現(xiàn)場條件判斷該測點的檢測頻率及力度，測風的結果應及時記錄，由相關人員詳細列出并寫在各測風點的記錄牌上，以此清晰地展示該點實際風速數(shù)據(jù)，同時需要根據(jù)實際情況對測風檢驗結果的要求進行對相應風量的自動調(diào)節(jié)以保證施工的安全性。

5.1 風速的測定

5.1.1 自動監(jiān)控系統(tǒng)

瓦斯隧道2＃橫洞工區(qū)利用KJ203自動監(jiān)控系統(tǒng)，安設3臺GFY15(B)型礦用雙向風速傳感器，設置位置如下:高坡2＃橫洞口30 m處、PDK342＋992(平導分界里程處)、D3K343＋169(正洞分界里程)。

高坡隧道斜井工區(qū)安設3臺GFW15型礦用單向風速傳感器，設置位置如下:D3K345＋250正洞拱頂(正向)、D3K345＋255正洞拱頂(反向)、主斜井口30 m處。

5.1.2 測定要求

空氣具有黏性且隧道內(nèi)部隧道壁面是不平整的，具有一定的粗糙度，因此，空氣在隧道中流動時，易產(chǎn)生摩擦，這導致了隧道斷面的風速呈不規(guī)則分布。風速最小處位于隧道壁，且在隧道軸線附近達到最大值，經(jīng)歷由隧道壁到軸線逐步增大的過程。當隧道平均風速測量計位于整個隧道的軸向中心時，測量的結果可能會顯得過大；或者當風速測量計位于整個隧道壁附近時，測量的結果可能會過小。因此，在風速計上測量隧道平均的風速時，不能長期停留在固定的軸向中心位置，而是應沿整個隧道橫斷面上的某條單一路線均勻進行測量，這樣風速計的測量所得結果的準確度才能更真實地直接反映出整個隧道的平均風速，風速測點布置見圖4。

圖4 風速測定點布置(單位：m)

為了方便測量隧道的平均高度和風速，將隧道的橫斷面分成幾個網(wǎng)格，風速計在每個網(wǎng)格中停留的時間相等，從而計算出平均風速，風速曲線見圖5。

圖5 風速曲線

5.2 瓦斯?jié)舛鹊臏y定

瓦斯?jié)舛葴y定時，以既有風速測點為測點進行測試，使用瓦斯檢定器對瓦斯?jié)舛冗M行測定，為了使隧道施工安全最大化，以瓦斯?jié)舛葴y定結果的最大值作為該處的實際瓦斯?jié)舛取?/p>

瓦斯?jié)舛葴y定時，以測點處既有的風速測點為中心對測點進行瓦斯?jié)舛葴y試，使用瓦斯?jié)舛葯z定器對測點處瓦斯的濃度最大值進行測定，為了更好地使隧道施工安全最大化，以瓦斯?jié)舛葴y定結果的最大值作為該處的實際瓦斯?jié)舛取?/p>

瓦斯檢定器在安裝或使用時應當特別注意下列問題:(1)為了保證瓦斯檢定儀器的精準及完好性，在安裝或使用瓦斯檢定儀器時需輕拿輕放，以有效避免瓦斯檢定儀器因受外力而振動、碰撞等原因導致測量結果的不精準；(2)若在測定的工作儀器發(fā)生故障，須第一時間停止測量工作并由專職人員進行相關修理；(3)大型隧道風流需要劃定的空間范圍一般主要是位于距頂、底等各20 cm的特定空間，測量工作須在風流范圍進行；(4)儀器定期檢修、校正的周期不得大于7 d。

平導貫通后每日瓦斯?jié)舛茸畲笾狄妶D6。

圖6 平導貫通后每日瓦斯?jié)舛茸畲笾?/p>

6 結論

在高瓦斯特長鐵路隧道軟弱大變形襯砌拆換段采用“機械通風，固定風向”的方法，建立以射流風機為主要通風設備的機械通風方式，保證了瓦斯隧道二次施工的安全；對隧道內(nèi)部瓦斯的濃度及其風速情況進行了高頻率自動通風監(jiān)控，建立了自動通風監(jiān)控的系統(tǒng)，為高瓦斯特長鐵路隧道的施工提供了更安全的保障，也為今后其他同類型高瓦斯特長鐵路隧道的施工提供了更為可靠的技術和理論支持。