躍龍門隧道大變形整治階段高瓦斯環(huán)境下通風技術研究

引言

在“一帶一路”倡議的推動下，我國鐵路建設進入了高速、全面發(fā)展的階段。鐵路隧道工程也隨著工程技術的發(fā)展，逐漸趨于特長型隧道建設。在隧道施工中，施工通風雖然不是主打專業(yè)，但是其重要性不言而喻，是影響特長隧道能否修建的重要因素之一，通常決定著隧道施工的獨頭長度和輔助坑道的設置。大量工程實踐表明，穿越煤系及非煤系的特長高瓦斯鐵路隧道面臨嚴峻的長距離施工通風問題以及瓦斯溢出的突發(fā)災害安全問題，不僅影響隧道施工的整體安全、質量和進度，還關系隧道施工作業(yè)人員的生命安全等問題。

本文對成蘭鐵路躍龍門隧道3號斜井工區(qū)“雙線分修+平行導坑設置”結構進行分析，就軟巖大變形復雜環(huán)境下的高瓦斯隧道通風技術進行研究和探討，圍繞特長鐵路瓦斯隧道長距離、多工作面施工通風問題展開系統(tǒng)研究，并提出解決辦法和相應安全管控措施。

1.工程技術背景

躍龍門隧道由中鐵十九局集團承建，采用雙線分修的方式，最大線間距60m、最小間距30m，隧道左線全長19981m、右線全長20042m。全隧道采用“1平導+3斜井+2橫洞+2泄水洞+1副洞”的設置方案，均采用無軌運輸模式組織施工。其中，3號斜井工區(qū)承擔斜井2025m、平行導坑5735.033m、泄水洞1970m、正洞左線7597m、右線4455m的施工任務，其轉入正線施工區(qū)段后，最大獨頭掘進長達8km，長距離獨頭掘進施工通風難度極大，為全線控制工期性工點。

該段埋深720m～1100m，最大水平主應力值在20MPa ～25MPa之間，垂直應力約為27MPa，垂直應力為最大主應力，屬于高應力值區(qū)，加之炭質板巖、頁巖、千枚巖夾層整體節(jié)理裂隙發(fā)育，層間呈薄片狀，圍巖受巖漿熱液侵蝕改造、褶皺扭曲等多次構造影響，巖體極其破碎。最終導致平導超前已揭示段1400m整體呈現(xiàn)軟巖大變形、初支變形開裂、高瓦斯溢出的復雜施工環(huán)境，隧道施工通風難度異常困難，直接影響到隧道施工組織及工期控制線路，施工難度屬于國內外罕見。

2.躍龍門隧道軟巖大變形段隧道施工組織及瓦斯通風控制重點

2.1 躍龍門隧道軟巖大變形段施工組織及通風需求情況

2017年10月16日中午12時40分，平導掌子面立架時檢測到有瓦斯氣體溢出，濃度達到0.24%～1.0%，現(xiàn)場立即停工撤離人員并做好通風管理。按照國家鐵路局2017年1月25日發(fā)布的《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB10003-2016），全工區(qū)瓦斯涌出量大于或等于0.5m3/min時，為高瓦斯隧道工區(qū)，據(jù)此判定躍龍門隧道3號斜井工區(qū)為高瓦斯隧道工區(qū)。

結合目前躍龍門隧道大變形施工階段變形及下步施工組織情況分析，總體可劃分為以下兩個階段：一是處理現(xiàn)階段左線23#_24#、平導大變形段，以及右線57#_58#大變形剩余區(qū)段，其余所有作業(yè)面停止施工進行封閉；二是左線、平導以及右線大變形段處理完畢后，下階段采取平導改移方案，采用“階段型混合式”平導超前通風模式。

2.2 躍龍門隧道軟巖大變形段施工階段瓦斯控制重點

第一階段中左線大變形段初支拆換175m整體上采用機械鑿除，局部進行切割和焊接作業(yè)，拆換量大、風險高，且受回填段影響整體隧道通風受阻，加之過程中錨桿、注漿施工孔內瓦斯溢出量受巖層影響賦存較高，進而導致動火作業(yè)施工風險極高。23#左大、24#左線大小里程必須采取獨立通風，以瓦斯自動監(jiān)測為主、人工監(jiān)測為輔。

第一階段中平導變形加固段動火施工作業(yè)較少，但受錨桿、徑向注漿影響，極易導致鉆孔孔內瓦斯溢出且含量較高，風險管控重點主要以瓦斯監(jiān)測尤其是鉆孔內瓦斯的人工監(jiān)測為重點。

第一階段中右線剩余未貫通段，為減少對相鄰洞群的影響，且考慮到高瓦斯工區(qū)盡量減少爆破作業(yè)，故采用非爆破機械開挖可大大減少動火施工作業(yè)，但受錨桿、徑向注漿影響，極易導致鉆孔孔內瓦斯溢出且含量較高，風險管控重點主要以瓦斯監(jiān)測，尤其是鉆孔內瓦斯的人工監(jiān)測為重點。

3.隧道高瓦斯條件下“階段型混合式”通風設計優(yōu)化

3.1 躍龍門隧道整體“階段型混合式”通風設計方案

“階段型混合式”通風技術理論以躍龍門隧道工程總體作為研究主體，利用泄水洞貫通后與3號斜井200m自然高差所形成的氣壓差，通過右線結合風墻的設置，總體形成進風及回風巷道，從而達到負壓排風式通風的目的。

施工期間，“階段型”通風技術需結合平導超前左右正線施工形態(tài)，通過右線新風巷道與平導、左線間的聯(lián)絡通道，采用區(qū)域壓入式與區(qū)域巷道式相結合的通風模式，通過移動風墻位置可將總體獨頭通風距離分割成三段2km的長度，實現(xiàn)“長隧短風”的效果。

3.2 高瓦斯條件下隧道通風設計的階段型優(yōu)化設計

（1）原“階段型混合式”通風設計的不足及優(yōu)化思路

1號泄水洞洞口與3號斜井口有210m高差，有一定自然風壓，可形成1號泄水洞與3號斜井之間的風流自然流動，但因氣候原因，地表空氣溫度、濕度等影響，風量并不穩(wěn)定，大多時間表現(xiàn)為1號泄水洞進風，3號斜井回風，但在極端情況下風流可能停止或逆轉，利用該自然風壓給洞內風機供風不可靠。

通風設計優(yōu)化思路為總體形成躍龍門隧道1號泄水洞、進口至右線小里程作為主進風巷，3號斜井為總回風巷，依靠“主風機+射流風機”形成巷道式機械通風。

對于新風區(qū)域，設計考慮將躍龍門隧道進口至1號泄水洞段落的左右線聯(lián)絡通道封堵；躍龍門隧道1號泄水洞至23橫段落的左線與平導之間聯(lián)絡通道封堵；23橫處平導封堵，57橫處右線封堵。

對于污風區(qū)域，供左線、平導、右線獨頭掌子面的主風機安設在靠近22號橫通道、23號橫通道平導封堵處、57號橫通道右線封堵處，風管穿過平導、左線封堵，分別供24號橫通道左線大里程、平導、58號橫通道右線獨頭掌子面，回風經24號橫通道、58號橫通道、平導、23號橫通道匯入左線，然后由3號斜井底部轉斜井形成總回風，最后經3號斜井洞口排出地面。污風流經路線作為專用出碴運輸通道。

后期獨頭施工達到2個橫通道距離（約900m）后，主風機前移一次，上述封堵整體跟進，實現(xiàn)“長隧短風”的效果，按照規(guī)范要求進行高瓦斯供電、行走機械設備防爆改裝。

（2）各局部作業(yè)點和停工掌子面進回風路線

針對大變形現(xiàn)階段施工處理過程，按照設計通風方案第一階段（即大變形處理階段），整體設置5套通風系統(tǒng)，均采用壓入式通風。

在3號斜井工區(qū)23號橫通道轉左線大里程大變形段處理作業(yè)點，1#軸流風機通風系統(tǒng)配置由平導22#橫通道新鮮風經1#軸流風機，通過風筒獨頭壓入至左線23#橫通道轉左線大里程及變形段反壓回填段（前段采用分叉筒），污風經由左線返回，匯入左線小里程至3號斜井交叉口區(qū)段，最后經3號斜井總回風巷道排出地面；1#軸流風機通風系統(tǒng)配置1臺2＊132kW軸流風機，風筒φ120cm。

在3號斜井工區(qū)24號橫通道轉左線大小里程大變形段停工掌子面，2#軸流風機通風配置由平導主風室（PDK99+640）新鮮風經2#軸流風機，通過風筒轉23#橫通道、穿過左線變形段反壓回填段（左側預留通道），獨頭壓入至左線24#橫通道轉左線大里程及回填段背后（前段采用分叉筒），污風經由24#橫通道返回，匯入平導（23#_24#區(qū)段），再由23#橫通道轉至左線與3號斜井交叉口區(qū)段，最后經3號斜井總回風巷道排出地面；2#軸流風機通風系統(tǒng)配置1臺2＊132kW軸流風機，風筒φ120cm。

在3號斜井工區(qū)平導前段大變形段停工掌子面，3#軸流風機通風系統(tǒng)配置由平導主風室（PDK99+640）新鮮風經3#軸流風機，通過風筒直接穿過平導23#_24#大變形區(qū)段，直接進獨頭壓入至平導前段大變形停工掌子面，污風經由平導（23#_24#區(qū)段），再由23#橫通道轉至左線與3號斜井交叉口區(qū)段，最后經3號斜井總回風巷道排出地面；針對25#橫通道、59#橫通道兩個停工掌子面，分別采取射流風機對其進行局部通風；3#軸流風機通風系統(tǒng)配置1臺4＊110kW軸流風機，風筒φ150cm。

在3號斜井工區(qū)58號橫通道轉右線大小里程停工掌子面，4#軸流風機通風系統(tǒng)配置由右線進風巷的主風室（YDK99+600）新鮮風經4#軸流風機，通過風筒轉57#橫通道、穿過平導23#_24#大變形區(qū)段，經由58#橫通道獨頭壓入至右線58#橫通道轉右線大小里程掌子面（前段采用分叉筒），污風經由58#橫通道返回，匯入平導（23#_24#區(qū)段），再由23#橫通道轉至左線與3號斜井交叉口區(qū)段，最后經3號斜井總回風巷道排出地面；4#軸流風機通風系統(tǒng)配置1臺2＊110kW軸流風機，風筒φ120cm。

在3號斜井工區(qū)57號橫通道轉右線大里程大變形加固作業(yè)點，5#軸流風機通風系統(tǒng)配置由右線進風巷的主風室（YDK99+600）新鮮風經5#軸流風機，直接獨頭壓入至右線大里程掌子面，污風經由57#橫通道回風，再由23#橫通道轉至左線與3號斜井交叉口區(qū)段，最后經3號斜井總回風巷道排出地面；5#軸流風機通風系統(tǒng)配置1臺2＊75kW軸流風機，風筒φ120cm。

3.3 高瓦斯條件下隧道通風設計的階段型優(yōu)化計算

根據(jù)前述傳統(tǒng)施工通風總體思路，進風巷道內依靠射流風機保證新鮮風流風量，隧道內各掌子面施工通風需風量按爆破排煙、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、洞內同時工作的最多人數(shù)和稀釋洞內使用內燃機廢氣分別計算，并按允許風速驗算，選取其中的最大值。

按照分部開挖的最不利因素，坑道施工通風最小風速按0.25m/s計；瓦斯隧道施工中防止瓦斯積聚的風速不得小于1m/s；通風距離取1000m［根據(jù)前述施工通風總體思路，獨頭施工達到2個橫通道距離（約900m）后，主風機前移一次，上述封堵整體跟進，實現(xiàn)“長隧短風”的效果］。本階段需安設5臺風機，盡管未進行正常開挖作業(yè)，但風量計算仍按照開挖掌子面計算，僅列出一個掌子面的需風量計算過程。

（1）掌子面需風量計算

分別按照洞內同時工作的最多人數(shù)計算風量、洞內允許最小風速要求計算風量、按爆破排煙計算、按瓦斯絕對涌出量計算風量、按洞內使用內燃機械計算風量5個方面進行計算，經計算對比可知掌子面需風量計算結果取最大值為1661m3/min。

（2）風筒漏風損失風量修正

QL=Q·PL式中：

QL——風筒漏風損失修正風量（m3/min）；

PL——風筒漏風損失修正系數(shù)。

式中：L——風筒長度，獨頭壓入式通風時獨頭最長1000m；P100——風筒平均百米漏風率，取1.0%。

經計算，通風機吸入風量為QL=1661x1.111=1846m3/min=31m3/s；經隧道風速驗算，獨頭壓入式通風時隧洞內風速為：v=QL/S=1.2m/s。

經驗算，獨頭壓入式通風時隧洞內風速為1.2m/s，大于允許的最小風速1m/s，滿足瓦斯隧道通風要求。

4.隧道通風雙路供電及瓦斯防爆配置方案設計

4.1 整體用電方案

躍龍門隧道3號斜井口由變電站架設10kV高壓專線引至隧道洞口位置。在洞口位置設置箱變，內設高、低壓開關柜、變壓器等設備。柴油發(fā)電機作為第二回電源（配380V/10V逆變器），當高壓電源失電時，及時投入柴油發(fā)電機組（洞口配置1臺1250kW柴油發(fā)電機），保障主通風機、排水設備等一級負荷的供電，避免洞內瓦斯集聚、淹井。洞外、洞內分開供電。

4.2 洞外供電方案

施工現(xiàn)場洞外臨時用電工程采用“TN-S”供電系統(tǒng)（三相五線制），變壓器低壓側380V～220V中性點直接接地，設置專用的保護零線。配電系統(tǒng)采用“三級配電兩級保護”，開關箱必須裝置保護器，洞外主通風機、空壓機、加工房、辦公、生活、監(jiān)控等用電由該變壓器供電。

4.3 洞內供電方案

因施工距離長，目前主通風機、空壓機均已進洞，洞內按需設置變壓器，由地面箱變采用10kV電壓等級送至各變壓器，洞內供電采用煤礦井下變壓器中性點不接地方式供電，低壓供電動力電壓等級采用380V，手動、電動工具及井下照明均規(guī)定采用127V電壓等級。洞內動力、照明、排水、監(jiān)控設備等由該變壓器供電。

根據(jù)實際經驗，洞內低壓施工用電只能維持800m左右距離，每施工800m，礦用移動變電站隨同主通風機、空壓機遷移一次，直至施工結束。

5.隧道通風設備及輔助措施優(yōu)化調整

5.1 風機安裝

巷道式通風時，主要通風機安設在靠近掌子面的車行橫通道中間位置，車行橫通道設置臨時密閉及2道風門，密閉墻厚度≥800mm（圖1）。

圖1 車行橫通道通風機安設橫剖面示意圖

圖2 隧道射流風機布置示意圖

5.2 風量調節(jié)措施

該設計選用多級變速通風機，因隧道通風距離過長造成風量不足或風量不能有效稀釋炮煙和廢氣時，應逐級開啟高速電機，逐漸增大隧道通風量，以滿足通風需求。

5.3 風機階段型轉移

根據(jù)隧道掘進深度，每貫通兩個車行橫通道移動一次通風機。當隧道內完成一個通風循環(huán)后，獨頭壓入式通風機繼續(xù)運轉，同時將備用通風機轉移安設至下一個車行橫通道（第三個車行橫通道）相應位置。在完成了第三個車行橫通道風機的安裝、供電及車行橫通道密閉并保證備用通風機能夠正常運轉、持續(xù)穩(wěn)定供風以后，方可關停第一個車行橫通道的主要通風機，并將設備轉移至第三個車行橫通道，以保證隧道內持續(xù)穩(wěn)定供風。以后循環(huán)以此類推，并根據(jù)需要，增加進風段射流風機數(shù)量（圖2）。

5.4 通風過程中瓦斯監(jiān)測

建立自動監(jiān)控系統(tǒng)，在測點處安設有毒、有害氣體傳感器，建立聲、光報警系統(tǒng)，當監(jiān)測指標超限時，可實現(xiàn)自動報警和自動斷電。監(jiān)控系統(tǒng)應對所監(jiān)控地點的有毒、有害氣體濃度實現(xiàn)遠距離、定點、長期、連續(xù)的自動監(jiān)測。

高瓦斯工區(qū)原則上洞室、總回風、高冒區(qū)、回風、掌子面每兩小時檢測一次，電焊每小時檢測一次；如掌子面出渣時每小時檢測一次，放炮地點每放一炮應嚴格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖放炮”。

由于現(xiàn)階段左線及平導大變形處理階段施工現(xiàn)狀23-24號聯(lián)絡通達大變形至平導掌子面區(qū)間整體全部處于停工狀態(tài)，且作業(yè)面均采用噴砼封閉，可根據(jù)劃定區(qū)域的巡回檢查路線和檢查點設置每班不少于3個巡回，測定后及時填報瓦斯巡檢表。

5.5 水幕降塵降溫

水幕降塵是利用洞內高壓水和高壓風系統(tǒng)，加工制成多噴頭連通器，把水霧化成微細水滴并噴射到空氣中，安裝在掌子面附近的墻腳處，爆破前10分鐘至爆破后30分鐘內打開水幕噴霧降塵降溫。

5.6 高壓風射流防止瓦斯積聚

爆破后打開鑿巖用高壓風形成射流驅逐污濁空氣，對加速排煙、縮短瓦斯高含量積聚時間效果顯著，且無需增加任何設備，方便易行。

6.結語

本文對躍龍門隧道在軟巖大變形復雜環(huán)境下隧道通風進行了說明，針對隧道高瓦斯條件下如何做好大變形隧道施工組織方案配置進行了分析和探討，并對前期“階段型混合式”通風模式從高瓦斯條件下的方案設計優(yōu)化、運行和瓦斯效果等方面進行了監(jiān)測，總結出了高瓦斯隧道與大變形隧道施工階段動態(tài)管理、動態(tài)設計、安全可靠的技術經驗，對于類似特長高瓦斯隧道施工通風方案尤其是在復雜條件下的施工通風動態(tài)設計優(yōu)化具有一定的參考價值，同時為完善我國高速鐵路隧道設計規(guī)范、施工規(guī)范和行業(yè)相關標準提供了真實可靠的工程資料。