某鐵路瓦斯隧道復(fù)雜工區(qū)施工通風(fēng)方案

李 敬

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 前言

進(jìn)入20 世紀(jì)后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通、能源等行業(yè)發(fā)展迅速，我國鐵路建設(shè)逐步由平原丘陵地區(qū)向艱難復(fù)雜山區(qū)拓展，同時(shí)高速鐵路大量建設(shè)且雙線隧道占比增大。隧道開挖斷面從過去的45 m2~65 m2，發(fā)展到150 m2甚至更大。艱難復(fù)雜山區(qū)的鐵路建設(shè)隧道比例越來越重，穿越的不良地質(zhì)也越來越多，瓦斯是重要不良地質(zhì)之一。

長大、特長鐵路瓦斯隧道的施工通風(fēng)是保障施工安全的重要措施，但是長距離通風(fēng)直接影響通風(fēng)效果，同時(shí)限制通風(fēng)區(qū)段坑道的使用功能，因此，在地形條件允許的條件下，采用短小淺的橫洞、斜井、豎井作為專用回風(fēng)道或風(fēng)井，實(shí)行分段通風(fēng)，對提高通風(fēng)、施工效率十分有利，一些高瓦斯隧道施工中增加鉆孔豎井作為專用通風(fēng)井，效果良好。所以長大、特長鐵路瓦斯隧道結(jié)合輔助坑道實(shí)現(xiàn)巷道式通風(fēng)，或者通過設(shè)置通風(fēng)井縮短通風(fēng)距離都是解決瓦斯隧道通風(fēng)問題的重要手段[1]。

1 工程概況

工點(diǎn)為單洞雙線隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，隧道全長9964 m，進(jìn)、出口橋臺均伸入隧道洞內(nèi)，隧道最大埋深約620 m。隧道進(jìn)口臨河且無路相通，交通不便，進(jìn)口河對岸有國道，與洞口相對高差約85 m；出口地形陡峭，下方國道與洞口相對高差約38 m，交通不便。

從油氣地質(zhì)條件上來看，隧址區(qū)發(fā)育多套烴源巖，線路附近地表有大量油氣苗露頭，油氣資源豐富。此外，隧址區(qū)含煤地層為二疊系地層，主要有二疊系上統(tǒng)吳家坪組、二疊系下統(tǒng)銅礦溪組。

隧道采用“2 橫洞+進(jìn)口平導(dǎo)+出口平導(dǎo)+1 座通風(fēng)豎井”方式組織施工。橫洞均采用無軌雙車道運(yùn)輸，平導(dǎo)均采用無軌單車道運(yùn)輸。根據(jù)隧道的地質(zhì)條件與檢測到的有害氣體情況，該隧道絕對瓦斯涌出量為1.192 m3/min，為低瓦斯隧道，1#橫洞工區(qū)、2#橫洞工區(qū)均為低瓦斯工區(qū)。隧道為“W”型縱坡，由于1#橫洞與平導(dǎo)位于線路兩側(cè)，因此考慮施工及運(yùn)營排水需求，在1#橫洞與平導(dǎo)之間另設(shè)1 處引水泄水洞。輔助坑道布置如圖1 所示。

圖1 隧道輔助坑道示意圖

2 施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的

隧道內(nèi)施工通風(fēng)主要解決以下4 個(gè)方面的問題：1）給隧道內(nèi)作業(yè)人員提供足夠的新鮮空氣。2）稀釋并排除各種有害氣體和粉塵。3）調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣的溫度、濕度。4）創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，為保障安全，保證質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

施工通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的是為隧道制訂可實(shí)施性的施工組織設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為合理設(shè)置輔助坑道、確定施工運(yùn)輸組織方式、選擇隧道施工工法以及配套相關(guān)土建工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)[2]。

3 施工通風(fēng)方式的選擇

隧道施工通風(fēng)分為自然通風(fēng)以及機(jī)械通風(fēng)。常見的機(jī)械通風(fēng)主要以壓入式通風(fēng)、巷道式通風(fēng)、利用豎井作為排風(fēng)坑道的分段式通風(fēng)[3]。從理論來說，只要能滿足風(fēng)量及洞內(nèi)風(fēng)速的要求，采用壓入式通風(fēng)是可行的；無論是哪種通風(fēng)方式，對開挖工作面來說，實(shí)質(zhì)上是壓入式通風(fēng)，只是獨(dú)頭壓入的長度不同而已。獨(dú)頭通風(fēng)距離越長，考慮風(fēng)管漏風(fēng)及沿程風(fēng)量損失、施工管理等因素，通風(fēng)效果會越差。對巷道式通風(fēng)來說，由于主風(fēng)機(jī)安裝在洞內(nèi)，獨(dú)頭壓入段的距離較短，一般小于1.5 km，這也是采用巷道式通風(fēng)能改善通風(fēng)效果的原因。

隨著隧道施工通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展，大功率、變頻高效風(fēng)機(jī)結(jié)合大直徑新材質(zhì)風(fēng)筒，提高供風(fēng)量，改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，隧道常用的壓入式通風(fēng)的長度也從20 世紀(jì)末的1.5km~2km 提升到目前的3km~4km。

4 施工通風(fēng)的計(jì)算

在隧道施工中，掘進(jìn)工作面所需的風(fēng)量與施工方法、施工作業(yè)的機(jī)械配套條件關(guān)系很大，在一個(gè)作業(yè)循環(huán)中，不同作業(yè)工序?qū)︼L(fēng)量的要求也有較大的差別[4]。進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算的目的是為正確選擇通風(fēng)設(shè)備和為設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)提供依據(jù)。通風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)能力應(yīng)能夠滿足工作面對風(fēng)量的最大需求[5]。

4.1 工區(qū)劃分及通風(fēng)方式的選擇

該隧道為“W”型縱坡，結(jié)合地形條件并考慮排水，一開始隧道設(shè)置“2 橫洞+進(jìn)口平導(dǎo)+出口平導(dǎo)”的輔助坑道。由于進(jìn)、出口均無法開辟工作面，隧道只能由1#橫洞及2#橫洞分別雙向開挖正洞及平導(dǎo)，此時(shí)1#橫洞工區(qū)只能采用壓入式通風(fēng)，最長的通風(fēng)距離達(dá)到3.6 km；2#橫洞工區(qū)在橫洞至大里程方向的正洞和平導(dǎo)貫通后實(shí)現(xiàn)巷道式通風(fēng)。

如果1#橫洞工區(qū)同時(shí)雙向開挖正洞及平導(dǎo)，那么至少需要4 根風(fēng)管同時(shí)從1#橫洞進(jìn)入，顯然普通的無軌雙車道斷面不能滿足要求，必須加大橫洞斷面，此時(shí)，通風(fēng)效果并不理想，給瓦斯工區(qū)帶來極大的安全隱患，對風(fēng)機(jī)、風(fēng)管的要求也極高；如果1#橫洞工區(qū)單向開挖正洞及平導(dǎo)，等一側(cè)貫通后再開挖另一側(cè)的正洞及平導(dǎo)，工期又不滿足要求。在該情況下，于1#橫洞工區(qū)引水泄水洞與平導(dǎo)交叉口附近增設(shè)通風(fēng)豎井，將污風(fēng)引至通風(fēng)豎井排出，實(shí)現(xiàn)了巷道式通風(fēng)，形成了該隧道最終的輔助坑道方案，即“2 橫洞+進(jìn)口平導(dǎo)+出口平導(dǎo)+1 座通風(fēng)豎井”。

各區(qū)段的最不利的壓入長度要結(jié)合施組設(shè)計(jì)來確定，見表1。

表1 隧道各區(qū)段瓦斯類型、通風(fēng)方式及最長壓入長度

4.2 工作面需風(fēng)量計(jì)算

計(jì)算以正洞IV 級圍巖臺階法開挖為例，開挖斷面積119.73 m2，濕周41.23 m，上臺階斷面積66 m2，循環(huán)進(jìn)尺為2.0 m。

隧道工作面需要的風(fēng)量，必須按照同時(shí)工作的最多人數(shù)、按最低允許風(fēng)速、按爆破排煙、按稀釋和排除內(nèi)燃作業(yè)機(jī)械廢氣以及絕對瓦斯涌出量分別計(jì)算，采用其中的最大值。見表2。

表2 隧道各區(qū)段正洞工作面需風(fēng)量

從表2 中可以看出，該隧道雖然是瓦斯隧道，但是絕對瓦斯涌出量并不是本隧施工通風(fēng)的控制因素，按稀釋和排除內(nèi)燃作業(yè)機(jī)械廢氣所需風(fēng)量即可稀釋洞內(nèi)瓦斯，以達(dá)到規(guī)范要求。

4.3 風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算

風(fēng)機(jī)供風(fēng)量計(jì)算如公式（1）所示。

式中：Q供為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量；Q工為工作面需風(fēng)量；β100為風(fēng)管百米漏風(fēng)率；L為通風(fēng)長度。

由此可知，風(fēng)機(jī)供風(fēng)量的數(shù)值大于工作面的需風(fēng)量，其與壓入長度成正比，見表3。

表3 隧道各區(qū)段正洞風(fēng)機(jī)供風(fēng)量

4.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算

風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：P供為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；P摩為風(fēng)管沿程摩擦阻力；P局為風(fēng)管沿程局部阻力；ξ其他為其他局部阻力系數(shù)；λ為沿程摩阻系數(shù)；γ為空氣重度；d為風(fēng)管直徑；V為風(fēng)管風(fēng)速。

風(fēng)機(jī)風(fēng)壓主要是由摩擦阻力控制的，局部阻力的大小取決于風(fēng)管斷面是否彎折或改變斷面尺寸，相對摩擦阻力較小。局部阻力系數(shù)ξ的數(shù)值可以參照《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊 隧道》（修訂版）表12-1-16 中的數(shù)值。需要注意的是，當(dāng)存在不同工況時(shí)，ξ的數(shù)值需要疊加。

風(fēng)機(jī)風(fēng)壓見表4。

表4 隧道各區(qū)段正洞風(fēng)機(jī)風(fēng)壓

從表4 可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的大小與風(fēng)管直徑尺寸息息相關(guān)。風(fēng)管直徑越大，風(fēng)管風(fēng)速越低，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓就越小。在斷面條件允許的情況下，風(fēng)管直徑盡量加大。

4.5 風(fēng)機(jī)的選擇

風(fēng)機(jī)的選擇至少考慮2 個(gè)因素，一個(gè)是風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，一個(gè)是風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。只有能夠同時(shí)滿足這2 個(gè)要求的風(fēng)機(jī)才是適合的風(fēng)機(jī)。開挖斷面越大，工作面需風(fēng)量越大；通風(fēng)距離越長，沿程摩擦阻力越大，對風(fēng)機(jī)的要求也越高。如果是瓦斯工區(qū)，洞內(nèi)風(fēng)機(jī)應(yīng)選擇防爆型，風(fēng)管應(yīng)選擇雙抗軟風(fēng)管。

結(jié)合施工組織，2#橫洞工區(qū)形成巷道式通風(fēng)時(shí)，通過平導(dǎo)開挖正洞工作面，此時(shí)平導(dǎo)內(nèi)放置2 根風(fēng)管，受斷面尺寸限制，2#橫洞工區(qū)正洞選用直徑1.7 m 的風(fēng)管。1#橫洞工區(qū)正洞風(fēng)管直徑的選取相對自由，所以選用直徑2.0 m的風(fēng)管。

風(fēng)機(jī)選擇見表5。

表5 隧道各區(qū)段正洞風(fēng)機(jī)選擇

當(dāng)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量和風(fēng)壓數(shù)值比較大時(shí)，可考慮風(fēng)機(jī)串并聯(lián)。風(fēng)機(jī)串聯(lián)，風(fēng)壓疊加，風(fēng)量不變；風(fēng)機(jī)并聯(lián)，風(fēng)量疊加，風(fēng)壓不變。

5 施工通風(fēng)方案

該隧道為“W”型縱坡，結(jié)合排水、工期、通風(fēng)等要求設(shè)置目前的輔助坑道規(guī)模。

5.1 1#橫洞工區(qū)

1#橫洞工區(qū)的施工通風(fēng)主要分為3 個(gè)階段。第一階段（圖2）為施作1#橫洞及引水泄水洞，此時(shí)，采用壓入式通風(fēng)；第二階段（圖3）為1#橫洞工區(qū)雙向施工平導(dǎo)，并與通風(fēng)豎井貫通，此時(shí)，采用壓入式通風(fēng)，平導(dǎo)污風(fēng)經(jīng)通風(fēng)豎井排出；第三階段（圖4）為1#橫洞工區(qū)正洞分別施工至最近的橫通道后，可與平導(dǎo)形成巷道式通風(fēng)條件，污風(fēng)經(jīng)通風(fēng)豎井排出。

圖2 1#橫洞工區(qū)第一階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

圖3 1#橫洞工區(qū)第二階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

圖4 1#橫洞工區(qū)第三階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

5.2 2#橫洞工區(qū)

2#橫洞工區(qū)的施工通風(fēng)主要分為4 個(gè)階段。第一階段（圖5）為施作2#橫洞，此時(shí)采用壓入式通風(fēng)；第二階段（圖6）為通過2#橫洞雙向開挖平導(dǎo)，此時(shí)采用壓入式通風(fēng)；第三階段（圖7）為2#橫洞工區(qū)正洞大里程端施工至正洞洞口后，將風(fēng)機(jī)移動至正洞出口，小里程端通過平導(dǎo)開橫通道施工正洞，此時(shí)，采用壓入式通風(fēng)；第四階段（圖8）為2#橫洞工區(qū)正洞大里程端貫通后，形成巷道式通風(fēng)條件，污風(fēng)經(jīng)2#橫洞排出。

圖5 2#橫洞工區(qū)第一階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

圖6 2#橫洞工區(qū)第二階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

圖7 2#橫洞工區(qū)第三階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

圖8 2#橫洞工區(qū)第四階段指導(dǎo)性施工通風(fēng)示意圖

6 結(jié)論

瓦斯是嚴(yán)重威脅施工人員生命安全的重大風(fēng)險(xiǎn)，具有突發(fā)性、毀滅性、連鎖性以及廣域性的特點(diǎn)，往往造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害，直接導(dǎo)致對工程結(jié)構(gòu)、工程質(zhì)量、機(jī)械設(shè)備的重大損傷。所以瓦斯隧道的施工安全重點(diǎn)是施工通風(fēng)，施工通風(fēng)的有效性是保障施工安全的前提[6]。施工組織設(shè)計(jì)與施工通風(fēng)設(shè)計(jì)相輔相成，互相影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)施工通風(fēng)優(yōu)化施組，切忌忽視施工通風(fēng)，盲目超前設(shè)計(jì)施組。在施工通風(fēng)設(shè)計(jì)中，充分結(jié)合施組，設(shè)計(jì)最優(yōu)的施工通風(fēng)方案，可為今后類似工程提供借鑒。