瓦斯隧道附屬機電工程通風設計

杜 琳

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著目前高速公路的逐步增多，隧道穿越煤層等特殊復雜區域的情況也越來越多，傳統的設計中對瓦斯的考慮主要在主體設計、施工階段，但是考慮到瓦斯氣體聚集爆炸等帶來的嚴重后果，隧道附屬機電設施設計中也需要在《公路隧道通風設計細則》中所規定的除CO,VI,換氣和火災工況之外考慮瓦斯氣體的影響。本文作者參與設計的云南昭樂高速公路交通工程項目中龍臺隧道、黃連坪隧道、杉木崗隧道，主體單位按照瓦斯隧道進行設計、施工，機電設施設計需配合進行，考慮到目前關于瓦斯隧道相關設計可參考的技術規范有限，而《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》中對于瓦斯隧道的勘察設計、施工、運營及管理提出了詳細的設計指導，該指南適用于兩車道高速公路瓦斯隧道的通風設計，對瓦斯公路隧道附屬機電設施通風設計也具有一定的參考意義。

以下從瓦斯隧道施工通風設計、附屬機電工程通風設計以及運營階段瓦斯事故防治建議三個方面對瓦斯隧道的通風設施設計展開描述。瓦斯隧道施工通風設計需風量的計算公式對于瓦斯隧道通風需風量的理解具有一定的意義，對于附屬機電工程的通風設計以及隧道運營、管理、瓦斯事故防治等均在理論上具有一定的指導意義。

1 瓦斯隧道施工通風設計

根據《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》附錄H中瓦斯隧道的施工通風方案設計，瓦斯隧道施工通風應根據隧道長度、瓦斯涌出段位置及隧道內瓦斯濃度等因素進行施工通風方案的選取。其中提出稀釋瓦斯需風量的計算公式如下:

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg

(1)

其中，Qreq(CH4)為隧道全長稀釋瓦斯的需風量,m3/s；α為瓦斯涌出的不均衡系數，1.5～2；Bg為隧道內瓦斯設計濃度，0.5%；QCH4為隧道內單位時間瓦斯涌出量，m3/s。

(2)

其中，K為透氣系數,m/s；p1為封閉后底層瓦斯壓力，MPa；p為隧址區大氣壓，MPa；S為透氣面積，m2，其中,S=LCH4Lγ;LCH4為隧道穿越瓦斯地段的長度，m；Lγ為隧道斷面周長，m；γA為瓦斯密度，kg/m3,一般取0.716 kg/m3；b為襯砌厚度，m。

上式適用于瓦斯隧道施工通風設計，通過需風量的計算公式可知，瓦斯隧道需風量與隧道襯砌的透氣系數、隧道穿越煤層隧道封閉后近隧道層的瓦斯壓力、隧址區的大氣壓力以及可能引起瓦斯泄露的透氣帶面積、瓦斯地段的長度、襯砌的厚度以及隧道斷面周長有關。

根據上式可知，瓦斯隧道的瓦斯泄露主要存在于隧道穿越煤層段，故瓦斯不同于隧道內CO、煙塵等均勻分布的氣體、顆粒，瓦斯僅在隧道穿越煤層段存在泄露及聚集的可能。

瓦斯的泄露量除與隧道斷面周長Lγ以及隧道穿越瓦斯地段的長度LCH4有關，隧道襯砌厚度b、襯砌的透氣系數K以及可能的透氣面積S也是重要的影響因素，所不同的是，Lγ,LCH4，b，K,S在施工階段，這些值相對比較穩定，但是在隧道運營階段，由于環境對隧道襯砌的影響，以及瓦斯壓力的影響，近隧道層的瓦斯壓力p1，襯砌的透氣系數K以及透氣面積S會發生變化，但是這些值的測量非常困難而且其變化規律也難以確定，故上式對于運營階段隧道通風設計僅具有指導意義并不具備實際的可操作性。

2 瓦斯隧道運營階段通風設計

2.1 瓦斯隧道運營階段通風設計——單處瓦斯泄漏點需風量

以下基于上述計算方法提出另外一種瓦斯隧道通風設計的方法，根據《指南》5.1.2提出的按照瓦斯工區等級絕對瓦斯涌出量的判定指標如下。

表1 瓦斯底層絕對瓦斯涌出量判定標準

目前尚沒有適用于運營階段的瓦斯隧道的瓦斯涌出量的等級指標，參考瓦斯工區等級，由于隧道穿越煤層，僅在部分隧道段存在瓦斯涌出，以作者參與設計的云南昭樂項目為例，經與主體單位溝通交流，瓦斯隧道附屬機電工程通風設計按照瓦斯運營階段低瓦斯隧道考慮，對于單處瓦斯涌出段，瓦斯涌出量取表1中低瓦斯涌出等級的上限值1.5 m3/min，所需的稀釋瓦斯的需風量按照式(1)進行計算如下：

Qreq(CH4)=QCH4×α/Bg=1.5×2/0.5%=10 m3/s。

上式中瓦斯涌出的不均衡系數同樣取《指南》中規定的上限值2，通過計算可知，對于運營階段瓦斯工區等級判定為低瓦斯等級的瓦斯隧道，一處瓦斯工區所需的稀釋瓦斯的需風量為10 m3/s。

2.2 瓦斯隧道通風需風量與隧道換氣需風量

2.2.1瓦斯隧道通風需風量計算方法1

以云南昭樂項目杉木崗隧道為例，隧道通風設計計算所得近期需風量為248 m3/s，相對應于2.1中計算的低瓦斯隧道單處瓦斯工區所需稀釋瓦斯的需風量10 m3/s，隧道通風設計可實現248/10≈25，即低瓦斯隧道25處低瓦斯工區瓦斯泄露的稀釋。

此計算方法具有一定的局限性，對如下數據的判定存在一定的模糊：1)運營階段瓦斯區段的判定標準，通常可認為隧道穿越煤層的區段；2)運營階段瓦斯區段瓦斯泄露等級，該等級主要由區段內瓦斯泄露涌出量Q絕(m3/min)確定，需要在隧道運營階段對瓦斯區段不同位置進行測量并進行數據分析可以得到，同時考慮到隧道襯砌透氣面積的變化、襯砌的透氣系數的不同，各區段的瓦斯泄露涌出量會有一定差異，需要在通風設計中針對通風的分段區段分別考慮該區段內的稀釋瓦斯需風量。

2.2.2瓦斯隧道通風需風量計算方法2

另外該《指南》中提出瓦斯隧道需風量的另一種計算方法，即最小風速需風量計算公式：

Qreq(vmin)=vmin×A

(3)

其中，Qreq(vmin)為隧道全長最小風速需風量，m3/s；vmin為瓦斯隧道最小風速，取1 m/s；A為隧道通風斷面面積，m2。

根據最小風速需風量計算公式，瓦斯隧道全長最小風速需風量數值上等于隧道通風斷面面積，隧道通風設計參考JTG/T D70/2—02—2014公路隧道通風設計細則,其中隧道換氣需風量的計算公式如下：

Qreq(ac)=Vac×Ar

(4)

其中，Vac為隧道換氣風速，不應低于1.5 m/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2。

由式(4)計算所得的隧道換氣需風量大于瓦斯隧道最小風速需風量，且隧道通風設計取稀釋煙塵需風量、稀釋CO需風量以及交通阻滯和換氣的需風量的較大值，故隧道通風設計需風量滿足瓦斯隧道需風量的需求。

2.2.3總結

雖然從需風量的角度上，隧道通風設計可實現低瓦斯隧道運營過程中低瓦斯泄露的稀釋，但是由于瓦斯泄漏點以及瓦斯泄露量的不確定性使瓦斯聚集到一定程度帶來了很大的危害性，故隧道通風設計不能作為大量瓦斯泄露的應對措施。

3 預防瓦斯事故

筆者認為，預防瓦斯事故，首先應從主體施工過程中隧道相關防護等級、隧道結構設計以及主體施工中的瓦斯防治措施等入手，根據《指南》8.2.4瓦斯隧道運營通風應符合以下要求：

1)瓦斯隧道在運營中的濃度不得大于0.5%，超限時應禁止通行，同時開啟全部風機。

2)瓦斯隧道運營中，橫通道內應設置換氣設施。

3)應考慮通過隧道橫向排水管流入中心排水溝的瓦斯流出隧道后的排放措施。

4)需風量計算除需考慮稀釋洞內CO,VI,異味工況、火災排煙等工況外，還應包括防止洞內瓦斯聚集工況。

根據《指南》瓦斯隧道運營通風應在瓦斯隧道內不同位置處尤其是隧道穿越煤層處以及隧道襯砌薄弱處設置瓦斯濃度檢測器，待瓦斯濃度大于0.5%，對隧道采用禁止通行措施，并同時開啟全部風機。另外隧道橫通道內容易造成瓦斯氣體的積累，應設計排氣設施，需風量的計算需考慮瓦斯聚集需風量，根據式(3)，該需風量小于隧道通風設計的換氣需風量，常規的隧道通風設計可滿足瓦斯隧道最小風速需風量的設計要求。

4 結語

隧道附屬機電工程通風設計中對于瓦斯氣體的考慮是對于穿越特殊地質區域的隧道通風設計的補充，目前國內隧道附屬機電工程通風設計中對瓦斯氣體的研究尚少，考慮到公路隧道的安全性，對瓦斯隧道附屬機電工程通風設計中瓦斯泄露工況還需要進一步的研究。