盾構施工隧道通風稀釋瓦斯氣體實驗系統設計

權曉甜 高 濤

(中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

隨著國內經濟及交通行業的快速發展，穿越江河等水下地層的盾構施工隧道工程日益增多，江河水下含有瓦斯氣體分布的地層亦日漸增多，含瓦斯氣體地層內一定壓力的瓦斯氣體氣團通過隧道結構層及盾構機部件等進入盾構施工隧道內威脅施工的安全及人員的健康，嚴重者造成重大災害。通風技術是保障隧道施工、營運安全的基礎[1,2]。在盾構施工中,通風的作用是向工作面輸送足夠的新鮮空氣、濾除盾構機排入空氣中的粉塵,保證作業人員的健康、安全[3],而盾構施工隧道的多個部位存在泄露地層內瓦斯氣體的風險。研究不同氣源壓力下、不同的泄露流量、不同部位的瓦斯氣體泄露時瓦斯氣體的積聚擴散規律，進一步研究通風組織形式對隧道內瓦斯氣體積聚的抑制作用及瓦斯氣體被動驅散稀釋的規律，以確定合理的通風組織形式高效驅散隧道內的瓦斯氣體至關重要。

2 隧道內通風驅散稀釋瓦斯氣體研究現狀概述

目前施工隧道內通風驅散稀釋瓦斯氣體的規律僅能通過數值模擬計算研究，尚未建立相應的模擬實驗平臺，無法采用實驗手段輔助驗證數值計算結果。本文根據相似理論與盾構實際施工工藝及隧道實際尺寸搭建與原型同尺寸或一定比例的試驗平臺，模擬不同通風量及通風組織形式下各泄露部位不同泄露速率與突涌量下的瓦斯氣體稀釋擴散規律，同時模擬瓦斯氣體在施工隧道內積聚特性以及不同壓力下的地層瓦斯氣體氣團泄露規律，為盾構施工隧道安全通風方案的制定、通風的氣流組織的設計、隧道內空氣環境的預測以及應急通風預案的制定提供可靠的理論與實驗數據支持。

3 盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統綜述

針對上述存在的問題，設計出了一種盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統，可模擬測試不同盾構隧道不同部位發生瓦斯氣體涌入時，瓦斯氣體濃度在不同通風方案下的流動規律及稀釋過程。采用的技術方案是：盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統，包括盾構施工隧道通風模擬試驗裝置和用于控制模擬試驗裝置產生瓦斯氣體的模擬氣源裝置。盾構施工隧道通風模擬試驗裝置包括模擬盾構施工隧道模塊和模擬通風模塊、測試模塊。模擬盾構施工隧道模塊，包括模擬盾構施工隧道以及用于模擬瓦斯氣體泄露的管片漏氣模型、泥漿管漏氣模型、氣墊倉排氣模型、刀倉排氣模型、盾尾刷漏氣模型。

4 盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統具體設計方法

盾構穿越瓦斯氣體地層施工隧道安全控制模擬實驗裝置，具體說是一種盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統，用于穿越江河水下瓦斯氣體地層的盾構施工隧道通風稀釋驅散涌入隧道內瓦斯氣體的模擬實驗，特別針對泥水平衡式盾構機施工隧道。

試驗系統由模擬盾構施工隧道模塊和模擬通風模塊、測試模塊和模擬氣源裝置組成。可以實驗模擬研究不同的通風組織形式與瓦斯氣體的泄漏位置、泄露量、氣體監測部位，用以研究瓦斯氣體在盾構施工隧道內的積聚規律以及瓦斯濃度稀釋的演變特性。具體可模擬盾尾刷拆換時涌入瓦斯氣體、管片密封泄露進入的瓦斯氣體、氣墊倉超壓排氣中帶入的瓦斯氣體、刀倉換刀排入的瓦斯氣體、泥漿管法蘭接口泄入的瓦斯氣體在不同通風氣流組織下的擴散速率、積聚的區域及稀釋速率。

圖1是盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統的結構原理示意圖，圖2為圖1的A向投視圖，盾構施工隧道通風稀釋涌入瓦斯氣體的模擬實驗系統，包括盾構施工隧道通風模擬試驗裝置和用于控制所述模擬試驗裝置產生瓦斯氣體的模擬氣源裝置。

盾構施工隧道通風模擬試驗裝置包括模擬盾構施工隧道模塊和模擬通風模塊、測試模塊。其中模擬盾構施工隧道模塊，包括模擬盾構施工隧道以及用于模擬瓦斯氣體泄露的管片漏氣模型、泥漿管漏氣模型、氣墊倉排氣模型、刀倉排氣模型、盾尾刷漏氣模型。模擬盾構施工隧道按設定的與實物的比例制作。隧道壁采用鋼板制作、原型長度不小于200 m，盾尾刷漏氣模型，刀倉排氣模型，氣墊倉排氣模型，管片漏氣模型，泥漿管漏氣模型，模擬盾構機機架按一定比例尺寸設置在模擬盾構施工隧道的對應位置，以上幾項構成的模擬盾構施工隧道實驗裝置，主要用于模擬不同部位及裝置的瓦斯氣體泄露入隧道內的主體模型。其中，盾尾刷漏氣模型(如圖3所示)為半圓柱管道緊貼模擬盾構施工隧道壁外側一周并與模擬盾構施工隧道壁拼焊而成的環形箱體，環形箱體內的隧道壁周向均勻開設若干出流孔口，各出流孔口非工作狀態時用密封膠封堵，實驗時可根據泄露面積的比例選用開啟數量，環形箱體正上方與模擬氣源試驗裝置連接；管片漏氣模型(如圖4所示)是在模擬盾構施工隧道壁面分別制作的貫穿隧道壁的縱向縫隙8-3和環向縫隙8-1，縫隙寬度按照盾構隧道管片的技術標準為0 mm～2 mm，模擬盾構施工隧道外壁的縱向縫隙處罩扣半圓柱形容器8-4，半圓柱形容器與模擬盾構施工隧道外壁密封結合，模擬盾構施工隧道外壁的環向縫隙處罩扣環形容器8-2，環形容器的橫截面為矩形，環形容器與模擬盾構施工隧道外壁密封結合，半圓柱形容器和環形容器分別通過管路與模擬氣源裝置相連。

模擬通風模塊，包括通風機，風筒，風量調節閥，風量測量裝置，風機具備壓入和抽吸功能，風筒縱向懸掛于模擬盾構施工隧道內，風筒用可調支架固定，風筒位置通過可調支架進行上下、前后、左右的移動調控，根據風筒的承壓特性選擇不同材質的風筒，風機經風量調節閥與風量測量裝置后用風筒連接法蘭連接風筒，風量調節閥與風量測量裝置聯合調控送風量。以上部分聯成一體構成模擬通風系統用于模擬不同的通風組織形式，模擬盾構施工隧道與模擬通風系統構成盾構施工隧道通風模擬實驗裝置。

測試模塊(圖5是測試系統原理簡圖)，包括若干氣體濃度傳感器(瓦斯氣體)、風速傳感器、溫度傳感器、若干流量傳感器(瓦斯氣體)、若干壓力傳感器(瓦斯氣體)、數據采集儀、控制主機，風速傳感器設在盾尾刷漏氣模型后方，根據等面積法布置，溫度傳感器也設在盾尾刷漏氣模型后方，部分氣體濃度傳感器分別設在各模擬瓦斯氣體泄漏點附近，另一部分氣體濃度傳感器布置在模擬盾構施工隧道的不同位置且不限數量，各流量傳感器與壓力傳感器分別設置在模擬氣源裝置與各漏氣/排氣模型的連接管路前端，所述氣體濃度傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器的測試數據均傳輸到數據采集儀并轉換成數字信號進入操作主機。

本實施例中，模擬瓦斯氣體源實驗裝置，通過氣體壓縮機抽吸儲氣罐的模擬瓦斯氣體壓縮至需要的壓力送至模擬瓦斯氣體輸送管路，并通過瓦斯氣體流量傳感器調控氣體流量，將需要實驗的漏氣模型的啟閉閥門開啟，即可模擬瓦斯氣體由此處模型進入模擬施工隧道，可采用二氧化碳氣體作為模擬瓦斯氣體。

5 結語

該設計結合穿越含瓦斯氣體地層盾構施工隧道的具體施工工藝及理論分析，按照一定比例尺寸搭建模擬實驗系統，更加貼近盾構施工隧道內有瓦斯氣體泄露下的空氣環境及通風稀釋瓦斯氣體的情景。該模擬實驗裝置簡單，模擬氣源可采用安全無害的氣體代替，設計實驗方便安全，可根據相似律縮小模擬試驗尺寸，投入成本低。能夠科學有效地模擬盾構施工過程中盾尾刷密封拆換、刀倉開啟、泥漿管接口斷開、氣墊倉排氣等大量涌入瓦斯氣體的情景，以及正常情況下泄露的微小流量瓦斯氣體的情景，不同通風組織形式下隧道內的瓦斯氣體流動擴散的演化規律，分析結果對治理預防盾構施工隧道瓦斯氣體災害的安全通風方案的設計及應急通風預案的編制有很好的參考和指導意義。