特長高瓦斯公路隧道施工通風技術研究

劉 江，喻興洪，黃才明，黃林洋，來顯杰

(1.貴州公路工程集團有限公司，貴陽 550008； 2.西安建筑科技大學，西安 710055)

隧道施工通風技術國內外已經有很多相關研究，并取得了一定成果[1-2]，通風方式一般包括壓入式、抽(排)式、混合式和巷道式。隨著公路隧道建設規模擴大，施工技術不斷發展，特長隧道不斷增多，特長高瓦斯隧道施工通風問題越來越多，在該類不良地質條件下，施工通風方案制定過程中需兼顧安全、合理和經濟等多個方面[3-4]。施工通風實施方案既要保障特長高瓦斯隧道施工和人員安全健康，消除或減小瓦斯對施工的影響，又要充分考慮施工方案的經濟性。

特長公路隧道在通風方式上，國外多采用大直徑風管匹配大功率風機的壓入式通風，我國通常修建斜井、豎井或平行導洞，采用壓入式和巷道式相結合的通風方式[5]。王運濤等[6]以華鎣山隧道為依托，詳細說明了公路瓦斯隧道壓入式和射流巷道式相結合的施工通風方案，總結了特長高瓦斯隧道施工所采取的地質預報、施工通風、信息化管理以及瓦斯抽采與引排等綜合處理措施；彭佩等[7]探究了在壓入式隧道施工通風中，局扇布設位置對瓦斯濃度、風流速度分布的影響，該研究為提出改善通風效果的途徑提供理論依據；張恒等[8]綜合考慮了壓入式通風管與射流風機的共同作用下射流風機、風管的布置對高瓦斯隧道施工通風效果的影響，并提出了優化方案；方義明等[9]結合隧道出口工區輔助坑道設置情況，瓦斯段的通風方式選用巷道式或壓入式2種方案進行比較，分析認為利用平導實現巷道式通風可有效縮短通風管路長度，降低施工通風的難度；曾昌等[10]探究了瓦斯公路隧道采用巷道式施工通風時瓦斯的體積分數分布規律，該研究有利于優化通風方案，保證方案的可行性；雷帥等[11]研究了巷道式通風的流場及污染物分布特征，認為風量分配不夠合理是導致通風不良好的原因，并提出了增加對掌子面供風量和設置局扇的方式來優化；辛國平等[12]采用了分隔巷道與風管壓入式聯合通風模式，較好地解決了特長隧道斜井工區的長距離獨頭通風技術難題；張雪金等[13]探究了瓦斯涌出量、風量大小和風管位置等因素對瓦斯擴散的影響，為工程實踐提供理論依據。

綜上文獻分析，既有研究多針對不同的隧道，研究人員提供了不同的通風方式及通風方案，但對含煤系地層段的特長高瓦斯公路隧道，其施工期間通風研究并不多。本文以貴州桐梓特長高瓦斯公路隧道為例，針對該隧道施工條件復雜、通風要求高、設備功率損耗大等問題，開展通風技術研究，制定合理可行的施工通風技術方案，以期有效保證方案實施過程的施工安全和施工質量，并降低施工成本。

1 工程概況

蘭海高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴容工程CZTJ-7合同段，起點位于桐梓縣大河鎮開肩堡大橋橋尾，桐梓隧道右洞YK34+530～YK40+546，全長6.016 km，左洞ZK34+508～ZK40+510，全長6.002 km，最大埋深約600 m；1#斜井長1 448 m，排風道長178.88 m；2#斜井長1 499 m，排風道長117.25 m。

該隧道采用鉆爆法施工，其中正洞隧道開挖斷面積120 m2，1#斜井開挖斷面積84 m2，2#斜井開挖斷面積105 m2。隧址區圍巖主要有灰巖、泥巖、泥質灰巖夾泥質粉砂巖、炭質泥巖等。本段隧道穿過高瓦斯煤系地層段，區內P3l地層含煤7層，煤層總厚度1.93 m～6.76 m，層位較穩定，CH4絕對瓦斯涌出量為1.37 m3/min～7.17 m3/min，瓦斯壓力最大達1.5 MPa，為高瓦斯工區[14-15]。隧道開挖過程中極易產生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災害。

2 隧道施工通風方案設計

桐梓隧道進口端分2個作業工區：第1作業工區為非瓦斯區，主洞左洞長3 037 m，右洞長3 135 m，主洞進口段采用壓入式通風；第2作業工區為高瓦斯區，主要包括1#斜井和2#斜井，分別長 1 626.88 m和長 1 616.25 m，主洞左洞長2 965 m，右洞長2 881 m。其中，桐梓隧道斜井端施工通風分4個階段通風。

1) 第1階段通風：1#、2#斜井獨頭掘進，斜井與主洞未貫通，1#斜井掘進至風道與右洞交叉處，2#斜井掘進至斜井與主洞右洞交叉口位置，設計采用壓入式通風。通風長度1#斜井為1 581.08 m，2#斜井為1 616.25 m，在斜井交叉口處采用三通連接分別向送、排風道作業面送風。在1#、2#斜井隧道洞口各設置1臺軸流風機進行壓入式通風，風機距離洞口不小于20 m，如圖1所示。

2) 第2階段通風：2#斜井進入主洞后，右洞向進口端和出口端2個方向掘進，掘進5-1#車行橫洞，利用5-1#橫洞作為施工通道進入左洞施工。左洞分別向進口端和出口端2個方向掘進，向進口端掘進至1#斜井與主洞交叉的2#交叉口起點ZK37+545位置，掘進長度120 m。在1#斜井與主洞交叉位置通過主洞反向施工，施工完1#斜井送、排風道的剩余部分(45.8 m)直至1#斜井貫通。采用壓入式通風，通風長度左洞2 117 m，右洞2 041 m，如圖2所示。

3) 第3階段通風：1#斜井與主洞左洞貫通以及5-1#車行橫洞形成后，左右洞掌子面向出口端掘進，施工至5-1#車行橫洞所有工序完成，即進入第3階段通風。通風采用巷道式通風，通風長度右洞長 1 300 m，左洞長1 230 m。將第2階段斜井洞口風機移至洞內，左右洞風機位于5-1#車行橫洞前，并進行防爆改裝，風機前均安裝風門?？拷谱用孳囆袡M洞貫通后，及時對后方橫洞設置風門，防止風流短路，左洞污風從靠近掌子面橫洞處排出，如圖3所示。

4) 第4階段通風：主洞進口端與斜井端貫通，左右洞掌子面向出口端掘進，經過瓦斯段施工直至合同段結束，即第4階段通風。本階段通風為高瓦斯工區，通風采用巷道式通風。風機移至7#車行橫洞前，通風長度右洞長1 340 m，左洞長1 245 m。施工過程中保持最前方一處車行橫洞使用，后方車行橫洞及時裝設風門封堵，如圖4所示。

圖1 斜井端第1階段通風示意

圖2 斜井端第2階段通風示意

圖3 斜井端第3階段通風示意

圖4 斜井端第4階段通風示意

3 隧道施工通風參數計算

3.1 需風量計算

施工通風需風量計算按壓入式通風考慮，確定工作面需風量。需計算出稀釋和排炮煙所需風量、滿足洞內工作人員呼吸所需風量、滿足洞內最小風速所需風量、稀釋和排出內燃機廢氣所需風量以及絕對瓦斯涌出需風量。依據上述5種計算結果，取其最大值Qmax作為工作面的需風量。但在計算隧道的實際需風量時，還需充分考慮風管的漏風系數，因漏風造成的隧道施工通風的損失通風量，即隧道內實際施工風機的風量Q供應為：

(1)

Q供=QmaxP

(2)

式中：P為漏風系數；β為通風管百米漏風率，取1.5%；L為通風管長度，m。

1) 主洞進口端、斜井端第1、第2階段需風量計算，結果如表1所示。

2) 斜井端第3、第4階段需風量計算，結果如表2所示。

表1 主洞進口端及斜井端第1、第2階段需風量

表2 斜井端第3、第4階段需風量 m3/min

通過上述計算，開挖面計算所需風量最大值為2 151 m3/min。

風機移入主洞后，采用巷道式通風方式，其中1#斜井作為進風機，2#斜井作為回風井。風機首次位于5-1#橫洞處后期移至7#車行橫洞處。左洞風管最長長度約為1 245 m，右洞風管最長長度約為 1 340 m。代入式(1)、(2)可得：左洞需要風機提供風量約為 2 597 m3/min，右洞需要風機提供風量約為 2 634 m3/min。

3.2 風管阻力計算

通風機的風壓用來克服沿途所有的阻力，在數值上等于風道(或風管)的沿途摩擦阻力、局部阻力和其它阻力之和。h其它一般取摩擦阻力的5%～10%，這里取h其它=0.1hf。

1) 摩擦阻力

(2)

2) 局部阻力

(3)

式中：ξ為局部阻力系數，取1.0；A為通風管斷面面積，m3；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。主洞進口端、斜井第1、第2階段通風阻力如表3所示。

由表3可知，通風阻力最大值為5 630 Pa，即需要最大風壓高于5 630 Pa的通風機才能滿足通風需求。

4 通風設備選型

4.1 通風機選擇

通風機的型號根據供風量和風壓來選擇，同時從經濟成本考慮，斜井端按各階段中需風量和風壓最大階段配置，避免后期重新更換設配造成資源浪費，此外，通風機的風量和風壓應大于計算供風量和計算風壓。

根據計算需風量和通風阻力結果，結合各型號風機參數，考慮經濟成本，桐梓隧道風機配置如表4所示。斜井第3、第4階段處在高瓦斯地段，該方案中，風機布置于主洞內，應采用防爆型，且應采用專用變壓器、專用開關、專用線路、風電閉鎖和甲烷電閉鎖。

表3 主洞進口端及斜井端通風阻力

從表4可知，左右洞風機都各選用1臺型號SDGC-No14A、2×160 kW的變頻風機，且各有一套同等性能的備用通風機，并保證良好的使用狀態，備用通風機應能在10min內啟動。為了合理利用已有設備，斜井第3、第4階段對早期配置的SDGC-No14A、功率2×185 kW的變頻風機進行防爆改裝和加裝智能控制裝備[16]，實現合理利用、節能減排的目的。

4.2 風管選型

根據摩擦阻力計算公式(2)可得：當通風管直徑為2.0 m時，左右洞摩擦阻力分別為2 015 Pa、2 118 Pa；當風管直徑為1.8 m時，左洞摩擦阻力約為3 411 Pa，右洞洞摩擦阻力約為3 589 Pa；當通風管直接為1.6 m時，左右洞摩擦阻力分別為6 147 Pa、6 467 Pa。

綜上分析，風管直徑越大，摩擦阻力越小，結合風機功率，選定直徑1.8 m抗靜電、阻燃螺旋風管。

表4 主洞進口端及斜井端通風設備選型

5 結論

1) 通過對特長高瓦斯隧道進行通風方案的優化設計，進口端及斜井第1、第2階段采用了壓入式通風方式，配置2×185 kW的變頻風機，風機位于洞外。

2) 斜井第3、第4階段進入高瓦斯路段，采用了射流巷道式通風方式，配置防爆型2×160 kW的變頻風機，風機移入洞內。

3) 不同施工階段采用不同的通風方式，既滿足了高瓦斯隧道的風量要求，又保證了施工的安全性。從現場反饋的情況來看，通風效果良好，風路運行正常，并達到安全節能的效果。