劉 江，喻興洪，黃才明，黃林洋，來顯杰

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

隧道施工通風(fēng)技術(shù)國內(nèi)外已經(jīng)有很多相關(guān)研究，并取得了一定成果[1-2]，通風(fēng)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(shè)規(guī)模擴(kuò)大，施工技術(shù)不斷發(fā)展，特長隧道不斷增多，特長高瓦斯隧道施工通風(fēng)問題越來越多，在該類不良地質(zhì)條件下，施工通風(fēng)方案制定過程中需兼顧安全、合理和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面[3-4]。施工通風(fēng)實(shí)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(duì)施工的影響，又要充分考慮施工方案的經(jīng)濟(jì)性。

特長公路隧道在通風(fēng)方式上，國外多采用大直徑風(fēng)管匹配大功率風(fēng)機(jī)的壓入式通風(fēng)，我國通常修建斜井、豎井或平行導(dǎo)洞，采用壓入式和巷道式相結(jié)合的通風(fēng)方式[5]。王運(yùn)濤等[6]以華鎣山隧道為依托，詳細(xì)說明了公路瓦斯隧道壓入式和射流巷道式相結(jié)合的施工通風(fēng)方案，總結(jié)了特長高瓦斯隧道施工所采取的地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工通風(fēng)、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(fēng)中，局扇布設(shè)位置對(duì)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)流速度分布的影響，該研究為提出改善通風(fēng)效果的途徑提供理論依據(jù)；張恒等[8]綜合考慮了壓入式通風(fēng)管與射流風(fēng)機(jī)的共同作用下射流風(fēng)機(jī)、風(fēng)管的布置對(duì)高瓦斯隧道施工通風(fēng)效果的影響，并提出了優(yōu)化方案；方義明等[9]結(jié)合隧道出口工區(qū)輔助坑道設(shè)置情況，瓦斯段的通風(fēng)方式選用巷道式或壓入式2種方案進(jìn)行比較，分析認(rèn)為利用平導(dǎo)實(shí)現(xiàn)巷道式通風(fēng)可有效縮短通風(fēng)管路長度，降低施工通風(fēng)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(fēng)時(shí)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，該研究有利于優(yōu)化通風(fēng)方案，保證方案的可行性；雷帥等[11]研究了巷道式通風(fēng)的流場及污染物分布特征，認(rèn)為風(fēng)量分配不夠合理是導(dǎo)致通風(fēng)不良好的原因，并提出了增加對(duì)掌子面供風(fēng)量和設(shè)置局扇的方式來優(yōu)化；辛國平等[12]采用了分隔巷道與風(fēng)管壓入式聯(lián)合通風(fēng)模式，較好地解決了特長隧道斜井工區(qū)的長距離獨(dú)頭通風(fēng)技術(shù)難題；張雪金等[13]探究了瓦斯涌出量、風(fēng)量大小和風(fēng)管位置等因素對(duì)瓦斯擴(kuò)散的影響，為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

綜上文獻(xiàn)分析，既有研究多針對(duì)不同的隧道，研究人員提供了不同的通風(fēng)方式及通風(fēng)方案，但對(duì)含煤系地層段的特長高瓦斯公路隧道，其施工期間通風(fēng)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(duì)該隧道施工條件復(fù)雜、通風(fēng)要求高、設(shè)備功率損耗大等問題，開展通風(fēng)技術(shù)研究，制定合理可行的施工通風(fēng)技術(shù)方案，以期有效保證方案實(shí)施過程的施工安全和施工質(zhì)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(kuò)容工程CZTJ-7合同段，起點(diǎn)位于桐梓縣大河鎮(zhèn)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(fēng)道長178.88 m；2#斜井長1 499 m，排風(fēng)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(qū)圍巖主要有灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖等。本段隧道穿過高瓦斯煤系地層段，區(qū)內(nèi)P3l地層含煤7層，煤層總厚度1.93 m～6.76 m，層位較穩(wěn)定，CH4絕對(duì)瓦斯涌出量為1.37 m3/min～7.17 m3/min，瓦斯壓力最大達(dá)1.5 MPa，為高瓦斯工區(qū)[14-15]。隧道開挖過程中極易產(chǎn)生瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。

2 隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

桐梓隧道進(jìn)口端分2個(gè)作業(yè)工區(qū)：第1作業(yè)工區(qū)為非瓦斯區(qū)，主洞左洞長3 037 m，右洞長3 135 m，主洞進(jìn)口段采用壓入式通風(fēng)；第2作業(yè)工區(qū)為高瓦斯區(qū)，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(fēng)分4個(gè)階段通風(fēng)。

1) 第1階段通風(fēng)：1#、2#斜井獨(dú)頭掘進(jìn)，斜井與主洞未貫通，1#斜井掘進(jìn)至風(fēng)道與右洞交叉處，2#斜井掘進(jìn)至斜井與主洞右洞交叉口位置，設(shè)計(jì)采用壓入式通風(fēng)。通風(fēng)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(fēng)道作業(yè)面送風(fēng)。在1#、2#斜井隧道洞口各設(shè)置1臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)距離洞口不小于20 m，如圖1所示。

2) 第2階段通風(fēng)：2#斜井進(jìn)入主洞后，右洞向進(jìn)口端和出口端2個(gè)方向掘進(jìn)，掘進(jìn)5-1#車行橫洞，利用5-1#橫洞作為施工通道進(jìn)入左洞施工。左洞分別向進(jìn)口端和出口端2個(gè)方向掘進(jìn)，向進(jìn)口端掘進(jìn)至1#斜井與主洞交叉的2#交叉口起點(diǎn)ZK37+545位置，掘進(jìn)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(fēng)道的剩余部分(45.8 m)直至1#斜井貫通。采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)長度左洞2 117 m，右洞2 041 m，如圖2所示。

3) 第3階段通風(fēng)：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(jìn)，施工至5-1#車行橫洞所有工序完成，即進(jìn)入第3階段通風(fēng)。通風(fēng)采用巷道式通風(fēng)，通風(fēng)長度右洞長 1 300 m，左洞長1 230 m。將第2階段斜井洞口風(fēng)機(jī)移至洞內(nèi)，左右洞風(fēng)機(jī)位于5-1#車行橫洞前，并進(jìn)行防爆改裝，風(fēng)機(jī)前均安裝風(fēng)門?？拷谱用孳囆袡M洞貫通后，及時(shí)對(duì)后方橫洞設(shè)置風(fēng)門，防止風(fēng)流短路，左洞污風(fēng)從靠近掌子面橫洞處排出，如圖3所示。

4) 第4階段通風(fēng)：主洞進(jìn)口端與斜井端貫通，左右洞掌子面向出口端掘進(jìn)，經(jīng)過瓦斯段施工直至合同段結(jié)束，即第4階段通風(fēng)。本階段通風(fēng)為高瓦斯工區(qū)，通風(fēng)采用巷道式通風(fēng)。風(fēng)機(jī)移至7#車行橫洞前，通風(fēng)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(shí)裝設(shè)風(fēng)門封堵，如圖4所示。

圖1 斜井端第1階段通風(fēng)示意

圖2 斜井端第2階段通風(fēng)示意

圖3 斜井端第3階段通風(fēng)示意

圖4 斜井端第4階段通風(fēng)示意

3 隧道施工通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

3.1 需風(fēng)量計(jì)算

施工通風(fēng)需風(fēng)量計(jì)算按壓入式通風(fēng)考慮，確定工作面需風(fēng)量。需計(jì)算出稀釋和排炮煙所需風(fēng)量、滿足洞內(nèi)工作人員呼吸所需風(fēng)量、滿足洞內(nèi)最小風(fēng)速所需風(fēng)量、稀釋和排出內(nèi)燃機(jī)廢氣所需風(fēng)量以及絕對(duì)瓦斯涌出需風(fēng)量。依據(jù)上述5種計(jì)算結(jié)果，取其最大值Qmax作為工作面的需風(fēng)量。但在計(jì)算隧道的實(shí)際需風(fēng)量時(shí)，還需充分考慮風(fēng)管的漏風(fēng)系數(shù)，因漏風(fēng)造成的隧道施工通風(fēng)的損失通風(fēng)量，即隧道內(nèi)實(shí)際施工風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q供應(yīng)為：

(1)

Q供=QmaxP

(2)

式中：P為漏風(fēng)系數(shù)；β為通風(fēng)管百米漏風(fēng)率，取1.5%；L為通風(fēng)管長度，m。

1) 主洞進(jìn)口端、斜井端第1、第2階段需風(fēng)量計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

2) 斜井端第3、第4階段需風(fēng)量計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表1 主洞進(jìn)口端及斜井端第1、第2階段需風(fēng)量

表2 斜井端第3、第4階段需風(fēng)量 m3/min

通過上述計(jì)算，開挖面計(jì)算所需風(fēng)量最大值為2 151 m3/min。

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

3.2 風(fēng)管阻力計(jì)算

通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓用來克服沿途所有的阻力，在數(shù)值上等于風(fēng)道(或風(fēng)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(shù)，取1.0；A為通風(fēng)管斷面面積，m3；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3。主洞進(jìn)口端、斜井第1、第2階段通風(fēng)阻力如表3所示。

由表3可知，通風(fēng)阻力最大值為5 630 Pa，即需要最大風(fēng)壓高于5 630 Pa的通風(fēng)機(jī)才能滿足通風(fēng)需求。

4 通風(fēng)設(shè)備選型

4.1 通風(fēng)機(jī)選擇

通風(fēng)機(jī)的型號(hào)根據(jù)供風(fēng)量和風(fēng)壓來選擇，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)成本考慮，斜井端按各階段中需風(fēng)量和風(fēng)壓最大階段配置，避免后期重新更換設(shè)配造成資源浪費(fèi)，此外，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于計(jì)算供風(fēng)量和計(jì)算風(fēng)壓。

根據(jù)計(jì)算需風(fēng)量和通風(fēng)阻力結(jié)果，結(jié)合各型號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)，考慮經(jīng)濟(jì)成本，桐梓隧道風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)布置于主洞內(nèi)，應(yīng)采用防爆型，且應(yīng)采用專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路、風(fēng)電閉鎖和甲烷電閉鎖。

表3 主洞進(jìn)口端及斜井端通風(fēng)阻力

從表4可知，左右洞風(fēng)機(jī)都各選用1臺(tái)型號(hào)SDGC-No14A、2×160 kW的變頻風(fēng)機(jī)，且各有一套同等性能的備用通風(fēng)機(jī)，并保證良好的使用狀態(tài)，備用通風(fēng)機(jī)應(yīng)能在10min內(nèi)啟動(dòng)。為了合理利用已有設(shè)備，斜井第3、第4階段對(duì)早期配置的SDGC-No14A、功率2×185 kW的變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行防爆改裝和加裝智能控制裝備[16]，實(shí)現(xiàn)合理利用、節(jié)能減排的目的。

4.2 風(fēng)管選型

根據(jù)摩擦阻力計(jì)算公式(2)可得：當(dāng)通風(fēng)管直徑為2.0 m時(shí)，左右洞摩擦阻力分別為2 015 Pa、2 118 Pa；當(dāng)風(fēng)管直徑為1.8 m時(shí)，左洞摩擦阻力約為3 411 Pa，右洞洞摩擦阻力約為3 589 Pa；當(dāng)通風(fēng)管直接為1.6 m時(shí)，左右洞摩擦阻力分別為6 147 Pa、6 467 Pa。

綜上分析，風(fēng)管直徑越大，摩擦阻力越小，結(jié)合風(fēng)機(jī)功率，選定直徑1.8 m抗靜電、阻燃螺旋風(fēng)管。

表4 主洞進(jìn)口端及斜井端通風(fēng)設(shè)備選型

5 結(jié)論

1) 通過對(duì)特長高瓦斯隧道進(jìn)行通風(fēng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)口端及斜井第1、第2階段采用了壓入式通風(fēng)方式，配置2×185 kW的變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)位于洞外。

2) 斜井第3、第4階段進(jìn)入高瓦斯路段，采用了射流巷道式通風(fēng)方式，配置防爆型2×160 kW的變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)移入洞內(nèi)。

3) 不同施工階段采用不同的通風(fēng)方式，既滿足了高瓦斯隧道的風(fēng)量要求，又保證了施工的安全性。從現(xiàn)場反饋的情況來看，通風(fēng)效果良好，風(fēng)路運(yùn)行正常，并達(dá)到安全節(jié)能的效果。