孫登峰

摘要：在簡(jiǎn)述隧道施工過程中通風(fēng)的重要性及其方式的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了高速公路隧道工程瓦斯段施工在選擇隧道瓦斯段通風(fēng)方式、確定瓦斯段通風(fēng)設(shè)計(jì)條件與參數(shù)、計(jì)算高速公路隧道瓦斯段所需風(fēng)量等方面通風(fēng)控制技術(shù)，通過高速公路隧道工程瓦斯段通風(fēng)檢測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證了該通風(fēng)控制技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：高速公路；隧道施工；瓦斯段通風(fēng)；控制技術(shù)

0? ?引言

高速公路隧道建設(shè)中合理利用了地下空間，有利于緩解了公路交通的壓力，確保了人員通行安全，提高公路通行效率[1]。若高速公路隧道中瓦斯大量聚積，未采取合理措施予以處置，將引發(fā)瓦斯段大爆炸。強(qiáng)大的沖擊波不僅會(huì)將隧道里施工的設(shè)備悉數(shù)摧毀，還會(huì)對(duì)施工范圍的人員造成傷亡[2]。從各類隧道施工段爆炸事故來看，瓦斯是發(fā)生爆炸的主要因素。避免出現(xiàn)瓦斯爆炸隱患，是降低高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的首要任務(wù)。

1? ?隧道施工通風(fēng)的重要性及其方式

在高速公路隧道施工過程中，在含有瓦斯的地層上施工，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。如果隧道內(nèi)通風(fēng)不足，就有可能發(fā)生可燃?xì)怏w爆炸事故，一旦出現(xiàn)爆炸或其他大型事故，將會(huì)對(duì)隧道內(nèi)人員與地面無辜人群造成極大傷害[3]。

隧道通風(fēng)的方案有很多種，通風(fēng)方案選擇取決于隧道瓦斯段長(zhǎng)度以及交通條件。對(duì)施工段的地層、環(huán)境等因素進(jìn)行綜合考慮，才能形成最佳通風(fēng)方案[4]。

隧道通風(fēng)控制可分為手動(dòng)控制、基本控制、自動(dòng)控制等3種。手動(dòng)控制耗時(shí)耗力，僅能作為應(yīng)急控制方案；基本控制是根據(jù)隧道施工段的瓦斯變化規(guī)律控制通風(fēng)量，僅能夠進(jìn)行短時(shí)間的控制；自動(dòng)控制則是建立一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的控制模型，針對(duì)不同的瓦斯變化情況，調(diào)整隧道通風(fēng)量，從而避免瓦斯爆炸隱患[5]。

2? ?隧道瓦斯段施工的通風(fēng)控制技術(shù)

本文提出了高速公路隧道瓦斯段施工的通風(fēng)控制技術(shù)，如下所述。

2.1? ?選擇隧道瓦斯段通風(fēng)方式

根據(jù)隧道不同的施工環(huán)境和瓦斯紊流擴(kuò)散情況，應(yīng)選擇不同的通風(fēng)方式，以便引導(dǎo)新鮮空氣進(jìn)入隧道，避免瓦斯爆炸隱患。隧道通風(fēng)方式可分為局部通風(fēng)和全隧道通風(fēng)。局部通風(fēng)主要是針對(duì)掌子面等局部作業(yè)地點(diǎn)的通風(fēng)，全隧道通風(fēng)主要是針對(duì)雙線隧道整個(gè)隧道的通風(fēng)系統(tǒng)。

隧道通風(fēng)主要采用通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，按照風(fēng)道類型和通風(fēng)機(jī)安裝位置不同，可分為風(fēng)管式和巷道式兩類。高瓦斯和瓦斯突出隧道施工長(zhǎng)度大于1500m時(shí)，宜采用巷式通風(fēng)。風(fēng)管式通風(fēng)采用風(fēng)筒作風(fēng)道，根據(jù)隧道內(nèi)空氣流向的不同，又可分為壓入式、抽出式和混合式3種方式。壓入式通風(fēng)方式如圖1所示。

如圖1所示，本隧道高瓦斯工區(qū)施工長(zhǎng)度1355m，施工通風(fēng)主要采用機(jī)械通風(fēng)，其通風(fēng)方式采用壓入式。主通風(fēng)機(jī)安裝在距離洞口10m處（應(yīng)將通風(fēng)機(jī)安裝在隧道的一側(cè)，不要正對(duì)洞口），通過柔性阻燃風(fēng)帶將新鮮風(fēng)流壓入至掌子面，污風(fēng)經(jīng)主洞排出地表。同時(shí)為了保證瓦斯隧道通風(fēng)安全穩(wěn)定，采用2臺(tái)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

2.2? ?確定瓦斯段通風(fēng)設(shè)計(jì)條件與參數(shù)

為了確保施工安全，本文設(shè)計(jì)要求瓦斯段的通風(fēng)速度＞0.5m/s。根據(jù)風(fēng)管出口與工作面的距離，控制開挖工作面通風(fēng)參數(shù)，使通風(fēng)環(huán)境更加滿足實(shí)際需求[6]。瓦斯隧道內(nèi)掘進(jìn)過程中，風(fēng)筒出口速度為風(fēng)筒的平均風(fēng)速，垂直于出口斷面通風(fēng)。壓力出口距離工作面10m，不會(huì)對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)流造成影響。根據(jù)瓦斯源邊界條件，確定瓦斯段通風(fēng)參數(shù)。隧道瓦斯段通風(fēng)參數(shù)表如表1所示。

2.3? ?計(jì)算高速公路隧道瓦斯段所需風(fēng)量

施工通風(fēng)所需風(fēng)量，按施工隧道洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)、爆破排煙、稀釋洞內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)廢氣、瓦斯涌出量和允許風(fēng)速分別計(jì)算，選取其中的最大值，并按風(fēng)帶漏風(fēng)損失進(jìn)行修正。

2.3.1? ?隧道內(nèi)人數(shù)最多時(shí)所需風(fēng)量

隧道內(nèi)同一時(shí)間段人數(shù)最多時(shí)所需風(fēng)量，可按公式（1）計(jì)算：

Q1=4KN? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q1為隧道內(nèi)人數(shù)最多時(shí)所需風(fēng)量；4為每人每分鐘供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，單位為m3/（min·人）；N為隧道內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，取29人；K為備用系數(shù)，取1.45。經(jīng)計(jì)算，得到隧道內(nèi)同一時(shí)間段人數(shù)最多時(shí)所需風(fēng)量為168.2m2/min。

2.3.2? ?隧道內(nèi)最大炸藥量爆破所需風(fēng)量

按隧道內(nèi)同一時(shí)間最大炸藥量爆破時(shí)所需風(fēng)量時(shí)，可按公式（2）計(jì)算：

（2）

式中：Q2為隧道內(nèi)最大炸藥量爆破時(shí)所需風(fēng)量；t為通風(fēng)時(shí)間，取30min；A為1次爆破炸藥用量，取22kg；S為最大開挖斷面面積，按雙側(cè)壁一次起爆最大開挖斷面面積，取37.4m2；L為巷道臨界長(zhǎng)度或巷道長(zhǎng)度L'，當(dāng)L＞L'按L'計(jì)算，當(dāng)L＜L'按L計(jì)算，單位為m；為K淋水系數(shù)，根據(jù)隧道滲水情況而定，潮濕巷道取0.6；b為1kg炸藥爆破時(shí)有害氣體生成量，巖石中取40L，煤層中取100L；P為風(fēng)帶漏風(fēng)系數(shù)。

公式（2）中巷道臨界長(zhǎng)度L，可按公式（3）計(jì)算：

（3）

式中：A、b、S、P含義同公式（2）；β為紊流擴(kuò)散系數(shù)，取0.6。

公式（3）中風(fēng)帶漏風(fēng)系數(shù)P，可按公式（4）計(jì)算：

（4）

式中：L'巷道長(zhǎng)度取1355m；P100為百米漏風(fēng)率，取1.0%。經(jīng)計(jì)算，得到風(fēng)帶漏風(fēng)系數(shù)P為1.15。

巷道臨界長(zhǎng)度即可按照公式（3）計(jì)算出來，經(jīng)計(jì)算，為333.59m。在計(jì)算出巷道臨界長(zhǎng)度之后，進(jìn)而可按照公式（2）計(jì)算隧道內(nèi)最大炸藥量爆破時(shí)所需風(fēng)量。經(jīng)計(jì)算，其值為1209.6m3/min。

2.3.3? ?隧道內(nèi)允許（最大）風(fēng)量

隧道內(nèi)允許最大風(fēng)量，可按公式（5）計(jì)算：

Q3=60S'Vmin? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：Q3為隧道內(nèi)允許（最大）風(fēng)量；S'為隧道內(nèi)回風(fēng)流斷面積，取100.17m2；Vmin為允許最低回風(fēng)流的風(fēng)量，取0.5m/s。經(jīng)計(jì)算，隧道內(nèi)允許最大風(fēng)量Q3為3005m3/min。

2.3.4? ?稀釋隧道內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所需風(fēng)量

計(jì)算稀釋隧道內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所需風(fēng)量，可按公式（6）計(jì)算：

Q4=4.5∑ni=1Niηi? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Q4為稀釋隧道內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所需風(fēng)量；Ni為第i臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率，單位為kW；ηi為第臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，得到稀釋隧道內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所需風(fēng)量Q4值為2041m3/min。隧道內(nèi)機(jī)械車輛發(fā)動(dòng)機(jī)功率及配置數(shù)量如表2所示。

2.3.5? ?將瓦斯?jié)舛认♂尩?.5％以下所需風(fēng)量

將瓦斯?jié)舛认♂尩?.5％以下所需風(fēng)量，可按公式（7）計(jì)算：

Q5=q·k/r? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：Q5為將瓦斯?jié)舛认♂尩?.5％以下所需風(fēng)量，單位為m3/min；q為瓦斯絕對(duì)涌出量，根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，瓦斯絕對(duì)涌出量不得小于3m3/min，按此值計(jì)算；k為瓦斯涌出不均勻系數(shù)，取1.2；r為工作面回風(fēng)流瓦斯允許濃度，取0.5%。經(jīng)計(jì)算，得到Q5值為1080m3/min。

2.3.6? ?實(shí)際所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量

實(shí)際所需的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，可按公式（8）計(jì)算：

（8）

式中：QL為實(shí)際所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量；Qmax為公式（5）計(jì)算出的最大風(fēng)量，即3005m3/min（50.08m3/s）。經(jīng)計(jì)算，QL值為3443m3/min（57.38m3/s）。

將實(shí)際所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量QL（57.38m3/s）與公式（5）中

隧道內(nèi)回風(fēng)流斷面積S'（100.17m2）相除，即得出為隧道內(nèi)的風(fēng)速為0.57m/s。該風(fēng)速大于瓦斯段要求的0.5m/s通風(fēng)速度，故該風(fēng)量可行。隧道內(nèi)各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總，如表3所示。

3? ?隧道通風(fēng)檢測(cè)實(shí)例

針對(duì)某高速公路隧道工程瓦斯段施工，采取了上述通風(fēng)控制技術(shù)。在施工過程中，隨機(jī)選取了隧道瓦斯段的6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其編號(hào)分別為TFJC-1～TFJC-6。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)均設(shè)置1個(gè)瓦斯?jié)舛认拗担x用JX-300型氣體探測(cè)器檢測(cè)瓦斯?jié)舛取?/p>

JX-300型氣體探測(cè)器采用聲光報(bào)警方式，低于限值不報(bào)警，高于限值報(bào)警，報(bào)警音量≥80dB。JX-300型氣體探測(cè)器能夠在溫度-10～+40℃、濕度≤90%RH的環(huán)境下工作，適應(yīng)該隧道施工環(huán)境。使用JX-300型氣體探測(cè)器檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛?，作為隧道瓦斯段通風(fēng)檢測(cè)結(jié)果。隧道瓦斯段瓦斯?jié)舛葯z測(cè)結(jié)果如表4所示。

如表4所示，TFJC-1在高速公路隧道掘進(jìn)面風(fēng)流中；TFJC-2在巖層爆破之后，掘進(jìn)面風(fēng)流中；TFJC-3在隧道洞室瓦斯局部積聚的掘進(jìn)面；TFJC-4在局部通風(fēng)機(jī)及電氣開關(guān)20m范圍內(nèi)；TFJC-5在低瓦斯工區(qū)K152+855～K153+275段任意處；TFJC-6在高瓦斯工區(qū)K152+455～K152+855段任意處。將施工段的通風(fēng)檢測(cè)分成了施工前、施工中、施工后。經(jīng)檢測(cè)，其瓦斯?jié)舛染谙拗狄詢?nèi)。

在滿足施工需求的基礎(chǔ)上，瓦斯段施工前的瓦斯?jié)舛仍?.12%～0.38%范圍內(nèi)變化，瓦斯段施工中的瓦斯?jié)舛仍?.18%～0.32%范圍內(nèi)變化，瓦斯段施工后的瓦斯?jié)舛仍?.08%～0.17%范圍內(nèi)變化。由此說明，隧道內(nèi)通風(fēng)控制效果良好，瓦斯?jié)舛染闯鐾咚瓜拗怠?/p>

4? ?結(jié)束語

隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道內(nèi)容易聚集有害氣體，存在瓦斯爆炸隱患。在高速公路工程隧道施工過程中，采用上述隧道瓦斯段施工的通風(fēng)控制技術(shù)之后，有效避免了瓦斯聚積，消除了瓦斯爆炸隱患，為隧道瓦斯段施工提供了安全保障。

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