低瓦斯隧道施工通风方案研究

黄晋睿HUANG Jin-rui

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

随着国家西部大开发战略的不断实施和深化，近年来，越来越多的公路、铁路等交通工程在西部地区落地施建。在我国西部山区中，具有地质构造和地理环境特殊，地质地形复杂，山区地形陡峭，生态环境敏感性强等一系列特点，经常遇到泥石流、滑坡、落石、采空区、岩溶、有害气体、冰川、溶洞、高地应力、高地温、膨胀土、软土、盐岩、冰碛层等影响施工的地质问题[1]。其中有害气体就包括瓦斯气体。公路隧道遇到瓦斯多出现在煤系地层，具有爆炸性、渗透性、不稳定性和窒息性。

瓦斯突出、瓦斯涌出是施工过程中发生的一种瓦斯的突然剧烈运动并造成十分巨大的动力效应现象，会造成很大的破坏性，诱发因素复杂，与空气混合到一定浓度时，可能会造成瓦斯爆炸等事故的发生。瓦斯的存在，为隧道施工安全与质量带来巨大的风险。加强通风是搞好瓦斯隧道安全施工的有效手段，隧道通风是非常有效的改善施工环境、保障施工过程掌子面空气流通安全的措施；同时在隧道建成后可保证隧道内的运营环境，加强通风换气；对于瓦斯隧道来说，隧道通风也可有效降低施工过程中遇到的瓦斯浓度，降低施工风险[2]。

众多专家学者针对隧道瓦斯这一复杂问题，做出了深入研究。M.A.Berner和J.R.Day[3]研究提出了针对特长公路隧道，由于上下行通风负荷不均匀双向换气方法的“双洞互补”的概念；夏丰勇[4]等基于“双洞互补”的基础上，提出了通过隧道需风量的计算和优化，提高经济效益的方案；蒋学猛[5]利用Fluent软件对建立的互补式通风换气系统模型进行计算，对其进行数值模拟研究，为双洞互补式通风提供了实施推广的借鉴意义，但却未考虑利用斜井通风的方案。王永东[6]等在分段式纵向通风方式的基础上，增加利用横通道对主洞进行辅助通风，将风量富裕的下坡隧道的多余风量，补偿至上坡隧道，以达到更加充足的通风目的；李小勇[7]通过对瓦斯隧道需风量的计算，选择了压入式通风和巷道式通风相结合的通风方式，得到一套公路低瓦斯隧道通风的方案。刘辉[8]等通过定量改进HAZOP计算模型，结合通风参数的偏离情况，按照偏离等级有针对性地采取控制措施，此方法对瓦斯隧道各工区不同施工通风阶段、不同参数的偏差分析需求均有一定的适用性，提升瓦斯隧道施工通风系统安全管理水平和改善瓦斯隧道施工安全生产状况。

1 工程概况

1.1 工程简介

四川省仁寿至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程，建设地点位于四川省乐山市沐川县，公路全线由北向南途经眉山、乐山及宜宾三市，是国家高速公路网规划的重要组成部分，路线主线长158.029km，马边支线长43.799km，路线全长201.828km。

五指山隧道为仁沐新高速公路控制性工程之一，隧道最大埋深995m，为双洞隧道，左线全长9392m，右线全长9405m，两线相距30m，中铁十二局集团第三工程有限公司负责施工标段涉及4872m/0.5座。设计纵坡1%-0.8%，平面线型R=1000/∞/1780/∞/1500，隧道设计速度为80km/h，建筑限界10.25×5m。两线相距30m，隧道净空高度为7.12m，宽度达11.2m。隧道大角度（近正交）穿越五指山背斜核部，穿越地层受多次构造运动的影响，岩层破碎、构造较复杂、节理裂隙发育，拱顶围岩自稳性差，特别是位于背斜翼部的转折端以及其影响带，岩层变形更为强烈、次级小断裂（错动）及其破碎带较为发育。通风方案采用单无轨斜井两区段送排式通风，斜井长1720m，坡度8.57%，其中左线Ⅳ级围岩4354m，Ⅴ级围岩516m；右线Ⅳ级围岩4310m，Ⅴ级围岩565m。

1.2 瓦斯及其他有害气体情况

三迭系下统香溪群（T3～J1x），分布于五指山南西坡，岩层单斜，节理较发育～发育，受地质构造影响较重～严重，封闭条件较差，倾斜～急倾斜煤层厚度一般≤0.3m，属碎裂～原生结构煤，生烃类煤及煤系地层埋深100～400m。瓦斯有一定的封闭与聚集条件，以涌出形式为主。拟建隧道穿越五指山山脉，隧道穿越地带，属低瓦斯工区，按低瓦斯隧道设计施工。煤岩地层、瓦斯等级及设防段落详见表1。针对五指山隧道实际情况，施工中应加强通风、排气和监测措施。

表1 煤岩地层、瓦斯等级及设防段落

2 瓦斯隧道施工通风

2.1 通风方式

利用隧道斜井，为左、右洞分别设置送、排风道，具体布置详见图1。

图1 送、排风道布置图

压入式、抽出式、混和式、巷道式及利用辅助坑道通风等是较为常见的几种隧道施工机械通风方式。压入式通风方式是通过轴流风机将外部新鲜空气通过风管输入至掌子面，内部的污浊空气沿隧道反向排出，长隧道（2km左右长度）多采用此通风方式。抽出式通风是利用轴流风机通过风管把工作区域的污浊空气抽出，而新鲜空气则可以顺隧道进入，与压入式通风方式工作原理正好相反，抽出式通风须采用硬质风管。混和式通风系统中，以抽出式风机作为主风机，压入式风机作为辅助风机，综合压入式和抽出式通风方式的有点，使得通风效率更高。巷道式通风是采用射流技术，两隧道的掌子面的新鲜风流由轴流风机通过风管供给，使其中一条隧道作为进风巷，另外一条隧道作为回风巷，利用辅助通道进行通风，主要运用在特长隧道施工过程中，同时为缩短通风距离常利用平导坑、斜井、竖井等作为辅助通风坑道，主要布置方式有双巷式和混和式通风。

五指山隧道设计长度、瓦斯段长度较长，同时设计有较长的斜井，常规通风方式不能满足实际生产的要求，隧道瓦斯段基本情况详见表2。

表2 五指山隧道瓦斯段基本情况

根据本隧道施工的现实情况，通过计算，采用分段进行通风布设的方案，具体分为两个阶段，第一阶段长度为起始段至700m左右长度位置，第二阶段顺接第一阶段至合同段结束。

第一阶段采用独头压入式通风方式，将隧道左右洞分别作为两个独立的通风系统，采用射流通风，左右线掌子面的新鲜空气由布置于洞口的轴流风机提供，射流风机引导污浊空气从隧道中排出，横通道予以封闭，确保无漏风和循环风，风管轴流风机放在洞外30m处，两管在同一铅垂上面上，风管间相错开约30cm左右，风速计算按稀释瓦斯、排除开挖放炮及出渣灰尘、消除顶层瓦斯聚集、回风流沼气浓度不超限所需风量三方面考虑，取三者需风量的最大值。第二阶段采用巷道式通风方式，利用射流通风，轴流风机布置在隧道内部，距离施工掌子面700m左右，以射流风机引导左洞为进风巷，右洞为回风巷，左右洞掌子面的新鲜空气均由轴流风机提供，利用靠近掌子面的车行横洞作为联通风道，以后横洞予以封闭，确保无漏风和循环风出现。斜井长度为1602m，采用压入式通风方式。瓦斯隧道通风方案应按照工区进行划分，每个工区中采用独立的巷道式通风系统。在施工过程中，需设置专门的通风管理小组，专门负责通风系统各设备的日常管理和检修，定期对洞内的风速、风量、气温、气压、瓦斯浓度等数据进行检测，并作出详细记录台账，计算记录不同时段的有效风量。施工期间，还需保证隧道内的连续通风，在特殊情况下出现停风情况时，应及时停止工作，撤出作业人员，切断一切电源，防治出现瓦斯爆炸，恢复通风前也需要先检查洞内瓦斯浓度，防止电力引燃。

因本隧道为低瓦斯隧道，选用布置在隧道内的局扇、射流及轴流风机均为防爆型。高压风采用洞外电动空压机组成的压风站集中供风，左右线采用统一设置200m3空压站1座；高压风管选用φ200mm无缝钢管，入洞后利用托架布置在隧道边墙上，沿全隧道通长布置。主风管间隔300～500m安装闸阀和三通阀，风管前段距开挖面30m的主风管头接分风器，利用高压软管分接至各风动机具。在洞口设一座100m3空压机站，供应斜井施工用风。通风机供电必须要有两个回路。通风机必须设专人负责管理。

风机采用吊式安装，其中心轴线与隧道轴线平行，每组两台，沿隧道纵向布置，构成并联、串联运行，安装位置的里程误差为2m，安装高度误差为5mm，且风机下沿距车辆限界15~20cm。风机安装时要求每台风机均能手动及自动开、停。风机需既可独立运行，又可成组运行，可以在实际运行过程中随时灵活调整风机的通风量。

2.2 需风量计算

隧道施工通风技术参数见表3。

表3 隧道施工通风计算参数

与常规隧道施工通风相比，瓦斯隧道需风量增加了稀释瓦斯需风量，同时瓦斯隧道最小风速与非瓦斯隧道有区别，其他一致。

瓦斯隧道施工通风需风量分为两部分，一部分为掌子面需风量，另外一部分为回风巷需风量，其中掌子面需风量主要有：①洞内工作人员需风量Q1；②爆破作业需风量Q2；③稀释瓦斯需风量Q3；④掌子面机械需风量Q4；⑤掌子面最小风速需风量Q5，掌子面需风量取其中最大值QMAX。回风巷需风量主要有：①最小风速需风量；②作业机械需风量，回风巷需风量取最大值。通过计算可得：当有机械作业时段，掌子面需风量由洞内作业机具需风量决定，无机械作业时段需风量由最小风速决定，详见表4。

表4 需风量计算表

根据通风方式的选择以及需风量的计算，最终确定风机数量以及风机功率，据此合理安排施工现场用电以及风机布置。详见表5。

表5 现场风机布置表

3 结论

本文通过对中铁十二局集团第三工程有限公司负责施工的四川省仁寿至屏山新市公路井研至五指山段路基土建工程五指山隧道不良瓦斯地质情况以及现场施工需求进行调查研究，选择合理的通风方式，并对需风量进行计算，最终确定现场实施的通风方案，同时依据计算结果，可以灵活调整有无机械作业时的通风量，提高了经济效益。瓦斯涌出、突出前后，会伴随着地应力、瓦斯和煤岩的地质构造与力学性质的种种异常表现，结合结构防瓦斯措施、超前地质预报，不断完善瓦斯检测制度、瓦斯浓度管理等一些列措施，从而确保隧道施工安全有序的开展。