武文娟

(1.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050043；2.河北省地下空間工程巖土技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050043)

0 引 言

隨著公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平和規(guī)模不斷提高，我國已成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大、難度最高與數(shù)量最多的國家。越來越多的隧道穿越油氣盆地、煤系地層等瓦斯積聚區(qū)山脈，瓦斯隧道也隨之增多。瓦斯爆炸機(jī)理十分復(fù)雜、交通隧道斷面大，施工中對瓦斯的管理與控制十分關(guān)鍵[1]。通風(fēng)是防止瓦斯?jié)舛瘸藜氨ㄊ鹿实年P(guān)鍵措施。

1 瓦斯隧道及通風(fēng)要求

瓦斯隧道指隧道施工中出現(xiàn)局部地段為煤系層或含瓦斯的非煤系地層，并有瓦斯出露的情況的隧道。根據(jù)瓦斯涌出量，分為微瓦斯隧道、低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道[2]。瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)包括施工人員窒息、中毒，瓦斯燃燒及爆炸。瓦斯爆炸的兩個(gè)基本條件為濃度和引燃源。隧道施工過程中，降低瓦斯?jié)舛仁欠乐雇咚贡ǖ闹饕緩?，因此加?qiáng)通風(fēng)是瓦斯隧道施工安全的關(guān)鍵。同時(shí)，通風(fēng)還可及時(shí)排出內(nèi)燃機(jī)械產(chǎn)生的尾氣、爆破產(chǎn)生的有毒氣體、粉塵等，改善隧道內(nèi)部環(huán)境。

2 隧道通風(fēng)方案分類及選型依據(jù)

2.1 通風(fēng)方案分類

隧道通風(fēng)方式分類如圖1所示。根據(jù)隧道污染氣體排出路徑的不同，機(jī)械通風(fēng)主要分為風(fēng)管式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)[3]。根據(jù)氣流驅(qū)動(dòng)方向的不同，風(fēng)管式通風(fēng)又分為壓入式、抽出式和混合式。巷道式通風(fēng)主要分為主扇巷道式和射流巷道式。

圖1 隧道施工通風(fēng)方式

2.2 壓入式通風(fēng)

壓入式通風(fēng)是指利用風(fēng)機(jī)的正壓將新鮮空氣從隧道外部壓入隧道，污濁空氣沿隧道流出，如圖2所示。風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)壓為正，因此對風(fēng)筒材料要求低，用柔性帆布即可，成本低廉。但是，隧道整體處于攜帶粉塵、瓦斯的回風(fēng)風(fēng)流中，環(huán)境較為惡劣[4]。隨著獨(dú)頭掘進(jìn)長度的增大，會(huì)導(dǎo)致送風(fēng)管路的沿程通風(fēng)阻力增大，通風(fēng)能耗隨之增大，且掌子面污染風(fēng)流排出洞外所需時(shí)間也越長。該種通風(fēng)方式最為常用。

圖2 壓入式通風(fēng)原理

2.3 抽出式通風(fēng)

抽出式通風(fēng)是指利用風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽出污濁空氣，如圖3所示。抽出式通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)為污風(fēng)從風(fēng)筒排出，隧道整體均處于新鮮風(fēng)流中。但是，攜帶粉塵和瓦斯的污風(fēng)流經(jīng)風(fēng)扇，危險(xiǎn)性高，須配置防爆風(fēng)機(jī)。風(fēng)筒為負(fù)壓環(huán)境，需要配置剛性骨架，成本高。該種通風(fēng)方式在隧道中采用較少。

圖3 抽出式通風(fēng)原理

2.4 混合式通風(fēng)

混合式通風(fēng)同時(shí)配置壓入式和抽出式風(fēng)機(jī)，根據(jù)兩者風(fēng)筒端口在掌子面的位置關(guān)系，分為長壓短抽式和長抽短壓式，如圖4所示。長壓短抽式以壓入式通風(fēng)為主，僅在掌子面附近配置小功率抽出式風(fēng)機(jī)和小段剛性風(fēng)筒，適用于掌子面有毒有害氣體濃度較高的工況[5]。長抽短壓式以抽出式通風(fēng)為主，僅在掌子面附近配置小功率壓入式風(fēng)機(jī)和小段柔性風(fēng)筒，適用于對全線空氣環(huán)境要求高的隧道?；旌鲜酵L(fēng)可以有效解決掌子面附近瓦斯等有害氣體集聚的難題，但是需要同時(shí)配置兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，成本高。

圖4 混合式通風(fēng)原理

2.5 巷道式通風(fēng)

巷道式通風(fēng)是一種利用平行導(dǎo)坑、斜井、豎井等作為回風(fēng)道的通風(fēng)方式，一般適用于3 000 m以上的特長隧道。該通風(fēng)方式風(fēng)流路徑簡單，但是通風(fēng)設(shè)備較多，費(fèi)用較大。同時(shí)，排風(fēng)洞長期處于污風(fēng)之中，大功率主扇耗電量大，風(fēng)門漏風(fēng)和橫通道封閉不嚴(yán)會(huì)使部分風(fēng)流短路。隨著工作面遷移，橫通道可根據(jù)需要選擇射流風(fēng)機(jī)、風(fēng)墻、風(fēng)帳或風(fēng)門封堵。

2.6 瓦斯隧道通風(fēng)方案選型原則

目前，國內(nèi)隧道主流通風(fēng)方式包括壓入式、混合式、巷道式，以壓入式為主。對瓦斯隧道而言，瓦斯監(jiān)測和施工通風(fēng)是保障安全的根本，將洞內(nèi)瓦斯?jié)舛认♂屩?.5%以下是基本要求[6]。在工程實(shí)際中，低瓦斯隧道宜采用壓入式或巷道式，高瓦斯隧道不論隧道長短均應(yīng)采用巷道式通風(fēng)。

3 七曜山隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

3.1 七曜山隧道簡介

七曜山隧道為重慶石柱至黔江高速公路全線單洞最長的隧道，全長5 400 m，是全線重點(diǎn)控制性工程。隧道出口端工區(qū)非煤系地層在施工期間意外出現(xiàn)瓦斯，且溢出頻繁。左洞瓦斯絕對涌出量在1.70～2.16 m3/min，右洞瓦斯絕對涌出量在1.59～1.82 m3/min，屬于高瓦斯隧道。

3.2 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

考慮瓦斯涌出量、人數(shù)、爆破排煙、內(nèi)燃機(jī)械尾氣等因素的排風(fēng)要求，選取最大值作為隧道施工需風(fēng)量。計(jì)算結(jié)果表明，七曜山隧道需風(fēng)量為3 335.5 m3/min，風(fēng)壓1 979.27 Pa。綜合考慮七曜山隧道布置形式、掘進(jìn)長度、斷面大小、開挖方法等因素，采用巷道式通風(fēng)。參考風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，隧道風(fēng)機(jī)選用SDDY-No14#型多級變速風(fēng)機(jī)作為主風(fēng)機(jī)，并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行防爆改裝，其性能參數(shù)均滿足計(jì)算要求。風(fēng)機(jī)型號及參數(shù)見表1。

表1 SDDY-No14#通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)表

通風(fēng)布置方案如圖5所示。在K20+580處設(shè)置4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)向左右洞內(nèi)輸送風(fēng)量，K20+520橫通道和右洞安裝射流風(fēng)機(jī)加速向洞內(nèi)抽排污濁氣流。為防止二襯臺(tái)車附近、襯砌斷面變化處、橫通道處瓦斯聚集，增加空氣流速，特在二襯臺(tái)車安裝2臺(tái)11 kW局扇、開挖臺(tái)車安裝2臺(tái)2.2 kW局扇、6#車行橫通道口安裝2臺(tái)30 kW射流風(fēng)機(jī)。通風(fēng)效果表明隧道內(nèi)部風(fēng)速、瓦斯排放效果均滿足要求。

圖5 七曜山隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)束語

隧道主流通風(fēng)方式包括壓入式、混合式、巷道式3種，其中壓入式通風(fēng)系統(tǒng)簡單、成本低，交通隧道多采用壓入式通風(fēng)。巷道式通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、通風(fēng)效果顯著，高瓦斯隧道不論隧道長短均要求采用巷道式通風(fēng)。通風(fēng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)通風(fēng)量，結(jié)合隧道布置形式、掘進(jìn)長度、斷面大小、開挖方法等因素，選擇合理的通風(fēng)方案。