长大低瓦斯隧道施工通风技术探讨

王国顺

(中铁十三局集团有限公司,长春吉林130033)

0 引 言

随着科技的进步,地下工程及公路、铁路隧道的长度不断延伸,瓦斯、天然气及其他有害物质的出现几乎不可避免,如何选择一种既安全又经济的施工通风方案,是急需解决的问题[1-3]。我国修建的云台山隧道、青山隧道、圆梁山隧道、云顶隧道都为瓦斯隧道,施工通风是降低瓦斯浓度最有效、最重要的手段。对于隧道通风来说,较高的通风效率是良好经济效益的保证,合理的气流组织是瓦斯隧道施工安全的保证。因此,选择一种有效通风方案来解决瓦斯问题显得尤为重要[4-5]。针对高瓦斯隧道的施工通风问题,一定要结合现场实际,认真研究各阶段施工通风是否适合现场施工组织安排,使设计方案既保证施工安全又节约成本。论文结合洛湛铁路长乐隧道和袍子岭隧道现场施工实际,介绍长大隧道施工中的通风排烟问题,为以后的类似工程施工提供了有意义的借鉴经验。

1 工程概况及特点

洛湛铁路长乐隧道和袍子岭隧道位于湖南省永州市双牌县境内,其中长乐隧道全长6 381 m,中铁十三局集团有限公司施工的进口段D3K77+565～D3K81+600段3 285 m,其中进口435 m为双线车站段。线路右侧设进口平行导坑。平导斜交段与隧道中线夹角为40°,平导与线路间距20 m,平导全长481 m;袍子岭隧道全长6 475m,十三局集团标段施工出口D3K73+800～D3K77+565段 3 015 m,其中355 m为双线车站段。出口线路前进方向左侧设平导,平导与线路相距30 m,平导全长1 000 m。为保证施工工期,2006年10月,袍子岭隧道新增迂回平导757 m,位于线路左侧;长乐隧道新增迂回平导1 585.64 m,位于线路右侧;袍子岭隧道和长乐隧道都是低瓦斯隧道,两隧道均为洛湛线的控制性重点工程。隧道具有如下的特点:

(1)两座隧道均属长大隧道,且含有低浓度的瓦斯。单口掘进最长4 035 m,在笔者所在公司尚属首次。袍子岭隧道采用无轨运输方案,长乐隧道采用有轨运输方案。两隧道均按瓦斯工区组织施工。

(2)两隧道均为独头掘进,且工期要求混凝土衬砌与掘进必须同时进行,这就加大了施工通风的难度

(3)两隧道是长大瓦斯隧道,隧道的通风技术是保障施工的关键。通风质量的好坏不仅关系到隧道能否正常施工,而且直接影响到洞内施工人员的身体健康乃至生命安全。

2 通风设备的选择

因袍子岭隧道采用无轨运输方案,长乐隧道采用有轨运输方案。所以袍子岭隧道通风排烟压力更大,现就以袍子岭隧道作为研究对象。

2.1 风机选择

2.1.1 计算参数的确定

计算参数的确定如下[6-8]:①供给每人的新鲜空气按4 m3/min计算。柴油设备kW/min需要新鲜空气不小于3 m3;②开挖爆破一次最大用药量,正洞150 kg,平导70 kg;③放炮后通风时间按30 min计;④洞内摩擦阻力系数正洞为0.02;⑤软质风筒直径为1.5 m,风筒节长100 m,100 m漏风率2%,风筒内摩擦阻力系数为0.0024;⑥正洞回风流速不小于0.15 m/s,平导内回风流速不小于0.25 m/s;⑦隧道内气温不超过20℃。

2.1.2 正洞、平导未贯通前风量的计算

(1)按洞内允许最低风速计算风量:

式中:V为正洞最小风速,取0.15 m/s;S为正洞开挖断面面积,为60 m2。

(2)按洞内最多人数计算风量,洞内最多人数按80人计算风量,安全系数K=1.2。

(3)按爆破最多用药量计算风量:

式中:G为爆破最多用药量,取150 kg;b为爆破时有害气体生成量,岩层中爆破取35.35 L/kg;t为通风时间,取30 min。

(4)消除顶层瓦斯积聚所需风量:

式中:V小为瓦斯隧道通风允许最低风速,取0.25 m3/s;S为正洞隧道断面面积,取60 m2。

(5)按回风流瓦斯浓度不超限所需风量:

式中:C为瓦斯安全浓度,取1%;gCH4为瓦斯绝对涌出量,正洞取7.8(m3/min)。

(6)风筒漏风损失风量,风筒最长2 500 m,100 m漏风系数 β为2%,风机风量按消除瓦斯积聚所需风量计算:

(7)实际所需风量计算,按海拔高度修正风量:

式中:QH、Q6为分别为海平面和海拔高度的通风量;K为高程系数,袍子岭隧道海拔高度240 m,K取0.99。

(8)实际所需风机风量,经以上计算,实际所需风机风量为1507(m3/min)。

2.1.3 风机压力计算

通风机的全压要大于通风的总阻力,总阻力为风筒内阻力与洞内阻力之和。

2.1.3.1 风筒内摩擦阻力h1

式中:λ为正洞摩擦阻力系数,取0.0024;L为隧道的最大长度,取2 550 m(后期在平导内供风,3015-465=2 550m);D为风筒直径,取1.5 m;ρ为空气密度,隧道口海拔240 m,取0.96 kg/s;V为风筒平均风速取18 m/s。

2.1.3.2 隧道内摩擦阻力h2

式中:λ为正洞摩擦阻力系数,取0.02;L为隧道的最大长度,取3015 m;D为隧道当量直径,取6 m;V为洞内回流平均风速,取0.9 m/s。

2.1.3.3 风筒内局部阻力h3

在风筒入口处:ξ=0.3,ρ=0.96,V入=24 m/s;在风筒出口处:ξ=1.0,ρ=0.96,V出=13.6 m/s;过两个衬砌台车处:每处ξ=0.14,ρ=0.96,V=18 m/s

根据风机的风压和风量的要求,选用SDF(c)-NO12.5型防爆轴流风机,电机功率为2×110 kW,该风机为变速风机,该机共6级变速,风量从840 m3/min～ 2 912 m3/min,风压从 353 Pa～5 355 Pa,功率从16 kW～220 kW,根据其性能曲线图可知,风机风量及全压参数完全大于所需风量及全压,满足使用要求。

2.2 风筒的选择

实现长距离大风量通风的最有效的技术措施是采用大直径风管,这不仅可以减少通风机、延长送风距离,还可以成倍地降低通风能耗,同时考虑正洞和平导断面大小和通行车辆影响分别选用:正洞用Φ 1 500mm WSFG 型软风管;平导用Φ 1 000mm WSFG型软风管。Φ 1 500 mm WSFG型软风管平均百米漏风率:e=1.23%;平均百米静压损失:R=6.5 aL/D6=6.5×0.0024 ×100/1.56=0.137 N/(s2·m-3);摩阻系统:a=0.0024 kg/m3。考虑长大瓦斯隧道防火防爆要求采用阻燃、抗静电效果较好的软风管。

3 施工通风实施方案及管理

袍子岭隧道和长乐隧道有瓦斯含量,又是长大隧道,通风难度大。隧道采取了巷道加管道等通风方式,取得了良好的通风效果,保证了隧道的安全顺利贯通。具体通风方式分两阶段进行。

3.1 第一阶段(平导、正洞贯通前)采用压入式通风

车站双线段未和1#横通道贯通,1#横通道切入正洞后增加的工作面与4#横通道未贯通。该段时间通风方式见图1所示。即在隧道正洞洞口安设1台110 kW*2的通风机,通风机配Φ 1500 mm通风带,车站段最大通风距离为320 m;平导洞口安设1台55 kW*2通风机,在平导和1#横通道的分叉处有一个三通,确保通风机分别向平导和1#横通道输送新鲜风,平导和1#横通道都用 Φ 1 000 mm通风带,平导最大送风长度为680 m,4#横通道切入正洞的掌子面里程为D3K78+550。

由于该阶段二次衬砌未开始施工,各个口都仅有开挖支护施工,施工工序单调,通风干扰很小。因此对通风要求比较低。响完炮后通风约15 min,掌子面即可进行出渣作业,出渣前向渣堆进行撒水降尘,避免装渣时掌子面灰尘过大。通风距离较短,通风保障也因为单工序施工而较为简单。

3.2 第二阶段(平导、正洞贯通后)

第二阶段平导与正洞贯通后的通风系统见图2所示。即将两个洞口风机移至洞内平导与正洞横通道口,将平导作为巷道加风机管道向正洞掌子面压入新鲜风流,使污浊空气从正洞排向洞外。将2×110 kW的风机放于平导与正洞交叉处的4#平导口处,利用平导方向进风,Φ 1 500 mm的通风带。在1#横通道的正洞附近位置设1台55 kW×2的通风机配Φ 1 000 mm通风带向正洞口排风,在每组衬砌台车后面以及迂回平导口和掌子面附近安设1台37 kW的射流风机以加快污浊空气流动和排出,这样保证了洞内施工人员的作业环境。迂回平导内根据需要增加了射流风机以保证通风效果。两组衬砌台车安设铁皮风筒后即可满足衬砌台车行走时不影响洞内通风的目的。通过采取巷道加管道以及接力通风等通风方式达到通风目的。

图1 第一阶段(平导、正洞贯通前)通风系统布置图

图2 第二阶段(平导、正洞贯通后)通风系统布置图

3.3 通风管理与辅助通风措施

根据需要随时进行空气卫生和通风指标检测,不断进行通风系统的优化,保证通风系统完好有效运行。

(1)水幕降尘,为了降低围岩爆破后产生的粉尘量,采用了水幕降尘,改善洞内施工环境,减少了通风时间。在距工作面40 m处设置三道水幕,水幕降尘装置安装在边拱上,爆破后5 min打开水幕开关,降尘20 min左右停止。同时在出渣运输过程中用高压水雾对道路及渣堆进行分层洒水以减少粉尘。

(2)机械净化,正洞采用净化程度较高的装渣设备,重庆铁马是低排放、低污染运输车。除此之外,还采取了以下措施。

(3)加强对机械的维修保养。按照设备日常保养和定期维修规定,特别对进气、燃油部位进行强化保养,坚持燃油沉淀过滤制度。

(4)柴油中添加入S30-30柴油净化剂。在柴油中加入少量添加剂,有效地降低了CO和其他有害气体的排放量。

(5)保持洞内道路平整,减少污染气体排放量。限制污染较大的车辆进洞。

(6)防漏降阻是实现长距离通风的关键,严格控制风筒质量,安装时保持风筒直线,防止弯折变形。注意风筒防护,避免机械进出挂损,破损风筒及时修复。

(7)成立专门的通风作业班组,一方面负责不断向前接长风管,另一方面进行系统检查和维修,负责风管的维修和更换。对于严重破损的风管要立即更换,轻微破损的风管节要及时修补,修补时可采用快干胶水粘接的方法。由于柔性风管在停风时会在自重作用下自然下垂,再次通风时,当管内风速大于10 m/s时会对管路产生很大的瞬时张力,所以采用变频电机调速。修补、接长风管时,应根据洞内作业工班的时间安排,关闭风机。

4 结论及建议

本工程对洞内有害气体监测,是在掘进施工的不同时间和掘进的不同深度随机进行。经过一系列的测试,工作面的空气可达到国家卫生标准。通过洛湛项目长大隧道施工区段施工通风阶段性实践,总结出以上几点:

(1)在设备选型上,应尽可能选择风量较大无级变速节能风机,既可适应不同施工阶段的需求,也可避免电能的虚耗和大风机启动时风压较高而设置长距离的硬管。

(2)采用直径1.5 m的通风软管,百米漏风率降低,风阻减少,更换较少,节约了动力费用。

(3)通风阻力和通风消耗的功率等都与通风管直径的负五次方成正比。因此,要降低通风阻力,延长通风距离、降低通风的电能消耗,提高通风效果,最有效的途径是采用直径较大的通风管。若将通风管直径从1.0 m增至1.2 m时,同风量的阻力降低2.48倍,即通风距离增大2.48倍,而消耗的电能却相同,设备投入减少,经济效益十分可观。

(4)实行施工通风专业化管理,从方案设计、通风设置选择,新产品应用及日常施工管理等各个环节都要做细、做好。

[1] 李晓红,李通林,顾义磊,等.瓦斯隧道揭煤施工技术[M].重庆:重庆大学出版社,2005:1-10.

[2] 郭陕云.关于我国铁路隧道建设的刍议[J].铁道工程学报,2005,4(2):58-61.

[3] 陈炳祥.金洞隧道瓦斯煤系地层施工技术[J].铁道标准设计,2004,(11):47-50.

[4] 陈昌勇.闸上隧道出口端软弱围岩段的施工[J].现代隧道技术,2000,(3):37-39.

[5] 陈赤坤.内昆线瓦斯隧道的设计与施工[J].科学技术通讯,2004,(9):9-14.

[6] 高炳东.新苏家寨瓦斯隧道防治措施[J].西部探矿工程,2003,(3):93-95.

[7] 侯田海.内昆铁路朱嘎隧道施工通风技术[J].筑路机械与施工机械化,2003,(4):37-39.

[8] 喻军,刘松玉.瓦斯隧道塌方处理关键技术研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(4):123-125.