盾构施工隧道通风稀释瓦斯气体实验系统设计

权晓甜 高 涛

(中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

1 概述

随着国内经济及交通行业的快速发展，穿越江河等水下地层的盾构施工隧道工程日益增多，江河水下含有瓦斯气体分布的地层亦日渐增多，含瓦斯气体地层内一定压力的瓦斯气体气团通过隧道结构层及盾构机部件等进入盾构施工隧道内威胁施工的安全及人员的健康，严重者造成重大灾害。通风技术是保障隧道施工、营运安全的基础[1,2]。在盾构施工中,通风的作用是向工作面输送足够的新鲜空气、滤除盾构机排入空气中的粉尘,保证作业人员的健康、安全[3],而盾构施工隧道的多个部位存在泄露地层内瓦斯气体的风险。研究不同气源压力下、不同的泄露流量、不同部位的瓦斯气体泄露时瓦斯气体的积聚扩散规律，进一步研究通风组织形式对隧道内瓦斯气体积聚的抑制作用及瓦斯气体被动驱散稀释的规律，以确定合理的通风组织形式高效驱散隧道内的瓦斯气体至关重要。

2 隧道内通风驱散稀释瓦斯气体研究现状概述

目前施工隧道内通风驱散稀释瓦斯气体的规律仅能通过数值模拟计算研究，尚未建立相应的模拟实验平台，无法采用实验手段辅助验证数值计算结果。本文根据相似理论与盾构实际施工工艺及隧道实际尺寸搭建与原型同尺寸或一定比例的试验平台，模拟不同通风量及通风组织形式下各泄露部位不同泄露速率与突涌量下的瓦斯气体稀释扩散规律，同时模拟瓦斯气体在施工隧道内积聚特性以及不同压力下的地层瓦斯气体气团泄露规律，为盾构施工隧道安全通风方案的制定、通风的气流组织的设计、隧道内空气环境的预测以及应急通风预案的制定提供可靠的理论与实验数据支持。

3 盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统综述

针对上述存在的问题，设计出了一种盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统，可模拟测试不同盾构隧道不同部位发生瓦斯气体涌入时，瓦斯气体浓度在不同通风方案下的流动规律及稀释过程。采用的技术方案是：盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统，包括盾构施工隧道通风模拟试验装置和用于控制模拟试验装置产生瓦斯气体的模拟气源装置。盾构施工隧道通风模拟试验装置包括模拟盾构施工隧道模块和模拟通风模块、测试模块。模拟盾构施工隧道模块，包括模拟盾构施工隧道以及用于模拟瓦斯气体泄露的管片漏气模型、泥浆管漏气模型、气垫仓排气模型、刀仓排气模型、盾尾刷漏气模型。

4 盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统具体设计方法

盾构穿越瓦斯气体地层施工隧道安全控制模拟实验装置，具体说是一种盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统，用于穿越江河水下瓦斯气体地层的盾构施工隧道通风稀释驱散涌入隧道内瓦斯气体的模拟实验，特别针对泥水平衡式盾构机施工隧道。

试验系统由模拟盾构施工隧道模块和模拟通风模块、测试模块和模拟气源装置组成。可以实验模拟研究不同的通风组织形式与瓦斯气体的泄漏位置、泄露量、气体监测部位，用以研究瓦斯气体在盾构施工隧道内的积聚规律以及瓦斯浓度稀释的演变特性。具体可模拟盾尾刷拆换时涌入瓦斯气体、管片密封泄露进入的瓦斯气体、气垫仓超压排气中带入的瓦斯气体、刀仓换刀排入的瓦斯气体、泥浆管法兰接口泄入的瓦斯气体在不同通风气流组织下的扩散速率、积聚的区域及稀释速率。

图1是盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统的结构原理示意图，图2为图1的A向投视图，盾构施工隧道通风稀释涌入瓦斯气体的模拟实验系统，包括盾构施工隧道通风模拟试验装置和用于控制所述模拟试验装置产生瓦斯气体的模拟气源装置。

盾构施工隧道通风模拟试验装置包括模拟盾构施工隧道模块和模拟通风模块、测试模块。其中模拟盾构施工隧道模块，包括模拟盾构施工隧道以及用于模拟瓦斯气体泄露的管片漏气模型、泥浆管漏气模型、气垫仓排气模型、刀仓排气模型、盾尾刷漏气模型。模拟盾构施工隧道按设定的与实物的比例制作。隧道壁采用钢板制作、原型长度不小于200 m，盾尾刷漏气模型，刀仓排气模型，气垫仓排气模型，管片漏气模型，泥浆管漏气模型，模拟盾构机机架按一定比例尺寸设置在模拟盾构施工隧道的对应位置，以上几项构成的模拟盾构施工隧道实验装置，主要用于模拟不同部位及装置的瓦斯气体泄露入隧道内的主体模型。其中，盾尾刷漏气模型(如图3所示)为半圆柱管道紧贴模拟盾构施工隧道壁外侧一周并与模拟盾构施工隧道壁拼焊而成的环形箱体，环形箱体内的隧道壁周向均匀开设若干出流孔口，各出流孔口非工作状态时用密封胶封堵，实验时可根据泄露面积的比例选用开启数量，环形箱体正上方与模拟气源试验装置连接；管片漏气模型(如图4所示)是在模拟盾构施工隧道壁面分别制作的贯穿隧道壁的纵向缝隙8-3和环向缝隙8-1，缝隙宽度按照盾构隧道管片的技术标准为0 mm～2 mm，模拟盾构施工隧道外壁的纵向缝隙处罩扣半圆柱形容器8-4，半圆柱形容器与模拟盾构施工隧道外壁密封结合，模拟盾构施工隧道外壁的环向缝隙处罩扣环形容器8-2，环形容器的横截面为矩形，环形容器与模拟盾构施工隧道外壁密封结合，半圆柱形容器和环形容器分别通过管路与模拟气源装置相连。

模拟通风模块，包括通风机，风筒，风量调节阀，风量测量装置，风机具备压入和抽吸功能，风筒纵向悬挂于模拟盾构施工隧道内，风筒用可调支架固定，风筒位置通过可调支架进行上下、前后、左右的移动调控，根据风筒的承压特性选择不同材质的风筒，风机经风量调节阀与风量测量装置后用风筒连接法兰连接风筒，风量调节阀与风量测量装置联合调控送风量。以上部分联成一体构成模拟通风系统用于模拟不同的通风组织形式，模拟盾构施工隧道与模拟通风系统构成盾构施工隧道通风模拟实验装置。

测试模块(图5是测试系统原理简图)，包括若干气体浓度传感器(瓦斯气体)、风速传感器、温度传感器、若干流量传感器(瓦斯气体)、若干压力传感器(瓦斯气体)、数据采集仪、控制主机，风速传感器设在盾尾刷漏气模型后方，根据等面积法布置，温度传感器也设在盾尾刷漏气模型后方，部分气体浓度传感器分别设在各模拟瓦斯气体泄漏点附近，另一部分气体浓度传感器布置在模拟盾构施工隧道的不同位置且不限数量，各流量传感器与压力传感器分别设置在模拟气源装置与各漏气/排气模型的连接管路前端，所述气体浓度传感器、风速传感器、温度传感器、流量传感器、压力传感器的测试数据均传输到数据采集仪并转换成数字信号进入操作主机。

本实施例中，模拟瓦斯气体源实验装置，通过气体压缩机抽吸储气罐的模拟瓦斯气体压缩至需要的压力送至模拟瓦斯气体输送管路，并通过瓦斯气体流量传感器调控气体流量，将需要实验的漏气模型的启闭阀门开启，即可模拟瓦斯气体由此处模型进入模拟施工隧道，可采用二氧化碳气体作为模拟瓦斯气体。

5 结语

该设计结合穿越含瓦斯气体地层盾构施工隧道的具体施工工艺及理论分析，按照一定比例尺寸搭建模拟实验系统，更加贴近盾构施工隧道内有瓦斯气体泄露下的空气环境及通风稀释瓦斯气体的情景。该模拟实验装置简单，模拟气源可采用安全无害的气体代替，设计实验方便安全，可根据相似律缩小模拟试验尺寸，投入成本低。能够科学有效地模拟盾构施工过程中盾尾刷密封拆换、刀仓开启、泥浆管接口断开、气垫仓排气等大量涌入瓦斯气体的情景，以及正常情况下泄露的微小流量瓦斯气体的情景，不同通风组织形式下隧道内的瓦斯气体流动扩散的演化规律，分析结果对治理预防盾构施工隧道瓦斯气体灾害的安全通风方案的设计及应急通风预案的编制有很好的参考和指导意义。