跃龙门隧道大变形整治阶段高瓦斯环境下通风技术研究

引言

在“一带一路”倡议的推动下，我国铁路建设进入了高速、全面发展的阶段。铁路隧道工程也随着工程技术的发展，逐渐趋于特长型隧道建设。在隧道施工中，施工通风虽然不是主打专业，但是其重要性不言而喻，是影响特长隧道能否修建的重要因素之一，通常决定着隧道施工的独头长度和辅助坑道的设置。大量工程实践表明，穿越煤系及非煤系的特长高瓦斯铁路隧道面临严峻的长距离施工通风问题以及瓦斯溢出的突发灾害安全问题，不仅影响隧道施工的整体安全、质量和进度，还关系隧道施工作业人员的生命安全等问题。

本文对成兰铁路跃龙门隧道3号斜井工区“双线分修+平行导坑设置”结构进行分析，就软岩大变形复杂环境下的高瓦斯隧道通风技术进行研究和探讨，围绕特长铁路瓦斯隧道长距离、多工作面施工通风问题展开系统研究，并提出解决办法和相应安全管控措施。

1.工程技术背景

跃龙门隧道由中铁十九局集团承建，采用双线分修的方式，最大线间距60m、最小间距30m，隧道左线全长19981m、右线全长20042m。全隧道采用“1平导+3斜井+2横洞+2泄水洞+1副洞”的设置方案，均采用无轨运输模式组织施工。其中，3号斜井工区承担斜井2025m、平行导坑5735.033m、泄水洞1970m、正洞左线7597m、右线4455m的施工任务，其转入正线施工区段后，最大独头掘进长达8km，长距离独头掘进施工通风难度极大，为全线控制工期性工点。

该段埋深720m～1100m，最大水平主应力值在20MPa ～25MPa之间，垂直应力约为27MPa，垂直应力为最大主应力，属于高应力值区，加之炭质板岩、页岩、千枚岩夹层整体节理裂隙发育，层间呈薄片状，围岩受岩浆热液侵蚀改造、褶皱扭曲等多次构造影响，岩体极其破碎。最终导致平导超前已揭示段1400m整体呈现软岩大变形、初支变形开裂、高瓦斯溢出的复杂施工环境，隧道施工通风难度异常困难，直接影响到隧道施工组织及工期控制线路，施工难度属于国内外罕见。

2.跃龙门隧道软岩大变形段隧道施工组织及瓦斯通风控制重点

2.1 跃龙门隧道软岩大变形段施工组织及通风需求情况

2017年10月16日中午12时40分，平导掌子面立架时检测到有瓦斯气体溢出，浓度达到0.24%～1.0%，现场立即停工撤离人员并做好通风管理。按照国家铁路局2017年1月25日发布的《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016），全工区瓦斯涌出量大于或等于0.5m3/min时，为高瓦斯隧道工区，据此判定跃龙门隧道3号斜井工区为高瓦斯隧道工区。

结合目前跃龙门隧道大变形施工阶段变形及下步施工组织情况分析，总体可划分为以下两个阶段：一是处理现阶段左线23#_24#、平导大变形段，以及右线57#_58#大变形剩余区段，其余所有作业面停止施工进行封闭；二是左线、平导以及右线大变形段处理完毕后，下阶段采取平导改移方案，采用“阶段型混合式”平导超前通风模式。

2.2 跃龙门隧道软岩大变形段施工阶段瓦斯控制重点

第一阶段中左线大变形段初支拆换175m整体上采用机械凿除，局部进行切割和焊接作业，拆换量大、风险高，且受回填段影响整体隧道通风受阻，加之过程中锚杆、注浆施工孔内瓦斯溢出量受岩层影响赋存较高，进而导致动火作业施工风险极高。23#左大、24#左线大小里程必须采取独立通风，以瓦斯自动监测为主、人工监测为辅。

第一阶段中平导变形加固段动火施工作业较少，但受锚杆、径向注浆影响，极易导致钻孔孔内瓦斯溢出且含量较高，风险管控重点主要以瓦斯监测尤其是钻孔内瓦斯的人工监测为重点。

第一阶段中右线剩余未贯通段，为减少对相邻洞群的影响，且考虑到高瓦斯工区尽量减少爆破作业，故采用非爆破机械开挖可大大减少动火施工作业，但受锚杆、径向注浆影响，极易导致钻孔孔内瓦斯溢出且含量较高，风险管控重点主要以瓦斯监测，尤其是钻孔内瓦斯的人工监测为重点。

3.隧道高瓦斯条件下“阶段型混合式”通风设计优化

3.1 跃龙门隧道整体“阶段型混合式”通风设计方案

“阶段型混合式”通风技术理论以跃龙门隧道工程总体作为研究主体，利用泄水洞贯通后与3号斜井200m自然高差所形成的气压差，通过右线结合风墙的设置，总体形成进风及回风巷道，从而达到负压排风式通风的目的。

施工期间，“阶段型”通风技术需结合平导超前左右正线施工形态，通过右线新风巷道与平导、左线间的联络通道，采用区域压入式与区域巷道式相结合的通风模式，通过移动风墙位置可将总体独头通风距离分割成三段2km的长度，实现“长隧短风”的效果。

3.2 高瓦斯条件下隧道通风设计的阶段型优化设计

（1）原“阶段型混合式”通风设计的不足及优化思路

1号泄水洞洞口与3号斜井口有210m高差，有一定自然风压，可形成1号泄水洞与3号斜井之间的风流自然流动，但因气候原因，地表空气温度、湿度等影响，风量并不稳定，大多时间表现为1号泄水洞进风，3号斜井回风，但在极端情况下风流可能停止或逆转，利用该自然风压给洞内风机供风不可靠。

通风设计优化思路为总体形成跃龙门隧道1号泄水洞、进口至右线小里程作为主进风巷，3号斜井为总回风巷，依靠“主风机+射流风机”形成巷道式机械通风。

对于新风区域，设计考虑将跃龙门隧道进口至1号泄水洞段落的左右线联络通道封堵；跃龙门隧道1号泄水洞至23横段落的左线与平导之间联络通道封堵；23横处平导封堵，57横处右线封堵。

对于污风区域，供左线、平导、右线独头掌子面的主风机安设在靠近22号横通道、23号横通道平导封堵处、57号横通道右线封堵处，风管穿过平导、左线封堵，分别供24号横通道左线大里程、平导、58号横通道右线独头掌子面，回风经24号横通道、58号横通道、平导、23号横通道汇入左线，然后由3号斜井底部转斜井形成总回风，最后经3号斜井洞口排出地面。污风流经路线作为专用出碴运输通道。

后期独头施工达到2个横通道距离（约900m）后，主风机前移一次，上述封堵整体跟进，实现“长隧短风”的效果，按照规范要求进行高瓦斯供电、行走机械设备防爆改装。

（2）各局部作业点和停工掌子面进回风路线

针对大变形现阶段施工处理过程，按照设计通风方案第一阶段（即大变形处理阶段），整体设置5套通风系统，均采用压入式通风。

在3号斜井工区23号横通道转左线大里程大变形段处理作业点，1#轴流风机通风系统配置由平导22#横通道新鲜风经1#轴流风机，通过风筒独头压入至左线23#横通道转左线大里程及变形段反压回填段（前段采用分叉筒），污风经由左线返回，汇入左线小里程至3号斜井交叉口区段，最后经3号斜井总回风巷道排出地面；1#轴流风机通风系统配置1台2＊132kW轴流风机，风筒φ120cm。

在3号斜井工区24号横通道转左线大小里程大变形段停工掌子面，2#轴流风机通风配置由平导主风室（PDK99+640）新鲜风经2#轴流风机，通过风筒转23#横通道、穿过左线变形段反压回填段（左侧预留通道），独头压入至左线24#横通道转左线大里程及回填段背后（前段采用分叉筒），污风经由24#横通道返回，汇入平导（23#_24#区段），再由23#横通道转至左线与3号斜井交叉口区段，最后经3号斜井总回风巷道排出地面；2#轴流风机通风系统配置1台2＊132kW轴流风机，风筒φ120cm。

在3号斜井工区平导前段大变形段停工掌子面，3#轴流风机通风系统配置由平导主风室（PDK99+640）新鲜风经3#轴流风机，通过风筒直接穿过平导23#_24#大变形区段，直接进独头压入至平导前段大变形停工掌子面，污风经由平导（23#_24#区段），再由23#横通道转至左线与3号斜井交叉口区段，最后经3号斜井总回风巷道排出地面；针对25#横通道、59#横通道两个停工掌子面，分别采取射流风机对其进行局部通风；3#轴流风机通风系统配置1台4＊110kW轴流风机，风筒φ150cm。

在3号斜井工区58号横通道转右线大小里程停工掌子面，4#轴流风机通风系统配置由右线进风巷的主风室（YDK99+600）新鲜风经4#轴流风机，通过风筒转57#横通道、穿过平导23#_24#大变形区段，经由58#横通道独头压入至右线58#横通道转右线大小里程掌子面（前段采用分叉筒），污风经由58#横通道返回，汇入平导（23#_24#区段），再由23#横通道转至左线与3号斜井交叉口区段，最后经3号斜井总回风巷道排出地面；4#轴流风机通风系统配置1台2＊110kW轴流风机，风筒φ120cm。

在3号斜井工区57号横通道转右线大里程大变形加固作业点，5#轴流风机通风系统配置由右线进风巷的主风室（YDK99+600）新鲜风经5#轴流风机，直接独头压入至右线大里程掌子面，污风经由57#横通道回风，再由23#横通道转至左线与3号斜井交叉口区段，最后经3号斜井总回风巷道排出地面；5#轴流风机通风系统配置1台2＊75kW轴流风机，风筒φ120cm。

3.3 高瓦斯条件下隧道通风设计的阶段型优化计算

根据前述传统施工通风总体思路，进风巷道内依靠射流风机保证新鲜风流风量，隧道内各掌子面施工通风需风量按爆破排烟、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、洞内同时工作的最多人数和稀释洞内使用内燃机废气分别计算，并按允许风速验算，选取其中的最大值。

按照分部开挖的最不利因素，坑道施工通风最小风速按0.25m/s计；瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不得小于1m/s；通风距离取1000m［根据前述施工通风总体思路，独头施工达到2个横通道距离（约900m）后，主风机前移一次，上述封堵整体跟进，实现“长隧短风”的效果］。本阶段需安设5台风机，尽管未进行正常开挖作业，但风量计算仍按照开挖掌子面计算，仅列出一个掌子面的需风量计算过程。

（1）掌子面需风量计算

分别按照洞内同时工作的最多人数计算风量、洞内允许最小风速要求计算风量、按爆破排烟计算、按瓦斯绝对涌出量计算风量、按洞内使用内燃机械计算风量5个方面进行计算，经计算对比可知掌子面需风量计算结果取最大值为1661m3/min。

（2）风筒漏风损失风量修正

QL=Q·PL式中：

QL——风筒漏风损失修正风量（m3/min）；

PL——风筒漏风损失修正系数。

式中：L——风筒长度，独头压入式通风时独头最长1000m；P100——风筒平均百米漏风率，取1.0%。

经计算，通风机吸入风量为QL=1661x1.111=1846m3/min=31m3/s；经隧道风速验算，独头压入式通风时隧洞内风速为：v=QL/S=1.2m/s。

经验算，独头压入式通风时隧洞内风速为1.2m/s，大于允许的最小风速1m/s，满足瓦斯隧道通风要求。

4.隧道通风双路供电及瓦斯防爆配置方案设计

4.1 整体用电方案

跃龙门隧道3号斜井口由变电站架设10kV高压专线引至隧道洞口位置。在洞口位置设置箱变，内设高、低压开关柜、变压器等设备。柴油发电机作为第二回电源（配380V/10V逆变器），当高压电源失电时，及时投入柴油发电机组（洞口配置1台1250kW柴油发电机），保障主通风机、排水设备等一级负荷的供电，避免洞内瓦斯集聚、淹井。洞外、洞内分开供电。

4.2 洞外供电方案

施工现场洞外临时用电工程采用“TN-S”供电系统（三相五线制），变压器低压侧380V～220V中性点直接接地，设置专用的保护零线。配电系统采用“三级配电两级保护”，开关箱必须装置保护器，洞外主通风机、空压机、加工房、办公、生活、监控等用电由该变压器供电。

4.3 洞内供电方案

因施工距离长，目前主通风机、空压机均已进洞，洞内按需设置变压器，由地面箱变采用10kV电压等级送至各变压器，洞内供电采用煤矿井下变压器中性点不接地方式供电，低压供电动力电压等级采用380V，手动、电动工具及井下照明均规定采用127V电压等级。洞内动力、照明、排水、监控设备等由该变压器供电。

根据实际经验，洞内低压施工用电只能维持800m左右距离，每施工800m，矿用移动变电站随同主通风机、空压机迁移一次，直至施工结束。

5.隧道通风设备及辅助措施优化调整

5.1 风机安装

巷道式通风时，主要通风机安设在靠近掌子面的车行横通道中间位置，车行横通道设置临时密闭及2道风门，密闭墙厚度≥800mm（图1）。

图1 车行横通道通风机安设横剖面示意图

图2 隧道射流风机布置示意图

5.2 风量调节措施

该设计选用多级变速通风机，因隧道通风距离过长造成风量不足或风量不能有效稀释炮烟和废气时，应逐级开启高速电机，逐渐增大隧道通风量，以满足通风需求。

5.3 风机阶段型转移

根据隧道掘进深度，每贯通两个车行横通道移动一次通风机。当隧道内完成一个通风循环后，独头压入式通风机继续运转，同时将备用通风机转移安设至下一个车行横通道（第三个车行横通道）相应位置。在完成了第三个车行横通道风机的安装、供电及车行横通道密闭并保证备用通风机能够正常运转、持续稳定供风以后，方可关停第一个车行横通道的主要通风机，并将设备转移至第三个车行横通道，以保证隧道内持续稳定供风。以后循环以此类推，并根据需要，增加进风段射流风机数量（图2）。

5.4 通风过程中瓦斯监测

建立自动监控系统，在测点处安设有毒、有害气体传感器，建立声、光报警系统，当监测指标超限时，可实现自动报警和自动断电。监控系统应对所监控地点的有毒、有害气体浓度实现远距离、定点、长期、连续的自动监测。

高瓦斯工区原则上洞室、总回风、高冒区、回风、掌子面每两小时检测一次，电焊每小时检测一次；如掌子面出渣时每小时检测一次，放炮地点每放一炮应严格执行“一炮三检”和“三人连锁放炮”。

由于现阶段左线及平导大变形处理阶段施工现状23-24号联络通达大变形至平导掌子面区间整体全部处于停工状态，且作业面均采用喷砼封闭，可根据划定区域的巡回检查路线和检查点设置每班不少于3个巡回，测定后及时填报瓦斯巡检表。

5.5 水幕降尘降温

水幕降尘是利用洞内高压水和高压风系统，加工制成多喷头连通器，把水雾化成微细水滴并喷射到空气中，安装在掌子面附近的墙脚处，爆破前10分钟至爆破后30分钟内打开水幕喷雾降尘降温。

5.6 高压风射流防止瓦斯积聚

爆破后打开凿岩用高压风形成射流驱逐污浊空气，对加速排烟、缩短瓦斯高含量积聚时间效果显著，且无需增加任何设备，方便易行。

6.结语

本文对跃龙门隧道在软岩大变形复杂环境下隧道通风进行了说明，针对隧道高瓦斯条件下如何做好大变形隧道施工组织方案配置进行了分析和探讨，并对前期“阶段型混合式”通风模式从高瓦斯条件下的方案设计优化、运行和瓦斯效果等方面进行了监测，总结出了高瓦斯隧道与大变形隧道施工阶段动态管理、动态设计、安全可靠的技术经验，对于类似特长高瓦斯隧道施工通风方案尤其是在复杂条件下的施工通风动态设计优化具有一定的参考价值，同时为完善我国高速铁路隧道设计规范、施工规范和行业相关标准提供了真实可靠的工程资料。