高瓦斯特長高鐵隧道通風方案設計及監測分析

李斌強, 申慧濤, 景銀豐, 劉培全, 金愛兵

(1.中鐵十二局集團有限公司, 太原 030024; 2.北京科技大學土木與資源工程學院, 北京 100083)

隨著隧道建設技術的快速發展,特長隧道越來越多的出現在工程實踐中。運營通風對隧道安全至關重要,所以其一直是研究的熱點問題[1]。特長隧道的通風運營一般分為多個通風階段和多工作面同時掘進的通風情況[2-3]。合理的通風系統與良好的通風效果能夠有效降低隧道風險隱患,保障施工及人員安全。

目前,針對隧道施工通風問題,學者們已經進行了一些研究并取得進展。劉釗春等[4]、張磊等[5]對隧道內瓦斯分布和遷移規律進行研究分析。吳波等[6]以興泉鐵路為例,優化了臺階法施工隧道的通風參數。羅章波[7]通過計算得出了包蘭鐵路青天寺隧道的運營通風方案。姜學鵬等[8]對城市中特長復雜隧道的通風運營系統進行優化研究。Tora等[9]利用CFD(computational fluid dynamics)軟件對瓦斯風流在不同斷面位置的分布規律進行了研究,并提出對應的最佳通風方案。何聰[10]通過合理劃分工區并計算,解決特長高瓦斯隧道的通風問題。舒東利等[11]針對特長高瓦斯隧道通風問題,通過理論分析對比多種通風方案,確定最優通風系統。Hargreaves等[12]、冉楗等[13]研究了隧道開挖過程中的通風問題。王應權[14]對合六郎長大鐵路隧道通風案例進行研究,結合隧道不同的施工區域與階段選擇合理的通風方式。鐘宜宏等[15]提出一種可跟隨式有害氣體抽排裝置,可有效降低隧道內粉塵和CO濃度。以往的研究主要是對隧道內瓦斯分布進行分析,設計合理的隧道施工通風方案,但對于特長隧道中多階段、多工作面的施工通風技術研究較少。

鑒于此,以成都至自貢的13 340 m特長高瓦斯白云山隧道為工程依托,通過對多工區進行施工階段通風計算,設計正洞貫通前后施工通風方案,利用水氣分離裝置處理地下水,采用自動安全監控系統對2#～6#斜井進行瓦斯濃度實時動態監測。該研究可為特長隧道多工區、多階段施工通風設計及隧道瓦斯濃度實時監測提供參考借鑒,該方案極大程度保障了隧道內施工作業人員安全及施工進度。

1 隧道通風

1.1 工程概況

白云山隧道位于內江市資中縣、威遠縣境內,為設計速度350 km/h雙線鐵路隧道。隧道進口里程DK128+850,出口里程DK142+190,全長13 340 m,最大埋深約260 m。隧道洞身下穿尖山水庫、沙堰水庫等多個水庫,部分洞身穿越煤礦采空區,全隧設計為高瓦斯隧道,其中DK128+850～DK130+005段為低瓦斯段,其他均為高瓦斯段,如圖1所示。

圖1 白云山隧道示意圖

1.2 通風計算及貫通施工通風方案

高瓦斯工區通常采用壓入式或巷道式通風。相比于巷道式通風,壓入式通風設備裝卸簡單,且回風過程不經過扇風機,能夠快速清除瓦斯等有害氣體,安全可靠性強。本著科學配置、經濟合理及利用現有設施的原則,白云山隧道采用壓入式通風,根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2019)規定,壓入式通風一般適用于通風長度小于2000 m的高瓦斯工區、煤與瓦斯突出工區,將白云山隧道分為7個工區,分別為隧道明洞、2#～6#斜井以及出口,各工區通風距離總長度均小于2×103m,各工區位置如圖2所示,具體長度如表1所示。通風方案以單個工區為整體進行設計,包括施工階段通風及正洞貫通前后施工通風。

表1 白云山隧道各工區通風距離(施工任務)統計

圖2 各工區位置示意圖

1.2.1 施工階段通風計算

白云山隧道施工通風共分為兩個階段,分別為斜井施工階段和正洞施工階段,均采用壓入式通風。

正洞施工階段包含兩個工況的通風情況,正洞小里程和正洞大里程方向?？紤]到4#斜井在施工大里程方向時下穿尖山水庫,其中340 m長度范圍施工進度不宜把控,在4#斜井工區設置主、副兩個斜井。隧道各個工區施工工作面所需最大通風量、最大供風量及沿程風壓損失按如下計算選取[12]。

1)工作面最大通風量計算

步驟1按洞內同一時間最多人數所需風量計算。

根據相關規定,隧道施工中每人每分鐘供給風量不得小于4 m3,通風量的計算公式為

Q1=4kN

(1)

式(1)中：k為風量備用系數,取1.2;N為洞內同一時間最多人數,取60人。

步驟2按瓦斯涌出量計算。

白云山隧道明洞、出口及2#～6#斜井的通風均采用壓入式,巷道采用回流風,考慮隧道電氣設備安全,故瓦斯濃度須控制在0.3%以下。按瓦斯涌出量,工作面通風量的計算公式為

(2)

式(2)中：q為瓦斯絕對涌出量,根據現場實際情況取3.0 m3/min;n為隧道內瓦斯最大容許含量,取0.3;n0為進風中瓦斯含量,取0;kg為瓦斯涌出不均勻系數,取2.5。

步驟3按稀釋和排炮煙所需風量計算。

該隧道為壓入式通風,其通風量的計算公式為

(3)

式(3)中：t為放炮后通風時間,取30 min;G為單次爆破最大裝藥量,取300 kg;φ為淋水系數,取0.8;b為炸藥爆炸時的有害氣體生成量,取40 L/kg;ξ為風管漏風系數,斜井取1.1,正洞取1.2;A為隧道斷面面積,正洞取140 m2,斜井取47 m2;L為最長通風距離,長距離隧道掘進時,炮煙在沿隧道流動過程中與空氣混合,在未到達隧道出口時已被稀釋到允許濃度,從工作面至炮煙已稀釋到允許濃度處的距離稱為臨界長度,在這種情況下,L取臨界長度,明洞、出口工區取臨界長度274 m,3#、5#、6#斜井取臨界長度818 m,正洞取臨界長度231 m,2#、4#斜井取其斜井長度。

步驟4按稀釋和排出內燃機廢氣風量計算。隧道供風量需滿足將設備廢氣全部稀釋和排出的要求。由于洞內不同設備所需通風量差距較大,一般按額定功率規定的單位需風量計算,計算公式為

(4)

式(4)中：qmin為內燃機每分鐘每千瓦所要求的供風量,取4 m3/(min·kW);Ni為各臺內燃設備的額定功率;Ti為同時工作柴油機設備利用系數,掘機、裝載機取0.65,運渣機取0.65,混凝土罐車取0.5。

步驟5按洞內最小允許風速計算。

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2019)規定：瓦斯工區洞內最低風速不小于0.25 m/s,防止瓦斯積聚的風速不小于1 m/s。則工作面風量計算公式為

Q5=60Sυ

(5)

式(5)中：S為隧道最大斷面,正洞取140 m2,斜井取47 m2;υ為隧道允許最低風速,取0.25 m/s。

2)最大供風量確定

根據最大通風量計算供風量,則需要的供風量Qneed計算公式為

Qneed=KPQmax

(6)

式(6)中：K為高原修正系數,取1;P為風管漏風系數,取1.1;Qmax為工作面最大通風量。

3)沿程風壓損失計算

瓦斯等有害氣體在隧道中流動時,沿程受到摩擦和局部阻力,由于白云山隧道為特長隧道,局部阻力可忽略不計,為把所需風量輸送到作業面,風機風壓應大于通風阻力,通風阻力計算公式為

(7)

式(7)中：a為風管摩擦阻力系數,取1.4×10-3;Lwind為風管長度;Qpalm為掌子面風量,取2.5×103m3/min;Qas為風機供風量,取3×103m3/min;d為風管直徑,取1.8 m。

綜合式(1)～式(7),可求得各個工區不同階段的風量及風阻,如表2所示。

表2 白云山高瓦斯隧道工區各階段風量及風阻

根據施工實際情況及通風計算結果,對各工區設計通風方案,以4#斜井工區為例,其施工通風方案如圖3和圖4所示。

圖3 4#斜井工區施工通風第一階段

圖4 4#斜井工區施工通風第二階段

4#斜井工區存在主副兩個斜井,主斜井負責小里程方向工作面施工通風,副斜井負責大里程方向工作面施工通風。圖3展示了4#主副斜井第一階段的通風示意圖,即主副斜井施工時利用軸流風機向工作面壓入式通風。圖4展示了第二階段正洞施工時4#主副斜井的通風示意圖。正洞施工,4#主副斜井采用壓入式通風方式,利用軸流風機分別向正洞小里程和大里程通風,并在4#主副斜井與正洞交叉口處設置射流風機,使污風快速排出。

1.2.2 正洞貫通前后施工通風方案

根據白云山隧道實際施工情況以及通風計算結果,并結合現場設備的選型及布置情況。白云山隧道總體貫通順序設計為：3#斜井與6#斜井工區貫通;2#斜井與6#斜井工區貫通;4#斜井和5#斜井工區貫通;3#和4#斜井貫通;5#斜井和出口工區貫通;明洞工區和2#斜井貫通。各工區貫通前后的施工通風方案如圖5～圖10所示。

圖5 3#、6#斜井工區貫通的通風方案

如圖5所示,3#、6#斜井工區貫通后,3#工區大里程方向和6#工區小里程方向仍在掘進,保持其通風系統不變,此時3#、6#工區正洞已貫通,6#工區至3#工區里程段增設射流風機,將風自6#斜井與正洞交叉處向大里程方向推動,確保6#工區大里程方向與3#工區小里程方向中的空氣不停滯,污風自3#、6#斜井排出。

如圖6所示,2#、6#斜井工區貫通后,2#工區小里程方向和3#工區大里程方向仍在掘進,保持其通風系統不變,此時2#、6#、3#工區正洞已貫通,為防止瓦斯集聚,2#工區至3#工區里程段增設射流風機,將風自2#斜井與正洞交叉處向大里程方向推動,確保2#斜井至3#斜井中的空氣不停滯,污風自2#、3#斜井排出。

圖6 2#、6#斜井工區貫通的通風方案

如圖7所示,4#、5#斜井工區貫通后,4#工區小里程方向和5#工區大里程方向仍在掘進,保持其通風系統不變,此時4#、5#工區正洞已貫通,為防止瓦斯集聚,4#工區至5#工區里程段增設射流風機,將風自4#斜井與正洞交叉處向大里程方向推動,確保4#斜井大里程方向與5#斜井小里程方向中的空氣不停滯,污風自4#主斜井、5#斜井排出。

圖7 4#、5#斜井工區貫通的通風方案

如圖8所示,3#、4#斜井貫通后,2#工區小里程方向和5#工區大里程方向仍在掘進,保持其通風系統不變,此時2#、6#、3#、4#、5#工區正洞已貫通,為防止瓦斯集聚,3#工區至4#工區里程段增設射流風機,將風自2#斜井與正洞交叉處向大里程方向推動,確保2#斜井至5#斜井中的空氣不停滯,污風自2#、5#斜井排出。

圖8 3#、4#斜井工區貫通的通風方案

如圖9所示,5#斜井、出口工區貫通后,2#工區小里程方向仍在掘進,保持其通風不變,此時除明洞工區外其余工區正洞均已貫通,在出口工區增設射流風機,污風自2#斜井和出口工區排出。如圖10所示,2#斜井與明洞工區貫通,此時全隧貫通,繼續采用射流風機進行機械通風,風流風向由小里程至大里程。

圖9 5#斜井、出口工區貫通的通風方案

圖10 2#斜井、明洞工區貫通(全線貫通)的通風方案

針對白云山特長隧道設置明洞、2#～6#斜井以及出口等多個工區的情況,正洞貫通勢必會對各個工區的通風產生影響,通過對正洞貫通前后各個工區通風方案的合理設計,有效的保障了隧道整體的施工進度。

1.3 地下水瓦斯分離

瓦斯隧道排水過程中,難免將瓦斯引入水中,在排水管道中水氣混合,瓦斯不斷積聚導致隧道瓦斯濃度變大,增加瓦斯隧道運營施工風險。為保障白云山隧道施工安全,防止地下水將瓦斯氣體帶入隧道內,采用水氣分離方法進行處理,如圖11所示,包括連接環向盲管、縱向盲管、瓦斯排放管、水管及水氣分離裝置。

圖11 水氣分離方法示意圖

排水過程中全隧道高瓦斯及延伸段的縱向及環向盲管均不得與側溝直接相連,均需采用水氣分離方法將瓦斯和水分別排出。環向與縱向盲管采用三通連接,水氣混合體通過環向盲管進入水氣分離裝置,水氣分離處理后,分離后的地下水經過縱向盲管接入側溝排放,分離出的瓦斯氣體通過設置于兩側邊墻的瓦斯排放管引至明洞、出口及2#～6#斜井排出洞外。

2 監控系統

白云山隧道采用自動安全監控系統對瓦斯進行實時監測。系統由洞口中心站、隧道分站和傳感器控制器組成,如圖12所示。監控系統采集隧道內瓦斯濃度、一氧化碳濃度(必要時)及風機運行等參數,24 h連續不間斷監測,參數異常時進行自動報警提示,并及時切斷工作電源,保障隧道安全生產。

圖12 自動安全監控系統示意圖

洞口中心站(監控主機、數據傳輸接口)能夠實時顯示隧道內部整體環境信息。隧道分站作為洞口中心站和傳感器間的橋梁,能夠為傳感器供給電量,并傳輸數據。傳感器系統包括瓦斯、一氧化碳、硫化氫、風速、開停、饋電等傳感器,并配置控制器,當隧道出現異常情況時,滿足快速切斷電力供應的要求,以防意外風險。各類傳感器的報警濃度、斷電濃度和復電濃度等參數如表3所示。

表3 傳感器參數

3 監測結果分析

利用自動安全監控系統對2#～6#斜井進行瓦斯濃度實時動態監測,當瓦斯濃度超過0.5%時,系統進行自動報警提示,加強瓦斯濃度監測,瓦斯濃度超過0.75%,切斷電源,撤出人員,瓦斯濃度降到0.5%以下恢復正常施工。圖13展示了2020年8月—2022年8月2#～6#斜井瓦斯濃度的監測變化情況。

圖13(a)為2#斜井的瓦斯濃度變化曲線,可以看出,2#斜井出現了4次瓦斯濃度偏高的情形,瓦斯排放濃度達到了斷電濃度,在監測期間內瓦斯濃度基本處于0.2%,瓦斯排放濃度偏低,施工可以照常進行。圖13(b)、圖13(e)為3#斜井和6#斜井的瓦斯濃度變化曲線,可以看出這兩個斜井均出現了較多次數的瓦斯濃度偏高情況,在監測的其它時間內,3#斜井的瓦斯濃度基本處在0～0.3%,6#斜井的瓦斯濃度基本處在0～0.2%,瓦斯排放濃度偏低,大部分時間內隧道照常施工。圖13(c)、圖13(d)為4#主副斜井和5#斜井的瓦斯濃度變化曲線,4#主副斜井和5#斜井的瓦斯濃度一直在報警濃度以內,未出現瓦斯濃度偏高的情形。4#主副斜井的瓦斯濃度基本處在0～0.4%,只有少部分瓦斯排放濃度在0.4%附近,其余瓦斯排放濃度均偏低,5#斜井的瓦斯濃度基本處在0～0.2%,瓦斯排放濃度很低,隧道施工都可以照常進行。

大部分時間內2#～6#斜井的瓦斯監測都很低,3#斜井和6#斜井出現了多次瓦斯排放異常情況,可能由于廢棄煤礦采空區的影響,導致瓦斯排放濃度較高。在監測期間內,隧道長時間內都處于正常施工階段,個別情形下出現瓦斯濃度報警并達到斷電濃度,白云山隧道設計的施工通風方案有效地將瓦斯等有害氣體排出,所采用的自動安全監控系統對瓦斯排放偏高的異常情形及時發現并報警提示,保證了隧道施工進度及施工人員安全。

4 結論

針對白云山特長隧道,通過施工階段通風計算,設計正洞貫通前后施工通風方案,并對不同工區的瓦斯濃度進行在線監測分析,驗證了隧道通風方案的可行性,為類似工程提供參考,得出以下結論。

(1)白云山隧道通過最大通風量、供風量及沿程風壓損失計算設計單工區通風,采用3#和6#斜井工區、2#和6#斜井工區、4#和5#斜井工區、3#和4#斜井工區、5#斜井和出口工區及2#斜井和明洞工區的合理貫通順序,有效解決了特長高瓦斯隧道多工區、多階段施工通風問題。

(2)采用水氣分離方法對地下水處理,將瓦斯和水分別排出,可以有效地降低隧道內瓦斯濃度,防止地下水將瓦斯帶入隧道。

(3)通過設計合理的多工區施工通風及貫通方案,在隧道施工的大部分時間內,2#～6#斜井的瓦斯濃度均偏低。采用自動安全監控系統對瓦斯濃度實時監測,可有效地對2#、3#和6#斜井個別瓦斯排放異常情況進行報警提示,并進行斷電措施,保證施工安全。