高速公路隧道工程瓦斯段施工的通風控制技術

孫登峰

摘要：在簡述隧道施工過程中通風的重要性及其方式的基礎上，詳細闡述了高速公路隧道工程瓦斯段施工在選擇隧道瓦斯段通風方式、確定瓦斯段通風設計條件與參數、計算高速公路隧道瓦斯段所需風量等方面通風控制技術，通過高速公路隧道工程瓦斯段通風檢測實例，驗證了該通風控制技術的有效性。

關鍵詞：高速公路；隧道施工；瓦斯段通風；控制技術

0? ?引言

高速公路隧道建設中合理利用了地下空間，有利于緩解了公路交通的壓力，確保了人員通行安全，提高公路通行效率[1]。若高速公路隧道中瓦斯大量聚積，未采取合理措施予以處置，將引發瓦斯段大爆炸。強大的沖擊波不僅會將隧道里施工的設備悉數摧毀，還會對施工范圍的人員造成傷亡[2]。從各類隧道施工段爆炸事故來看，瓦斯是發生爆炸的主要因素。避免出現瓦斯爆炸隱患，是降低高速公路隧道施工風險的首要任務。

1? ?隧道施工通風的重要性及其方式

在高速公路隧道施工過程中，在含有瓦斯的地層上施工，存在一定的風險。如果隧道內通風不足，就有可能發生可燃氣體爆炸事故，一旦出現爆炸或其他大型事故，將會對隧道內人員與地面無辜人群造成極大傷害[3]。

隧道通風的方案有很多種，通風方案選擇取決于隧道瓦斯段長度以及交通條件。對施工段的地層、環境等因素進行綜合考慮，才能形成最佳通風方案[4]。

隧道通風控制可分為手動控制、基本控制、自動控制等3種。手動控制耗時耗力，僅能作為應急控制方案；基本控制是根據隧道施工段的瓦斯變化規律控制通風量，僅能夠進行短時間的控制；自動控制則是建立一個相對準確的控制模型，針對不同的瓦斯變化情況，調整隧道通風量，從而避免瓦斯爆炸隱患[5]。

2? ?隧道瓦斯段施工的通風控制技術

本文提出了高速公路隧道瓦斯段施工的通風控制技術，如下所述。

2.1? ?選擇隧道瓦斯段通風方式

根據隧道不同的施工環境和瓦斯紊流擴散情況，應選擇不同的通風方式，以便引導新鮮空氣進入隧道，避免瓦斯爆炸隱患。隧道通風方式可分為局部通風和全隧道通風。局部通風主要是針對掌子面等局部作業地點的通風，全隧道通風主要是針對雙線隧道整個隧道的通風系統。

隧道通風主要采用通風機通風，按照風道類型和通風機安裝位置不同，可分為風管式和巷道式兩類。高瓦斯和瓦斯突出隧道施工長度大于1500m時，宜采用巷式通風。風管式通風采用風筒作風道，根據隧道內空氣流向的不同，又可分為壓入式、抽出式和混合式3種方式。壓入式通風方式如圖1所示。

如圖1所示，本隧道高瓦斯工區施工長度1355m，施工通風主要采用機械通風，其通風方式采用壓入式。主通風機安裝在距離洞口10m處（應將通風機安裝在隧道的一側，不要正對洞口），通過柔性阻燃風帶將新鮮風流壓入至掌子面，污風經主洞排出地表。同時為了保證瓦斯隧道通風安全穩定，采用2臺通風機進行通風。

2.2? ?確定瓦斯段通風設計條件與參數

為了確保施工安全，本文設計要求瓦斯段的通風速度＞0.5m/s。根據風管出口與工作面的距離，控制開挖工作面通風參數，使通風環境更加滿足實際需求[6]。瓦斯隧道內掘進過程中，風筒出口速度為風筒的平均風速，垂直于出口斷面通風。壓力出口距離工作面10m，不會對隧道內風流造成影響。根據瓦斯源邊界條件，確定瓦斯段通風參數。隧道瓦斯段通風參數表如表1所示。

2.3? ?計算高速公路隧道瓦斯段所需風量

施工通風所需風量，按施工隧道洞內同時工作的最多人數、爆破排煙、稀釋洞內使用內燃機廢氣、瓦斯涌出量和允許風速分別計算，選取其中的最大值，并按風帶漏風損失進行修正。

2.3.1? ?隧道內人數最多時所需風量

隧道內同一時間段人數最多時所需風量，可按公式（1）計算：

Q1=4KN? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q1為隧道內人數最多時所需風量；4為每人每分鐘供風標準，單位為m3/（min·人）；N為隧道內同時工作的最多人數，取29人；K為備用系數，取1.45。經計算，得到隧道內同一時間段人數最多時所需風量為168.2m2/min。

2.3.2? ?隧道內最大炸藥量爆破所需風量

按隧道內同一時間最大炸藥量爆破時所需風量時，可按公式（2）計算：

（2）

式中：Q2為隧道內最大炸藥量爆破時所需風量；t為通風時間，取30min；A為1次爆破炸藥用量，取22kg；S為最大開挖斷面面積，按雙側壁一次起爆最大開挖斷面面積，取37.4m2；L為巷道臨界長度或巷道長度L'，當L＞L'按L'計算，當L＜L'按L計算，單位為m；為K淋水系數，根據隧道滲水情況而定，潮濕巷道取0.6；b為1kg炸藥爆破時有害氣體生成量，巖石中取40L，煤層中取100L；P為風帶漏風系數。

公式（2）中巷道臨界長度L，可按公式（3）計算：

（3）

式中：A、b、S、P含義同公式（2）；β為紊流擴散系數，取0.6。

公式（3）中風帶漏風系數P，可按公式（4）計算：

（4）

式中：L'巷道長度取1355m；P100為百米漏風率，取1.0%。經計算，得到風帶漏風系數P為1.15。

巷道臨界長度即可按照公式（3）計算出來，經計算，為333.59m。在計算出巷道臨界長度之后，進而可按照公式（2）計算隧道內最大炸藥量爆破時所需風量。經計算，其值為1209.6m3/min。

2.3.3? ?隧道內允許（最大）風量

隧道內允許最大風量，可按公式（5）計算：

Q3=60S'Vmin? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：Q3為隧道內允許（最大）風量；S'為隧道內回風流斷面積，取100.17m2；Vmin為允許最低回風流的風量，取0.5m/s。經計算，隧道內允許最大風量Q3為3005m3/min。

2.3.4? ?稀釋隧道內發動機廢氣所需風量

計算稀釋隧道內發動機廢氣所需風量，可按公式（6）計算：

Q4=4.5∑ni=1Niηi? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Q4為稀釋隧道內發動機廢氣所需風量；Ni為第i臺發動機功率，單位為kW；ηi為第臺發動機綜合效率系數。經計算，得到稀釋隧道內發動機廢氣所需風量Q4值為2041m3/min。隧道內機械車輛發動機功率及配置數量如表2所示。

2.3.5? ?將瓦斯濃度稀釋到0.5％以下所需風量

將瓦斯濃度稀釋到0.5％以下所需風量，可按公式（7）計算：

Q5=q·k/r? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：Q5為將瓦斯濃度稀釋到0.5％以下所需風量，單位為m3/min；q為瓦斯絕對涌出量，根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》規定，瓦斯絕對涌出量不得小于3m3/min，按此值計算；k為瓦斯涌出不均勻系數，取1.2；r為工作面回風流瓦斯允許濃度，取0.5%。經計算，得到Q5值為1080m3/min。

2.3.6? ?實際所需風機風量

實際所需的風機風量，可按公式（8）計算：

（8）

式中：QL為實際所需風機風量；Qmax為公式（5）計算出的最大風量，即3005m3/min（50.08m3/s）。經計算，QL值為3443m3/min（57.38m3/s）。

將實際所需風機風量QL（57.38m3/s）與公式（5）中

隧道內回風流斷面積S'（100.17m2）相除，即得出為隧道內的風速為0.57m/s。該風速大于瓦斯段要求的0.5m/s通風速度，故該風量可行。隧道內各項通風參數計算結果匯總，如表3所示。

3? ?隧道通風檢測實例

針對某高速公路隧道工程瓦斯段施工，采取了上述通風控制技術。在施工過程中，隨機選取了隧道瓦斯段的6個檢測點，其編號分別為TFJC-1～TFJC-6。每個檢測點均設置1個瓦斯濃度限值，選用JX-300型氣體探測器檢測瓦斯濃度。

JX-300型氣體探測器采用聲光報警方式，低于限值不報警，高于限值報警，報警音量≥80dB。JX-300型氣體探測器能夠在溫度-10～+40℃、濕度≤90%RH的環境下工作，適應該隧道施工環境。使用JX-300型氣體探測器檢測到的瓦斯濃度，作為隧道瓦斯段通風檢測結果。隧道瓦斯段瓦斯濃度檢測結果如表4所示。

如表4所示，TFJC-1在高速公路隧道掘進面風流中；TFJC-2在巖層爆破之后，掘進面風流中；TFJC-3在隧道洞室瓦斯局部積聚的掘進面；TFJC-4在局部通風機及電氣開關20m范圍內；TFJC-5在低瓦斯工區K152+855～K153+275段任意處；TFJC-6在高瓦斯工區K152+455～K152+855段任意處。將施工段的通風檢測分成了施工前、施工中、施工后。經檢測，其瓦斯濃度均在限值以內。

在滿足施工需求的基礎上，瓦斯段施工前的瓦斯濃度在0.12%～0.38%范圍內變化，瓦斯段施工中的瓦斯濃度在0.18%～0.32%范圍內變化，瓦斯段施工后的瓦斯濃度在0.08%～0.17%范圍內變化。由此說明，隧道內通風控制效果良好，瓦斯濃度均未超出瓦斯限值。

4? ?結束語

隧道工程地質條件復雜，隧道內容易聚集有害氣體，存在瓦斯爆炸隱患。在高速公路工程隧道施工過程中，采用上述隧道瓦斯段施工的通風控制技術之后，有效避免了瓦斯聚積，消除了瓦斯爆炸隱患，為隧道瓦斯段施工提供了安全保障。

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