中铁十二局集团有限公司 山西 太原 030000
摘要：随着我国对生态环境保护的日益重视，以及“绿水青山就是金山银山”观念日益深入民心，国家通过大型水利设施建设调配水资源分布，改善人类生存环境和区域水生态系统并取得了明显成效。引水隧洞作为水利基础设施中基本构成单元，有其自身的结构特点和施工方法，尤其是遇到高瓦斯地质，高效安全的通风设计决定着现场施工的成败。本文针对小断面高瓦斯引水隧洞的施工特点，探讨如何进行通风技术设计，从而达到快速解决通风设备配置问题，为隧洞安全高效施工保驾护航。
关键词：小断面；高瓦斯；隧洞通风
1工程概述
贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为大（1）型水利工程，标段设计一座木蓑衣隧洞，全长527.46m。设计开挖断面为城门洞型，开挖断面尺寸2.44m×2.78m。隧洞围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主，采用全断面开挖法，从进口端进洞，单口掘进施工。
隧洞围岩穿越煤系地层有二叠系下统梁山组（P1l）和上统龙潭组（P3l），以中厚层硬质岩类（细砂岩、粉砂岩、夹灰岩）和软质岩类（泥岩、煤）为主。该地层主要是含煤和采煤地层，隧洞瓦斯问题突出。
根据区域地质资料以及隧洞附近金沙县长兴煤矿勘察资料，参考《2012年度毕节市煤矿瓦斯等级鉴定结果》长兴煤矿CH4的相对涌出量为6.08m3/t，CO2相对涌出量为2.94m3/t，矿产瓦斯等级为高瓦斯，自燃发火倾向性为Ⅲ级。
根据金沙县长兴煤矿的煤与瓦斯突出鉴定报告，推测隧洞区域内煤层对比如下：含量11.81～25.26m3/t，平均18.54m3/t；M78煤层瓦斯含量8.05～26.09m3/t，平均17.07m3/t；煤层瓦斯含量高于10m3/t。该煤矿位于木蓑衣隧洞洞身段东面，煤矿矿界与隧洞最近距离550m，其煤层瓦斯含量检测结果对隧洞瓦斯参考意义较大。
图1 V类围岩衬砌断面图（尺寸单位：高程以m计，其余以mm计）
2 通风设计方案
2.1准备工作
近年来我公司施工的引水隧洞日益增多，但是小断面叠加高瓦斯的情况不多，可参考的经验较少。
木蓑衣隧洞最大开挖断面仅为6.7m2，受现场地形限制，不具备两端开挖条件，只能从进口端向出口端开挖。受开挖断面小、瓦斯突出以及单端开挖影响，通风设计必须综合考虑，确保万无一失。
（1）地质资料
施工前必须严格复核图纸，熟悉地质资料，详细掌握长兴煤矿周边与隧洞相对位置关系，进一步向煤矿单位收集相关地质资料。根据收集资料进行详细地质素描，画出纵断面图，为产状分析提供依据。
（2）施工方案
尤其咨询隧道专家和专业劳务队意见，寻求智力支持，保证方案的经济、安全、可行。
（3）通风设备
现场严格按照经专家评审后的施工方案执行，配置安全高效的通风设备。注重过程监测和控制，保证通风措施落实到位，确保隧洞施工安全。
2.2通风控制条件
隧洞在整个施工过程中，作业环境应符合下列卫生及安全标准：
（1）隧洞内氧气含量：按体积计不得小于20%。
（2）粉尘允许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg；含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘为4mg。
（3）二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物质的矿物性和动植物性的粉尘为10mg。
（4）有害气体浓度：一氧化碳不大于0.0024%，当施工人员进入开挖面检查时，浓度为100mg/m3，但必须在30min内降至30mg/m3；二氧化硫按浓度不超过0.0005%；氮氧化物（换算为NO2）0.004%以下。
（5）洞内温度：隧洞内气温不超过26℃。
（6）洞内噪声：不大于85dB，且不超过8h。
（7）瓦斯浓度：不大于1%（根据《煤矿安全规程》136条规定：采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1.0%或二氧化碳浓度超过 1.5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理）。
（8）洞内风量要求：隧洞施工时供给每人的新鲜空气量保证4m3/（人.min），采用内燃机械作业时1kW供风量不宜小于4m3/min。
（9）洞内风速要求：全断面开挖时不小于1.0m/s。
2.3通风方式及设施配置
该隧洞通风采用机械通风，其通风方式按照风道类型选择风管式通风风带，能较快清除工作面有害气体，且拆装简单，有利于本隧洞实际操作。管道式通风按送风方式不同又可分为压入式、吸出式和混合式三种。通过比较表1各种通风形式优缺点，结合隧洞断面大小、隧洞长度、出渣运输方式、设备条件等因素，洞身开挖过程中选择压入式通风方式。
表1 管道式通风方案比较
2.4通风量计算
根据《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB 10120-2002）和有关施工通风手册，计算本隧洞通风有关参数，据此选择风机类型。施工通风的目的是改善洞内作业环境，而爆破、喷锚、出渣、钻孔等工序污染量不一样，通风量还随隧洞的进尺增加而增加。因此，通风量应该是动态的，才能经济合理。
运输通风量从以下6个方面考虑，即洞内消除瓦斯积聚的最小风速计算风量Q1、洞内同时工作人数计算风量Q2、瓦斯绝对涌出量计算风量Q3，同时起爆炸药量计算风量Q4、稀释和排炮烟计算风量Q5、内燃机械设备总功率计算风量Q6，最后求得工作面所需风量Q=Max[Q1、Q2…… Q6]。
（1）按洞内消除瓦斯积聚的最小风速计算
Q1=60VS=60×6.7×1=402m3/min
式中：V-消除瓦斯积聚的最小风速，参考《铁路瓦斯隧洞技术 规范》（TB 10120-2002）及《煤矿安全规程》（2016）国家安全监管总局令第87号，结合我公司施工的其它在建瓦斯隧洞实际通风风速，本瓦斯隧洞通风风速取1m3/s；
S-隧洞最大开挖面积，取主洞Ⅴ类围岩开挖后断面积S=6.7m2。
Q1=60VS=60×6.7×1=402m3/min
（2）按洞内同时工作的最多人数计算
Q2=4kM=4×1.25×9=45m3/min
式中：每人每分钟供风标准，取4m3/min
k-隧洞通风系数，包括隧洞漏风和分配不均匀等因素，取k=1.25；
M-隧洞内同时工作的最多人数，取9人。
Q2=4kM=4×1.25×9=45m3/min
（3）按瓦斯绝对涌出量计算
Q3=KQ绝/（Bg允-Bg送）
式中：
Q绝－瓦斯绝对涌出量（取实测值），暂按设计取3.03 m3/min，施工中据实调整；
Bg允－工作面允许的瓦斯浓度，取0.5%；
Bg送－送入风中瓦斯浓度，取0；
K－风量备用系数，即考虑隧洞漏风、瓦斯涌出的不均衡所取的系数，取K=1.3。
计算得：Q3=KQ绝/（Bg允-Bg送）
=1.3×3.03/（0.5%-0%）
=787.8m3/min
（4）按同时起爆炸药量计算
Q4=5Ab/t
式中：A-一次爆破所用最大装药量，洞内Ⅴ级围岩一次爆破装药量 A=32kg（全断面药量），施工中据实调整；
b-每公斤炸药爆炸生成的有害气体量，取b=40m3/kg；
t-通风时间，一般为20～30min，取30min；
Q4=5Ab/t=5×32×40/30=213.33m3/min
（5）按稀释和排炮烟计算所需风量，根据B.H.伏洛宁公式：
式中：
t-通风时间，一般为30～35min，取30min。
A-隧洞开挖后断面面积，取6.7m2。
G-同时爆破炸药用量，按V级围岩最大进尺3m计算，单位装药量取 2.26kg/m3；
L-通风机至作业面的距离557.46m；
计算得：总装药量G＝6.7×3×2.26＝45.43kg
（6）按内燃机械设备总功率计算用风量
在装渣工序中，扒渣机、汽车燃油所消耗空气量根据燃油的平均辛烷值进行测算。装渣时按3辆载重汽车（180kW）、1台扒渣机（150kW）、一台装载机（162kW）进行考虑，平均每分钟燃油所消耗空气量约为40m3。即隧洞燃油用风量为：
Q6=Σ（βP）/K （单位：m3/min），式中：
β－内燃机产生有害气体，按照有净化装置机械产生的CO气体为9×10-5（m3/min.kW）；
P－内燃机功率，ΣP＝852kW
K－允许浓度，按0.008%计算
Q6=852×9×10－5/0.008%=958.5m3/min
（7）所需风量
根据以上计算结果，取最大值Q=Max[Q1,…… Q6]=958.5m3/min为所需风量。
2.5通风设备确定
选用2台SDF（C）-NO12.5型轴流风机（风量840～2912m3/min，全压355～5355Pa，电机功率16kW×2～110kW×2，其中1台备用），隧洞施工压入通风距离557.46m（按照风机远离隧洞洞口30m计）。
通风管使用PVC拉链风筒，节长20m，平均百米漏风率0.67％，接头漏风率0.179％。考虑通风筒架设弯曲、个别破损等，取平均百米漏风率P100 ＝1.2％，摩擦阻力系数α=1.4×10－3kg/m3。
沿程风压损失：
P损=R×Q机×Q需/3600=6.34×2912×958.5/3600=4915.53Pa
式中：
R—风阻系数；R=6.5×α×L/D=6.5×1.4×10-3×557.46/0.8=6.34
Q机—通风机高效风量2912m3/min
Q需—掌子面需风量958.5m3/min
D—通风管直径0.80m
通风管出口风量：
Q出口=Q机-Q机×P100×L/100
=2912-2912×1.2％×557.46/100
= 2717.2m3/min
由以上结果可知，Q出口=2717.2＞Q需=958.5m3/min，P损=4915.5Pa＜P全=5355Pa，通风风机出口风量大于掌子面需求风量，沿程风压损失均小于风机全压，故此种方式可满足洞内施工通风需要。
3辅助防护措施
隧洞在施工前应配置监测有害气体浓度的仪表仪器，以及报警信号系统。施工过程中严禁明火，强制通风、排气，采取全封闭排水措施，防止有毒地下水内渗并应加强监测。当气体参数达到预警值时应立即汇报，隧洞作业人员立即撤离现场，待相关方研究好处理措施后才能进入隧洞施工。
4结语
木蓑衣隧洞为小断面高瓦斯隧洞，安全风险高，不可控因素多。施工前必须对通风进行专门设计，制定专项施工方案。只有通过良好的设计，选择安全合理的通风设备，辅以必要的监控监测措施，才能保证工程进展的顺利实施以及施工人员的生命安全。本文通过对所需风量和风压的分析计算，从而达到快速确定通风设备，为同类型工程在通风设计中提供借鉴。
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作者简介
郝强（1981年，男，河北省张家口市，中铁十二局集团有限公司，中级工程师）
论文作者:郝强
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/6
标签：隧洞论文; 瓦斯论文; 风量论文; 断面论文; 浓度论文; 围岩论文; 贵州省论文; 《防护工程》2018年第5期论文;