某铁路瓦斯隧道复杂工区施工通风方案

李 敬

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 前言

进入20 世纪后，随着国民经济的快速发展，交通、能源等行业发展迅速，我国铁路建设逐步由平原丘陵地区向艰难复杂山区拓展，同时高速铁路大量建设且双线隧道占比增大。隧道开挖断面从过去的45 m2~65 m2，发展到150 m2甚至更大。艰难复杂山区的铁路建设隧道比例越来越重，穿越的不良地质也越来越多，瓦斯是重要不良地质之一。

长大、特长铁路瓦斯隧道的施工通风是保障施工安全的重要措施，但是长距离通风直接影响通风效果，同时限制通风区段坑道的使用功能，因此，在地形条件允许的条件下，采用短小浅的横洞、斜井、竖井作为专用回风道或风井，实行分段通风，对提高通风、施工效率十分有利，一些高瓦斯隧道施工中增加钻孔竖井作为专用通风井，效果良好。所以长大、特长铁路瓦斯隧道结合辅助坑道实现巷道式通风，或者通过设置通风井缩短通风距离都是解决瓦斯隧道通风问题的重要手段[1]。

1 工程概况

工点为单洞双线隧道，设计时速350 km/h，隧道全长9964 m，进、出口桥台均伸入隧道洞内，隧道最大埋深约620 m。隧道进口临河且无路相通，交通不便，进口河对岸有国道，与洞口相对高差约85 m；出口地形陡峭，下方国道与洞口相对高差约38 m，交通不便。

从油气地质条件上来看，隧址区发育多套烃源岩，线路附近地表有大量油气苗露头，油气资源丰富。此外，隧址区含煤地层为二叠系地层，主要有二叠系上统吴家坪组、二叠系下统铜矿溪组。

隧道采用“2 横洞+进口平导+出口平导+1 座通风竖井”方式组织施工。横洞均采用无轨双车道运输，平导均采用无轨单车道运输。根据隧道的地质条件与检测到的有害气体情况，该隧道绝对瓦斯涌出量为1.192 m3/min，为低瓦斯隧道，1#横洞工区、2#横洞工区均为低瓦斯工区。隧道为“W”型纵坡，由于1#横洞与平导位于线路两侧，因此考虑施工及运营排水需求，在1#横洞与平导之间另设1 处引水泄水洞。辅助坑道布置如图1 所示。

图1 隧道辅助坑道示意图

2 施工通风设计的目的

隧道内施工通风主要解决以下4 个方面的问题：1）给隧道内作业人员提供足够的新鲜空气。2）稀释并排除各种有害气体和粉尘。3）调节隧道内空气的温度、湿度。4）创造良好的作业环境，为保障安全，保证质量奠定基础。

施工通风设计的目的是为隧道制订可实施性的施工组织设计提供依据，为合理设置辅助坑道、确定施工运输组织方式、选择隧道施工工法以及配套相关土建工程提供设计依据[2]。

3 施工通风方式的选择

隧道施工通风分为自然通风以及机械通风。常见的机械通风主要以压入式通风、巷道式通风、利用竖井作为排风坑道的分段式通风[3]。从理论来说，只要能满足风量及洞内风速的要求，采用压入式通风是可行的；无论是哪种通风方式，对开挖工作面来说，实质上是压入式通风，只是独头压入的长度不同而已。独头通风距离越长，考虑风管漏风及沿程风量损失、施工管理等因素，通风效果会越差。对巷道式通风来说，由于主风机安装在洞内，独头压入段的距离较短，一般小于1.5 km，这也是采用巷道式通风能改善通风效果的原因。

随着隧道施工通风技术的发展，大功率、变频高效风机结合大直径新材质风筒，提高供风量，改善隧道施工作业环境，隧道常用的压入式通风的长度也从20 世纪末的1.5km~2km 提升到目前的3km~4km。

4 施工通风的计算

在隧道施工中，掘进工作面所需的风量与施工方法、施工作业的机械配套条件关系很大，在一个作业循环中，不同作业工序对风量的要求也有较大的差别[4]。进行风量计算的目的是为正确选择通风设备和为设计通风系统提供依据。通风系统的供风能力应能够满足工作面对风量的最大需求[5]。

4.1 工区划分及通风方式的选择

该隧道为“W”型纵坡，结合地形条件并考虑排水，一开始隧道设置“2 横洞+进口平导+出口平导”的辅助坑道。由于进、出口均无法开辟工作面，隧道只能由1#横洞及2#横洞分别双向开挖正洞及平导，此时1#横洞工区只能采用压入式通风，最长的通风距离达到3.6 km；2#横洞工区在横洞至大里程方向的正洞和平导贯通后实现巷道式通风。

如果1#横洞工区同时双向开挖正洞及平导，那么至少需要4 根风管同时从1#横洞进入，显然普通的无轨双车道断面不能满足要求，必须加大横洞断面，此时，通风效果并不理想，给瓦斯工区带来极大的安全隐患，对风机、风管的要求也极高；如果1#横洞工区单向开挖正洞及平导，等一侧贯通后再开挖另一侧的正洞及平导，工期又不满足要求。在该情况下，于1#横洞工区引水泄水洞与平导交叉口附近增设通风竖井，将污风引至通风竖井排出，实现了巷道式通风，形成了该隧道最终的辅助坑道方案，即“2 横洞+进口平导+出口平导+1 座通风竖井”。

各区段的最不利的压入长度要结合施组设计来确定，见表1。

表1 隧道各区段瓦斯类型、通风方式及最长压入长度

4.2 工作面需风量计算

计算以正洞IV 级围岩台阶法开挖为例，开挖断面积119.73 m2，湿周41.23 m，上台阶断面积66 m2，循环进尺为2.0 m。

隧道工作面需要的风量，必须按照同时工作的最多人数、按最低允许风速、按爆破排烟、按稀释和排除内燃作业机械废气以及绝对瓦斯涌出量分别计算，采用其中的最大值。见表2。

表2 隧道各区段正洞工作面需风量

从表2 中可以看出，该隧道虽然是瓦斯隧道，但是绝对瓦斯涌出量并不是本隧施工通风的控制因素，按稀释和排除内燃作业机械废气所需风量即可稀释洞内瓦斯，以达到规范要求。

4.3 风机供风量计算

风机供风量计算如公式（1）所示。

式中：Q供为风机供风量；Q工为工作面需风量；β100为风管百米漏风率；L为通风长度。

由此可知，风机供风量的数值大于工作面的需风量，其与压入长度成正比，见表3。

表3 隧道各区段正洞风机供风量

4.4 风机风压计算

风机风压的计算如公式（2）所示。

式中：P供为风机风压；P摩为风管沿程摩擦阻力；P局为风管沿程局部阻力；ξ其他为其他局部阻力系数；λ为沿程摩阻系数；γ为空气重度；d为风管直径；V为风管风速。

风机风压主要是由摩擦阻力控制的，局部阻力的大小取决于风管断面是否弯折或改变断面尺寸，相对摩擦阻力较小。局部阻力系数ξ的数值可以参照《铁路工程设计技术手册 隧道》（修订版）表12-1-16 中的数值。需要注意的是，当存在不同工况时，ξ的数值需要叠加。

风机风压见表4。

表4 隧道各区段正洞风机风压

从表4 可知，风机风压的大小与风管直径尺寸息息相关。风管直径越大，风管风速越低，风机风压就越小。在断面条件允许的情况下，风管直径尽量加大。

4.5 风机的选择

风机的选择至少考虑2 个因素，一个是风机供风量，一个是风机风压。只有能够同时满足这2 个要求的风机才是适合的风机。开挖断面越大，工作面需风量越大；通风距离越长，沿程摩擦阻力越大，对风机的要求也越高。如果是瓦斯工区，洞内风机应选择防爆型，风管应选择双抗软风管。

结合施工组织，2#横洞工区形成巷道式通风时，通过平导开挖正洞工作面，此时平导内放置2 根风管，受断面尺寸限制，2#横洞工区正洞选用直径1.7 m 的风管。1#横洞工区正洞风管直径的选取相对自由，所以选用直径2.0 m的风管。

风机选择见表5。

表5 隧道各区段正洞风机选择

当风机供风量和风压数值比较大时，可考虑风机串并联。风机串联，风压叠加，风量不变；风机并联，风量叠加，风压不变。

5 施工通风方案

该隧道为“W”型纵坡，结合排水、工期、通风等要求设置目前的辅助坑道规模。

5.1 1#横洞工区

1#横洞工区的施工通风主要分为3 个阶段。第一阶段（图2）为施作1#横洞及引水泄水洞，此时，采用压入式通风；第二阶段（图3）为1#横洞工区双向施工平导，并与通风竖井贯通，此时，采用压入式通风，平导污风经通风竖井排出；第三阶段（图4）为1#横洞工区正洞分别施工至最近的横通道后，可与平导形成巷道式通风条件，污风经通风竖井排出。

图2 1#横洞工区第一阶段指导性施工通风示意图

图3 1#横洞工区第二阶段指导性施工通风示意图

图4 1#横洞工区第三阶段指导性施工通风示意图

5.2 2#横洞工区

2#横洞工区的施工通风主要分为4 个阶段。第一阶段（图5）为施作2#横洞，此时采用压入式通风；第二阶段（图6）为通过2#横洞双向开挖平导，此时采用压入式通风；第三阶段（图7）为2#横洞工区正洞大里程端施工至正洞洞口后，将风机移动至正洞出口，小里程端通过平导开横通道施工正洞，此时，采用压入式通风；第四阶段（图8）为2#横洞工区正洞大里程端贯通后，形成巷道式通风条件，污风经2#横洞排出。

图5 2#横洞工区第一阶段指导性施工通风示意图

图6 2#横洞工区第二阶段指导性施工通风示意图

图7 2#横洞工区第三阶段指导性施工通风示意图

图8 2#横洞工区第四阶段指导性施工通风示意图

6 结论

瓦斯是严重威胁施工人员生命安全的重大风险，具有突发性、毁灭性、连锁性以及广域性的特点，往往造成严重的次生灾害，直接导致对工程结构、工程质量、机械设备的重大损伤。所以瓦斯隧道的施工安全重点是施工通风，施工通风的有效性是保障施工安全的前提[6]。施工组织设计与施工通风设计相辅相成，互相影响，设计中应根据施工通风优化施组，切忌忽视施工通风，盲目超前设计施组。在施工通风设计中，充分结合施组，设计最优的施工通风方案，可为今后类似工程提供借鉴。