行业要闻

 

【摘   要】介绍了地铁盾构瓦斯隧道在施工过程中，针对瓦斯的通风解决方案，主要从瓦斯涌出量计算，通风方式的选择，风量风压计算，通风设备选择等方面对实际工程施工及瓦斯防治进行阐述。
【关键词】瓦斯涌出量计算;地铁;盾构隧道;通风

 

      在瓦斯隧道的施工过程中，施工通风直接影响到隧道内的瓦斯浓度，因此，通风技术已成为瓦斯隧道施工的关键。目前，地铁隧道通常采用盾构法施工，隧道通风方案的选择成为瓦斯隧道施工的重中之重。笔者在某地铁盾构瓦斯隧道通风施工中积累了一些经验，现介绍如下，供参考。

1、工程概况

      武汉地铁二号线范—汉区间左线长1010m，右线长1007m,隧道单线总长2017m（已包括一个联络通道），采用盾构法施工。区间隧道为外径6m，内径5.4m，管片拼装衬砌的单洞圆形隧道，管片环宽1.5m，管片混凝土C50、S12隧道埋深10m～16m，隧道穿越软弱的淤泥质土、粉质黏土、富水的粉土粉砂互层及高承压水粉细砂层，沿线地下水丰富、承压水头高，水文地质情况复杂。

2、瓦斯情况

      在范—汉区间原设计中，并未指出该隧道的地质条件中含有瓦斯，在土压平衡盾构机在范湖站下井组装完毕，整装待发，准备掘进范—汉区间右线的情况下，切除洞门钢筋作业中，引燃注浆孔处不明气体，火焰持续燃烧，说明气体补给连续，后经武汉地质勘探院补充勘查分析：此可燃气体为瓦斯气体，瓦斯平均浓度达到6％，且其中硫化氢、一氧化碳有毒气体含量超过国家《工作场所有害因素职业接触限值》中的规定值。由于瓦斯气体中甲烷浓度在1％～5％时达到燃烧条件，5％～16％时达到爆炸条件，浓度更高时即使不燃烧、不爆炸也可致使人员窒息死亡，因此必须予以治理。

3、瓦斯涌出量计算公式

      范—汉区间对地下瓦斯气体的勘察均为盾构机准备始发未开始掘进前进行的，无法根据掘进掌子面实际瓦斯涌出量公式进行计算，同时国内目前没有相关规范、经验可以借鉴。因此，我们参考《铁路瓦斯隧道技术规范》，同时结合盾构法隧道施工特点确定瓦斯涌出量计算公式。

      盾构法隧道瓦斯涌出主要存在三种途径：①螺旋输送机口渣土中瓦斯释放；②盾尾处瓦斯渗入；③成型隧道接缝处瓦斯渗入。而盾构法施工过程具体分为两个阶段，盾构掘进阶段及管片拼装阶段，盾构掘进阶段中渣土源源不断的随着盾构机的掘进而进入隧道内，富含在土体中的瓦斯气体在隧道中充分释放，为瓦斯气体进入隧道的主要途径，盾尾处及成型隧道接缝处的瓦斯渗入量较小，可以忽略不计。管片拼装阶段盾构机处于停机状态，未有渣土进入隧道内，所以，我们计算瓦斯涌出量时只对盾构掘进阶段的瓦斯涌出量进行计算。综上所述，盾构隧道瓦斯涌出量计算公式为：

   

      式中，v为掘进速度，mm/min；S为隧道掘进断面面积，m²；ξ为砂性土层孔隙率，%；P为实测最大瓦斯压力值，Pa；P_st为标准大气压，Pa；A为考虑盾尾及成型隧道逸出一定量的有害气体的安全系数；K为考虑到地层中瓦斯气体释放的不均匀性设置的瓦斯涌出系数。

      根据掘进速度的不同，单位时间内极限瓦斯涌出量也不相同。因此，在人为控制掘进速度的情况下，我们可以将范汉区间有条件的界定为低瓦斯隧道。

4、通风方式选择隧道施工中通常有三种通风方式可供选择：压人式通风、排出式通风和混合式通风。由于瓦斯的特殊性对施工通风方式有特殊的要求，瓦斯隧道内回流风速不低于1m/s；隧道回风风流中瓦斯含量低于0.5%^[1]。依据《铁路瓦斯隧道技术规范》的要求，施工通风方式采取压人式通风。

5、风量、风阻计算

5.1风量计算

      针对盾构瓦斯隧道施工过程中通风量的计算有三种不同的方法，分别为：根据同一时间，洞内工作人员所需新鲜空气计算风量、按照隧道瓦斯涌出量计算所需风量、采用最小断面风速法计算风量。课题组对三种计算结果进行统计，取最大值作为隧道通风量的标准。

      1）根据同一时间，洞内工作人员所需新鲜空气计算风量

      Q_人=KMQ_n

      式中，K为风量备用系数，采用1.2；M为同时在洞内工作人数取50人；Qn为每一工作人员所需新鲜空气，取4m³/min。

      计算得：Q人=240m³/min

      2）按照隧道瓦斯涌出量计算所需风量

      Q=Q_CH4×K÷(B_g－B_g0)

      式中，Q_CH4为瓦斯最大涌出量，0.44m³/min；K为瓦斯涌出的不均衡系数，取1.6；B_g为工作面允许的瓦斯浓度，取0.25%；B_g0为送入风流中的瓦斯浓度，取0。

      计算得：Q=281.6m³/min

      3）采用最小断面风速法计算风量

      Q_机=V_min×S/（1-0.015）L/100m×1.2（风机备用系数）

      式中，V_min为最小断面风速，取1m/s；S为开挖断面面积，约22.9m²。

      机械压入式通风百米漏风率：≤1.5%

      计算得：Q_机=2006m³/min。

      综上所述：设计风量取三种计算方式的最大值2006m³/min。

5.2风阻计算

      为保证将所需风量送达工作面，并在出风口保持有一定风速，要求风机的风压足以克服沿途所有的阻力。计算如下：

      1）摩擦阻力P_阻=ρ×6.5×(α·L)/d₅×Q²式中，ρ为空气密度，取1.2kg/m³；α为风阻系数，取0.0025；L为隧道长度，1300m；d为配用风筒直径，1.3m；Q为平均供风量，

      所以，P_阻=1.2×6.5×(0.0025×1300)/1.3⁵×27.7²=5239Pa

      2）局部阻力：H_局=0.1H_管=628.8Pa

      综上所述，风阻为5867.8Pa

      6、通风机选择及通风系统工作流程

      经计算，范—汉区间通风必须满足风量：2006m3/min;最大风压：5867.8Pa的要求，因此采用两台风机以接力形式进行隧道通风。主送风机选用SDF№13/2×132变级多速风机，二次风机选用一台FBD№11.2/2×75型对旋隔爆型压入式风机。2×75kW二次风机体积过大，无法安装在原有盾构机后配套台车上，因此,我们增加了一节6号台车放置2×75kW二次风机。主风机布置于车站顶板，用φ1.3m铁制风管及两个90度弯头送至隧洞，然后用φ1.3m阻燃型拉链式聚乙烯通风管送至台车尾与二次风机相连进行隧道通风。二次风机以接力形式通过直径800mm的通风管继续向掌子面供风。由于台车随盾构机的掘进一起向前运动，这样就可以保证二次风机到掌子面的距离是恒定不变的，从而保证输送到掌子面的风速及风量恒定，以满足盾构瓦斯隧道通风系统（见图1）要求。

7、辅助通风措施

      由于盾构机主体内构造杂，主风机风流在机身内存在较多盲区，不能使盾构机全部断面处于循环风中，因此，盾构机及后配套台车上共设置10个局部防爆风扇加强盾构机、台车部分空气流通,防止瓦斯在死角部位聚集。

8、施工通风组织

8.1风机配电^[2]

      1）隧道内通风机设两路电源，设置一台300kW的变压器与正常用电源并联。当一路电源停止供电时，另一路应自动接通，保证在紧急情况下，通风机继续工作。

      2）瓦斯隧道在施工期间，应保持24h不间断通风。因检修、停电等原因停风时，必须停止施工，撤出人员，切断电源。恢复通风前，必须检查瓦斯浓度。当停风区中瓦斯浓度不超过1％，并在局部通风机及其开关地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度均不超过0.5％时，方可人工开动局部通风机。

      3）局部防爆风扇及6号台车2×75kW风机用电为风机专用线路，保证在盾构机停大电的情况下能继续工作。

8.2通风监测

      必须配有专业瓦斯检测员对现场通风效果和瓦斯涌出状况进行检测，根据检测结果及时进行阶段调整。必要时可以根据检测结果及时对通风系统作局部调整，必须保证洞内瓦斯浓度不超过1％以满足施工需要。

9、通风效果检验

      我们定期对隧道回风流速度、瓦斯气体浓度进行检测，均达到设计要求，隧道瓦斯气体浓度低于0.5%，维持在0.2%左右；隧道回风速度不小于1m/s；

10、结语

      通风系统技术研究为范—汉区间瓦斯隧道施工的关键技术，采用了双风机以接力形式进行联合通风，通过放置在盾构机新增6号台车上的二次风机向掌子面提供持续恒定的风流，取得了良好效果，大幅度提高了隧道内的通风系统工作能力，将隧道内瓦斯气体浓度降低至规范要求0.5%以下，满足了盾构瓦斯隧道的施工要求，顺利完成了范汉区间右线的施工。完工后总结实际的通风系统参数，不断充实、完善盾构瓦斯隧道通风方案，以此指导类似工程施工。

 

【1】国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全生产规程[S].北京：中国法制出版社，2010.

【2】TB10120-2003铁路瓦斯隧道技术规范[S].