微瓦斯隧道施工通风计算与设计

微瓦斯 隧道施工通风计算与设计

周超

中铁上海工程局集团第七工程有限公司 西安 710000

摘 要：对于存在有毒有害气体的高速铁路隧道而言，施工中的通风问题是其必须考虑的要素之一。隧道通风计算须对其通风方案进行设计，其次针对设计方案进行相应的计算，进而选定合适的通风设备。本文以渝昆铁路倪家村隧道为研究背景，整体选用“压入式”通风方式来进行隧道通风，通过对各区段通风量及风压的计算，得到适配的通风设备，为该隧道的通风选择提供理论依据。

关键词：高速铁路；隧道通风；风量计算；设备选型

引言

近年来，随着我国高速铁路建设及发展的进一步需要，对高速铁路线形的要求也与日俱增，因此隧道便成为线形控制的手段之一。在长大隧道的建设过程中，不可避免的会考虑到隧道通风的问题，特别当隧道内存在瓦斯等有害气体时，隧道通风便成为隧道修建的充分必要条件^[1~3]。关于隧道通风的计算与设计前人已做过大量的研究。刘攀等^[4]运用隧道施工通风量、通风阻力和风压的计算方法，为隧道施工通风系统实施提供了重要的技术参数。易茜^[5]针对"十四五"期间的新形势、新要求，对现有隧道的通风等问题进行深入的探讨。郭世荣^[6]针对某长大隧道的通风计算所用到的参数进行详细的计算，得到该隧道通风的相关信息。本文以渝昆铁路倪家村隧道为研究对象，首先选定该长大隧道通风的设计思路；其次对各分区的通风量进行计算；再其次对其风压进行修正；最终依据修正结果选取合适得通风设备。为该隧道的通风选择提供理论依据。

1.工程概况

新建渝昆铁路YKYGZQ-7标倪家村隧道位于田坝～寻甸区间，全长10349m。全隧为单面下坡，坡度分别为8.5‰(1264m)、3.0‰(2500m)、25‰(6585m)。本隧道辅助坑道采用“1斜井+1横洞+1平导”方案。于DK615+400线路右侧设无轨双车道斜井，断面尺寸为7.5m×6.2m，长400m，坡度为6.5%。于DK622+500线路左侧设无轨双车道横洞，断面尺寸为7.5m×6.2m，长728m，坡度为-2.3%。于线路前进方向左侧设平导，平导与线路左线线间距为35m，全长5011.37m。PD1K617+500～PDK620+330段2830米采用无轨单车道I型，内净空尺寸5.0m×6.0m，PDK620+330～PDK622+511.37段2181.37米采用无轨单车道II型，内净空尺寸6.5m×6.2m，坡度为25‰，与正洞相同。

2.总体设计思路

按照隧道施工安排，倪家村隧道共划分为4个工区，即进口、斜井、横洞及出口工区，本分部承担进口、斜井及横洞工区的施工。根据本工程的施工组织安排，各工区均采用压入式通风方式。各主要作业面基本数据见表1；

表1 各主要作业面基本数据

2.1进口工区

隧道进口工区采用“压入式”通风方式。在距离洞口不小于30m位置处设置轴流风机，接风管至掌子面进行压入式通风。进口工区通风平面示意图如图1所示：

图1 倪家村隧道进口工区通风平面示意图

2.2斜井工区

隧道斜井工区采用“压入式”通风方式。在距离洞口不小于30m位置处设置轴流风机，接风管至掌子面进行压入式通风。斜井工区通风平面示意图如图2所示：

图2 倪家村隧道斜井工区通风平面示意图

2.3横洞工区

隧道横洞工区后期出口贯通后有条件采用巷道式通风。但巷道式通风施工组织难度大，需设置多道风幕，影响车辆运输。根据推算工期，出口贯通日期为2024年6月7日，横洞工区贯通日期为2025年6月27日，巷道式通风可利用时间短；同时污风通过平导由横垌排出，断面小，风阻力大，不利于通风。故采用“压入式”通风方式。在距离洞口不小于30m位置处设置轴流风机，接风管至掌子面进行压入式通风。横洞工区通风平面示意图如图3所示：

图3 倪家村隧道横洞工区通风平面示意图

3、通风量计算

通风量需分别计算进口工区、斜井工区以及横洞工区，计算步骤均一致，由于文章篇幅原因，以横洞正洞计算为例，其余位置列与表2中。

3.1 计算参数的选择

本标段独头通风的最长距离为横洞工区工作面1，长度为5378m，计算风量时独头通风距离取最大值。

1. 开挖断面围岩等级为Ⅲ级；

2. 横截面面积为139.9m²；

3. 一次开挖长度为3m；

4. 一次爆破耗药量：A=0.7×139.9×3=294kg；

5. 隧道内最多工作人数：开挖24人，机械司机6人，喷锚支护5人，二次衬砌10人，勤杂工5人，管理人员5人，总计55人；

6. 正洞洞内高峰时掌子面使用内燃机，按1台ZLC50B装载机(163KW)，1台1m³长臂挖机(200KW)，隧道内6台自卸汽车(164KW)(其中掌子面1台满载，2台空载，其余隧道内行车)；

7. 爆破后隧道通风排烟时间：t≤30min；

8. 通风管径：φ=2000mm；

9. 百米漏风率β=1%。

3.2 需风量的计算

风量计算按压入式通风考虑，确定工作面需风量，需计算出稀释炮烟所需空气量Q₁，满足洞内工作人员呼吸所需空气量Q₂，满足洞内最小风速所需空气量Q₃，稀释瓦斯涌出量需空气量计算Q₄，稀释内燃机械废气所需空气量Q₅，取其最大者即为压入式通风系统出风口的所需风量Q_需。横洞工区工作面1通风长度5378m。

（1）排除炮烟需风量Q₁(m³/min)计算：

Q₁=5Ab/t （3.1）

式中：t－通风时间(min)；

A－爆破耗药量(kg)，取294kg；

b－1kg炸药有害气体生成量，取40 m³/kg；

则Q₁=5Ab/t=5×294×40/30=1960 m³/min

（2）洞内最大工作人数需风量Q₂(m³/min)计算：

Q₂=qkm （3.2）

式中：q－每人需要新鲜空气标准(m³/min)，取4 m³/min；

k－风量备用系数，取1.25；

m－同一时间内洞内最多工作人数，取55人。

则Q₂=qkm=4×1.25×55=275m³/min

（3）最低风速要求需风量Q₃(m³/min)计算：

Q₃=VS×60 （3.3）

式中：V－洞内允许最小风速，取0.25 m/s；

S－巷道断面积，取139.9m²；

则Q₃=VS×60=0.25×139.9×60=2098.5 m³/min

4. 瓦斯涌出量需风量Q₄(m³/min)计算：

Q₄=QCH₄/（B_允-B₀）•K （3.4）

式中：QCH₄－工作面瓦斯涌出量，取0.5 m³/min；

B_允－工作面瓦斯允许浓度，取0.5%；

B₀－送入工作面风流的瓦斯浓度；

K－瓦斯涌出不均匀系数，掘进面一般为1.5～2，取2；

则Q₄=QCH₄/（B_允-B₀）•K=0.5/（0.5%-0）×2=200m³/min

（5）稀释和排除内燃机械需风量Q₅(m³/min)计算：

Q₅=K∑（Ni•Ti•fi） （3.5）

式中：K－功率通风系数，取3 m³/(kw·min)；

Ni－每种内燃设备的额定功率，kw；

Ti－每种内燃设备的工作利用率，满载取值为1，空载取值为0.9；

fi－每种内燃设备的负荷率，满载取1，空载取0.3；

则Q₅=K∑（Ni•Ti•fi）=3×（163+200+164×2×0.9×0.3）=1846m³/min

3.3需风量的计算结果

各工作面需风量见表2。

表2 各主要作业面需风量计算结果

(m³/min)

4、风压计算

风压计算需分别计算进口工区、斜井工区以及横洞工区，计算步骤均一致，由于文章篇幅原因，以横洞正洞计算为例，其余位置列与表3中。

4.1高原及局部风压计算

倪家村隧道地处海拔2000m处，通风设计应考虑海拔高度对通风阻力、风量、风压的影响。以横洞工区工作面1通风长度5378m为例计算。

（1）考虑风管漏风系数，实际洞口需要供应的新风量Q₆(m³/min)为：

Q₆=max（Q₁，Q₂，Q₃，Q₄，Q₅）/（1-β）L/100 （4.1）

则Q₆=max（Q₁，Q₂，Q₃，Q₄，Q₅）/（1-β）L/100=2099/0.9954=3613m³/min。

（2）高原地区施工通风设计海拔对通风阻力、风量、风压的影响，按式（4.2）计算：

Q_高=760/P_高•Q （4.2）

式中：P_高－高山地区大气压力（mmHg），取596mmHg；

Q－正常条件下计算的风量（m³/min）；

则Q_高=760/P_高•Q=760/596×3613=4607m³/min

3. 计算局部风阻力

H_X=∑ξ×V×ρ/2 （4.3）

式中：∑ξ－修正系数，取为1；

V－出口风速，取值为14.22m/s；

ρ－空气密度，1kg/m³；

则H_X=∑ξ×V×ρ/2=1×14.22×1/2=100pa。

3. 沿程阻力

H_f=λρLV/2D （4.4）

式中：λ－管道摩擦系数取为0.01；

L－通风距离取为5378m；

D－通风管道直径取为2m；

V－管内平均流速19.4m/s。
则H_f=λρLV/2D=0.01×1×5378×19.24/（2×2）=5060pa

（5）其他风阻：H_其他=αH_f。风阻系数参照规范《高速铁路隧道工程施工技术规程》(Q/CR 9604-2015)取值为0.1。则H_其他=0.1H_f=506Pa

则总风阻力为H=H_X+H_f+H_其他=100+5060+506=5666pa

4.2风压的计算结果

各工作面风压见表3。

表3 各主要作业面风压计算结果

5通风设备的选择

5.1风机参数

横洞工区为微瓦斯工区，洞内风机采用防爆型，风管采用抗静电、阻燃的双抗风管。施工期间当掘进长度小于150m时，采用自然通风；当大于150m时采用长管路独头压入式通风方式为主。

各型号风机技术参数见表4。

表4各型号风机技术参数表

5.2通风设备选择和配备

根据计算结果及风机技术参数，各工点风机配置见表5。

表5倪家村隧道风机配置表

为加快污浊风排风速度，保障人身健康，提高工效。计划斜井工区在斜井与正洞交接处、正洞大里程间距800m处各安设1台30Kw射流风机向外排风；横洞工区在平导与正洞交接处、平导小里程间距800m处及横通道各安设1台30Kw射流风机向外排风。

6小结

（1）隧道通风根据进口、斜井及横洞工区的划分进行考虑，根据实际情况，进口、斜井及横洞工区均采用“压入式”通风方式；

（2）进口段通风设备采用1台2×110Kw轴流风机，风管长度为962m，直径为1.5m；

（3）斜井小里程段通风设备采用1台2×110Kw轴流风机，风管长度为1078m，直径为1.5m；大里程段通风设备采用1台2×160Kw轴流风机，风管长度为2850m，直径为1.8m；

（4）横洞工作面1通风设备采用1台2×200Kw轴流风机，风管长度为5378m，直径为2.0m；工作面2通风设备采用1台2×200Kw轴流风机，风管长度为4713m，直径为2.0m；平导段通风设备采用1台2×160Kw轴流风机，风管长度为5740m，直径为1.8m。

参考文献

1. 胡清华.武汉三阳路公铁合建越江隧道通风设计[J].隧道建设,2017,37(01):62-67.

2. 林永贵,陈晓裕.莫洛瓦斯隧道通风设计[J].中外公路, 2014, 34(02): 200-202.

3. 黎爱清,刘世杰.青藏铁路关角特长隧道通风设计与施工[J].铁道标准设 计,2013(06):92-96.

4. 刘攀,张少雄,孙龙,谢全敏.五阱明隧硐工程施工通风计算与设计[J].土工基础,2021,35(05):549-552.

5. 易茜.高速公路隧道通风计算分析[J].西部交通科技,2021(08):141-143.

6. 郭世荣.长大隧道通风设备选型计算的应用[J].住宅与房地产,2021(07):222-225.