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摘要：本文通过单口掘进2.6km的高速公路隧道，在采用无轨运输施工中途发现有瓦斯出露后，进行施工通风模式调整的方案比选过程，在小间隔、大断面、长大双(多)线隧道采用无轨道运输方案施工中，双(多)洞大循环通风模式具有显著的优点。
关键词：特长公路隧道;无轨运输;瓦斯;双洞大循环通风
1概述
1.1工程概况
贵州省崇溪河至遵义高速公路凉风垭隧道位于贵州省桐梓县境内，隧道全长8214m(单洞长4107m)，隧道净宽×净高=10.2m×7.0m，纵坡2.06%，是整个贵州省最长的公路隧道。隧道地处黔北大娄山支脉的剥蚀侵蚀中低山区，穿越楚米河水系与松坎河水系的分水岭凉风垭。隧道洞身穿越灰岩、白云质灰岩、泥质页岩、泥岩、碎屑岩、碳质页岩等岩层，地表广泛出露溶谷、溶槽、溶蚀洼地、漏斗、暗河落水洞。由于构造影响，本隧道有溶蚀发育带、暗河、平行断层带、瓦斯、涌水等不良地质带，施工环境极为艰险。50年代在前苏联专家指导修筑川黔铁路穿越凉风垭时，因地质情况复杂无法克服，曾被迫多次废置、变更既定线路。
由于设备、工期、投资等诸多因素的影响，凉风垭隧道采用无轨运输方案组织施工。本隧道口需独头掘进2.6km以上(占全隧道的64%)，原计划每个隧道均采用110kw压入式配合185kw抽出式轴流风机混合通风。
1.2瓦斯出露情况
凉风垭隧道原设计并未指出该段有瓦斯存在，在掘进1.45km后，隧道碳质页岩(无煤层)地段发现有瓦斯出露，随着隧道的掘进，瓦斯溢出量逐渐增大。经检测，在采用185kw大功率通风机24小时不间断通风的条件下，隧道回风流中瓦斯浓度保持在0.1~0.7%之间，隧道单洞平均瓦斯涌出量约为2.2m3/s。但瓦斯涌出地段极不均匀，局部瓦斯集中溢出点、爆破残孔及超前探孔内瓦斯浓度往往超过5%，爆破作业时，已装入炮眼内的炸药药卷被溢出的气流推出炮眼，在爆破作业后，曾发生数次因爆破作业产生的火花引燃瓦斯气体的事件。
根据地质钻探资料，该含瓦斯的碳质页岩段分为两处，中间间隔300余米，总范围长达700m以上，无法采用其他临时措施穿越。经组织煤炭部门踏勘，判定凉风垭隧道为“局部裂隙地段有较大瓦斯涌出的低瓦斯矿”。为确保安全生产，必须对现采用的施工通风方案进行彻底的改造，因此，如何在尽量利用既有通风设备的前提之下，经济适用地解决通风问题，是整个隧道施工的关键。
2总供风量的计算
2.1隧道内有害气体的构成及通风排烟卫生标准
国内外研究资料表明，采用无轨运输掘进方案施工中，隧道内有害气体的主要来源有四个：一是钻爆掘进时爆破作业产生的有害气体；二是隧道出碴时工程机械燃烧时耗费的新鲜含氧空气；三是工程机械产生的有害物质；四是特殊隧道所释放的有害物质(包含瓦斯、天然气、矿物辐射等)〔1〕。隧道内有害气体的主要成分为一氧化碳（CO）、氧化氮（NOX）、碳化氢（HXCY）、氧化硫（SXOY）、醛以及金属铅等有害物质，同时，柴油机械还排出大量的煤烟（其主体是游离碳和其它一些易挥发性有机物），再加上隧道掘进时产生的粉尘，相互交叉影响，严重威胁人体健康及生命安全。凉风垭隧道上述四个方面均存在，其有害物质是上述四个方面所产生有害物质的组合。我国的卫生标准见表1〔2〕。
迄今为止，解决隧道施工作业中有害气体的最佳办法仍然是加强通风排烟，有效地稀释隧道中的有害物质浓度。根据《煤矿安全生产规程》，“巷道内回风流中瓦斯浓度超过1%，停止作业；超过1.5%，切断电源，撤离工作人员并进行专门处置”。
2.2需(供)风总量计算
隧道作业中所需要的总供风量，为以下几个分项目所需风量的最不利组合。
2.2.1稀释爆破作业后产生的有害爆生气体风量
该风量即为在规定的时间内，将最多炸药同时爆破作业所产生的有害气体浓度降低到允许浓度之下的通风量(根据铁路部门长期研究，也可采用隧道内最低风速理论来计算)。该项目所需供风量为：Q=(7.8/t)×〔(qV2)-3〕〔3〕。
式中，t为爆破作业后通风时间，取60min；
q为每次爆破作业所起爆的药量，凉风垭隧道瓦斯地段属于Ⅱ类围岩，施工进尺不超过170cm，相应同时爆破作业起爆约180kg乳化矿用炸药；
V为需要稀释的空间，本隧道有人员作业范围为从掌子面向后200m范围，V为=A×L=80×200=16000m3，其中，A为隧道断面积，L为长度。
2.2.2按隧道内作业的最大总人数所需的新鲜空气计算风量
根据铁路施工部门长期实践证明，当每分钟供应新鲜空气满足3m3/人.min，即可保证工人的身体健康，即供风量为Q总≥3S。
2.2.3、满足将隧道内瓦斯浓度稀释到0.5%以下要求的风量
Q=q实/(1/0.5%-1)，q实为实测瓦斯涌出量，取2.2m3/s。
2.2.4采用内燃机运输作业时所需的风量
该项目主要由两部分构成：
(1)、内燃机燃烧所需要的含氧空气(新鲜空气)量
Q=nq。隧道内出碴作业时，机械设备最集中时为CAT320挖掘机一台、50B装载机一台、20T自卸车六台(有三台在隧道内同时工作)。根据上述机械的平均辛烷值和16烷值进行测算，平均每台机械燃油所耗气量约为10m3/min.台。
(2)、稀释内燃机燃烧所产生的CO及烟尘所需风量
Qco=k〔QcoN/δco×106〕
式中，k为内燃机的使用折减系数，按每日出两次碴，每次3.5小时计，3.5×2/24=0.292;
Qco为隧道作业机械每分钟CO排放量，按20t车辆车速40km/h计算，平均0.055m3/min.辆；N为隧道内一直保持作业车数，取5辆；δco为CO允许浓度，取施工养护期指标125mg/m3(折合100ppm)。
2.2.5满足隧道的最小风速所需风量(极小值)
Q=VminA
根据公路隧道施工规范及煤矿安全生产规程，Vmin取0.2m/s，本隧道的过风流断面积为已实施二次衬砌后的净空面积65m2。
2.2.6、需风总量
需风总量为2.2.1~2.2.4项的最不利组合，具体数值计算见表2。
2.3、通风机的供风量计算
Q机≥P×Q需。其中P为漏风影响系数，现场采用直径120/150cm的维尼龙胶布风管，沿途不打结、不拐弯，不计局部阻力，当坑道长为2.6km时影响系数P=1.35。
则Q机≥P×Q需=1.35×1241=1675Pa。
由于隧道施工所采用的大功率轴流式通风机全压较大(55kw约为1830Pa,55×2kw约为4800Pa)，直线公路隧道净空大、沿途阻力小，故通风机的风压一定能满足要求，可不必检算。
2.4、既有供风设备情况
凉风垭隧道前期右线采用110kw+75kw通风机做压入、抽出混合式通风，左线采用185kw通风机做压入式通风，在掌子面距离隧道口1.45km时，经现场采用不同的通风方式进行组合测试。
如采用混合式通风方案，在掘进到2.6km时，考虑到沿途损失的风量，显然，上述通风设施无法满足稀释瓦斯的通风要求，必须进行整体改造。
3通风方式及通风机选择
根据本隧道的具体情况，可能采用的通风方式为纯压入式、压入抽出混合式和分巷道双洞大循环式三种模式。
分巷道双洞大循环通风模式的原理为：充分利用高速公路隧道双洞间距仅22m，且采用平行作业，作业面间距较小的特点，封闭一个隧道口(留下车辆进出的交通门)，在两个隧道靠近掌子面附近设置横向连通的通风道(可利用原设计的横通道)，在封闭的隧道口一侧安设大功率通风机向外抽风(简称排风巷道)，相应地在另外一个隧道内形成负压，新鲜空气被抽入未封闭的隧道(简称进风巷道)，并通过横向通风道流入口部封闭的隧道中。在进风巷道中靠近通风横洞处，安设两台较小功率的通风机，分别近距离向两隧道的掌子面压入新鲜风，以确保作业面空气新鲜。由于排风巷道内大功率通风机向外排风所产生负压作用，两个隧道掌子面的污浊空气均被送往的新鲜风挤压后沿排风巷道的风流逐步通过大功率通风机抽出洞外，构成双洞大循环通风体系。
由于该方案将通风机靠近作业面，风带较短(采用大功率通风机抽出污浊风时通风带只需60m)，大大地降低了长大隧道送风中沿途的风量、风压损失，采用既有通风设备即可满足要求，不仅节约了设备购置费用，而且避免了由于增加大功率用电设备引起的既有供电线路改造等一系列工作，显然是最为合理的选择。
4结束语
随着科技的进步，地下工程及公、铁路隧道的长度不断延伸，瓦斯、天然气及其他有害物质的出现几乎不可避免，如何方便实用地解决施工过程中遇到的通风排烟问题，显得十分重要。本文通过对施工过程中常规通风理念及通风模式的详尽分析，并借鉴煤矿巷道循环通风的方法，对公路隧道瓦斯地段的施工通风系统进行了改造，取得了较好的效果。从而阐明了在小间隔、大断面、长大双(多)线隧道采用无轨道运输方案施工中，双(多)洞大循环通风模式具有较大的优越性，值得今后在类似工程的施工生产中进一步研究与探讨。
参考文献：
〔1〕公路隧道设计规范JTJ026-90.北京.人民交通出版社.1990.
〔2〕公路隧道施工技术规范JTJ042-94.北京.人民交通出版社.1994.
〔3〕隧道和地下工程第十届科技动态报告文集姜云贵等.成都.西南交通大学出版社.2000.
关键词：特长公路隧道;无轨运输;瓦斯;双洞大循环通风
1概述
1.1工程概况
贵州省崇溪河至遵义高速公路凉风垭隧道位于贵州省桐梓县境内，隧道全长8214m(单洞长4107m)，隧道净宽×净高=10.2m×7.0m，纵坡2.06%，是整个贵州省最长的公路隧道。隧道地处黔北大娄山支脉的剥蚀侵蚀中低山区，穿越楚米河水系与松坎河水系的分水岭凉风垭。隧道洞身穿越灰岩、白云质灰岩、泥质页岩、泥岩、碎屑岩、碳质页岩等岩层，地表广泛出露溶谷、溶槽、溶蚀洼地、漏斗、暗河落水洞。由于构造影响，本隧道有溶蚀发育带、暗河、平行断层带、瓦斯、涌水等不良地质带，施工环境极为艰险。50年代在前苏联专家指导修筑川黔铁路穿越凉风垭时，因地质情况复杂无法克服，曾被迫多次废置、变更既定线路。
由于设备、工期、投资等诸多因素的影响，凉风垭隧道采用无轨运输方案组织施工。本隧道口需独头掘进2.6km以上(占全隧道的64%)，原计划每个隧道均采用110kw压入式配合185kw抽出式轴流风机混合通风。
1.2瓦斯出露情况
凉风垭隧道原设计并未指出该段有瓦斯存在，在掘进1.45km后，隧道碳质页岩(无煤层)地段发现有瓦斯出露，随着隧道的掘进，瓦斯溢出量逐渐增大。经检测，在采用185kw大功率通风机24小时不间断通风的条件下，隧道回风流中瓦斯浓度保持在0.1~0.7%之间，隧道单洞平均瓦斯涌出量约为2.2m3/s。但瓦斯涌出地段极不均匀，局部瓦斯集中溢出点、爆破残孔及超前探孔内瓦斯浓度往往超过5%，爆破作业时，已装入炮眼内的炸药药卷被溢出的气流推出炮眼，在爆破作业后，曾发生数次因爆破作业产生的火花引燃瓦斯气体的事件。
根据地质钻探资料，该含瓦斯的碳质页岩段分为两处，中间间隔300余米，总范围长达700m以上，无法采用其他临时措施穿越。经组织煤炭部门踏勘，判定凉风垭隧道为“局部裂隙地段有较大瓦斯涌出的低瓦斯矿”。为确保安全生产，必须对现采用的施工通风方案进行彻底的改造，因此，如何在尽量利用既有通风设备的前提之下，经济适用地解决通风问题，是整个隧道施工的关键。
2总供风量的计算
2.1隧道内有害气体的构成及通风排烟卫生标准
国内外研究资料表明，采用无轨运输掘进方案施工中，隧道内有害气体的主要来源有四个：一是钻爆掘进时爆破作业产生的有害气体；二是隧道出碴时工程机械燃烧时耗费的新鲜含氧空气；三是工程机械产生的有害物质；四是特殊隧道所释放的有害物质(包含瓦斯、天然气、矿物辐射等)〔1〕。隧道内有害气体的主要成分为一氧化碳（CO）、氧化氮（NOX）、碳化氢（HXCY）、氧化硫（SXOY）、醛以及金属铅等有害物质，同时，柴油机械还排出大量的煤烟（其主体是游离碳和其它一些易挥发性有机物），再加上隧道掘进时产生的粉尘，相互交叉影响，严重威胁人体健康及生命安全。凉风垭隧道上述四个方面均存在，其有害物质是上述四个方面所产生有害物质的组合。我国的卫生标准见表1〔2〕。
迄今为止，解决隧道施工作业中有害气体的最佳办法仍然是加强通风排烟，有效地稀释隧道中的有害物质浓度。根据《煤矿安全生产规程》，“巷道内回风流中瓦斯浓度超过1%，停止作业；超过1.5%，切断电源，撤离工作人员并进行专门处置”。
2.2需(供)风总量计算
隧道作业中所需要的总供风量，为以下几个分项目所需风量的最不利组合。
2.2.1稀释爆破作业后产生的有害爆生气体风量
该风量即为在规定的时间内，将最多炸药同时爆破作业所产生的有害气体浓度降低到允许浓度之下的通风量(根据铁路部门长期研究，也可采用隧道内最低风速理论来计算)。该项目所需供风量为：Q=(7.8/t)×〔(qV2)-3〕〔3〕。
式中，t为爆破作业后通风时间，取60min；
q为每次爆破作业所起爆的药量，凉风垭隧道瓦斯地段属于Ⅱ类围岩，施工进尺不超过170cm，相应同时爆破作业起爆约180kg乳化矿用炸药；
V为需要稀释的空间，本隧道有人员作业范围为从掌子面向后200m范围，V为=A×L=80×200=16000m3，其中，A为隧道断面积，L为长度。
2.2.2按隧道内作业的最大总人数所需的新鲜空气计算风量
根据铁路施工部门长期实践证明，当每分钟供应新鲜空气满足3m3/人.min，即可保证工人的身体健康，即供风量为Q总≥3S。
2.2.3、满足将隧道内瓦斯浓度稀释到0.5%以下要求的风量
Q=q实/(1/0.5%-1)，q实为实测瓦斯涌出量，取2.2m3/s。
2.2.4采用内燃机运输作业时所需的风量
该项目主要由两部分构成：
(1)、内燃机燃烧所需要的含氧空气(新鲜空气)量
Q=nq。隧道内出碴作业时，机械设备最集中时为CAT320挖掘机一台、50B装载机一台、20T自卸车六台(有三台在隧道内同时工作)。根据上述机械的平均辛烷值和16烷值进行测算，平均每台机械燃油所耗气量约为10m3/min.台。
(2)、稀释内燃机燃烧所产生的CO及烟尘所需风量
Qco=k〔QcoN/δco×106〕
式中，k为内燃机的使用折减系数，按每日出两次碴，每次3.5小时计，3.5×2/24=0.292;
Qco为隧道作业机械每分钟CO排放量，按20t车辆车速40km/h计算，平均0.055m3/min.辆；N为隧道内一直保持作业车数，取5辆；δco为CO允许浓度，取施工养护期指标125mg/m3(折合100ppm)。
2.2.5满足隧道的最小风速所需风量(极小值)
Q=VminA
根据公路隧道施工规范及煤矿安全生产规程，Vmin取0.2m/s，本隧道的过风流断面积为已实施二次衬砌后的净空面积65m2。
2.2.6、需风总量
需风总量为2.2.1~2.2.4项的最不利组合，具体数值计算见表2。
2.3、通风机的供风量计算
Q机≥P×Q需。其中P为漏风影响系数，现场采用直径120/150cm的维尼龙胶布风管，沿途不打结、不拐弯，不计局部阻力，当坑道长为2.6km时影响系数P=1.35。
则Q机≥P×Q需=1.35×1241=1675Pa。
由于隧道施工所采用的大功率轴流式通风机全压较大(55kw约为1830Pa,55×2kw约为4800Pa)，直线公路隧道净空大、沿途阻力小，故通风机的风压一定能满足要求，可不必检算。
2.4、既有供风设备情况
凉风垭隧道前期右线采用110kw+75kw通风机做压入、抽出混合式通风，左线采用185kw通风机做压入式通风，在掌子面距离隧道口1.45km时，经现场采用不同的通风方式进行组合测试。
如采用混合式通风方案，在掘进到2.6km时，考虑到沿途损失的风量，显然，上述通风设施无法满足稀释瓦斯的通风要求，必须进行整体改造。
3通风方式及通风机选择
根据本隧道的具体情况，可能采用的通风方式为纯压入式、压入抽出混合式和分巷道双洞大循环式三种模式。
分巷道双洞大循环通风模式的原理为：充分利用高速公路隧道双洞间距仅22m，且采用平行作业，作业面间距较小的特点，封闭一个隧道口(留下车辆进出的交通门)，在两个隧道靠近掌子面附近设置横向连通的通风道(可利用原设计的横通道)，在封闭的隧道口一侧安设大功率通风机向外抽风(简称排风巷道)，相应地在另外一个隧道内形成负压，新鲜空气被抽入未封闭的隧道(简称进风巷道)，并通过横向通风道流入口部封闭的隧道中。在进风巷道中靠近通风横洞处，安设两台较小功率的通风机，分别近距离向两隧道的掌子面压入新鲜风，以确保作业面空气新鲜。由于排风巷道内大功率通风机向外排风所产生负压作用，两个隧道掌子面的污浊空气均被送往的新鲜风挤压后沿排风巷道的风流逐步通过大功率通风机抽出洞外，构成双洞大循环通风体系。
由于该方案将通风机靠近作业面，风带较短(采用大功率通风机抽出污浊风时通风带只需60m)，大大地降低了长大隧道送风中沿途的风量、风压损失，采用既有通风设备即可满足要求，不仅节约了设备购置费用，而且避免了由于增加大功率用电设备引起的既有供电线路改造等一系列工作，显然是最为合理的选择。
4结束语
随着科技的进步，地下工程及公、铁路隧道的长度不断延伸，瓦斯、天然气及其他有害物质的出现几乎不可避免，如何方便实用地解决施工过程中遇到的通风排烟问题，显得十分重要。本文通过对施工过程中常规通风理念及通风模式的详尽分析，并借鉴煤矿巷道循环通风的方法，对公路隧道瓦斯地段的施工通风系统进行了改造，取得了较好的效果。从而阐明了在小间隔、大断面、长大双(多)线隧道采用无轨道运输方案施工中，双(多)洞大循环通风模式具有较大的优越性，值得今后在类似工程的施工生产中进一步研究与探讨。
参考文献：
〔1〕公路隧道设计规范JTJ026-90.北京.人民交通出版社.1990.
〔2〕公路隧道施工技术规范JTJ042-94.北京.人民交通出版社.1994.
〔3〕隧道和地下工程第十届科技动态报告文集姜云贵等.成都.西南交通大学出版社.2000.