苏通GIL综合管廊上方为长江,顶部淤泥层内经探测有甲烷等有害气体存在,管廊内有施工作业人员30人、特种燃油机动车19辆,盾构机驱动功率为3000kW,总装备功率为6155kW,隧道内径为10.5m,盾构直径为12.07m,盾构总长为5468.5m,并且有上下坡的转换,最低处海拔为-74.83m,与江南工作井处的高度差超过50m。根据国家相关的隧道施工规范、矿山施工规范、国家安全规程等研究安全通风技术。
管廊施工期间通风的主要目的如下。
(1)给隧道内的作业人员提供足够的新鲜空气。
(2)稀释并排出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,为保证施工安全、施工质量、施工进度奠定基础。
此外,参考《煤矿安全规程》的规定,在瓦斯释放量超过3m 3 /min时,需要考虑专设瓦斯抽排设施。根据苏通GIL综合管廊盾构施工的特点,其泥浆循环系统是有害气体释放的主要通道,因此管廊内压入通风的主要目的是稀释管路泄漏的少量有害气体。对于泥浆排渣与泥浆循环系统的泥浆池、沉淀池等相关设施,必须强化管理与监测,监控通风系统的风压、风量,实时调整风机功率,保证风口出风速度与风量,强制稀释/吹散积聚的瓦斯等有害气体。
根据国内外隧道与井下巷道施工通风的案例,在管廊施工通风中,主要的通风方式有抽出式通风、压入式通风、混合式通风,以及将施工通道(安全通道)作为进风或者回风通道的通风方式。苏通GIL综合管廊施工斜坡通道的长度仅为200m,没有其他与管廊施工同步的安全通道,因此主要采用前3种(使用风筒通风的)方式。
1.抽出式通风
抽出式通风把通风机安装在盾构机后方的地面上(见图2-1),管廊内的工作环境对通风机的运行安全无影响。新鲜风流沿管廊工作井流入,污浊风流通过负压(刚性)风筒由通风机排出。在抽出式通风中,污浊空气必须通过局部通风机,极不安全。抽出式通风有效吸程小,排出工作面烟尘的能力较差;但由于污浊空气从风筒排出,不污染隧道中的空气,故劳动卫生条件好。抽出式通风只能使用刚性风筒或带刚性圈的柔性风筒,施工难度大,刚性风筒存在的问题是安装困难,安装施工慢,会影响通风。
图2-1 抽出式通风示意
2.压入式通风
通风机和启动装置安装在施工隧道之外的地面清洁环境处,轴流风机把新鲜风流经风筒压送至盾构工作面,污浊风流沿管廊排出,如图2-2所示。在压入式通风中,因为局部通风机安设在新鲜风流中,通过局部通风机的风流为新鲜风流,故安全性高。压入式通风的风筒出口射流的有效射程大,排出工作面有害气体和瓦斯的能力强。压入式通风可以使用柔性风筒。在进行压入式通风时,污浊空气沿隧道流动,劳动卫生条件较差,而且排出污浊空气的时间较长。当压入距离较长时,需要串联风机,在中间段,串联风机易导致污浊空气与新鲜空气的混流,而且风机串联运行的操作控制更复杂。
图2-2 压入式通风示意
3.混合式通风
混合式通风指抽出式通风与局部送风系统结合的通风方式,如图2-3所示,有长压短抽与长抽短压2种方式。在长压短抽方式中,施工隧道内的污浊空气会污染整个隧道,与压入式通风相比,无法改善隧道内空气质量。长抽短压又分为前压后抽式与前抽后压式,其中前压后抽式主要用于有轨运输施工的隧道。
图2-3 混合式通风示意
1.苏通管廊施工中通风工程存在的难点
(1)单向盾构施工长度达5468.5m,施工距离长,隧道处于水体下部,隧道中间部位无法设排风井道。
(2)隧道断面尺寸大,水体下部岩体湿度大,散湿量大,瓦斯或其他有害气体涌出后排至管廊空间的量未知(勘测报告中的涌出量为67m 3 /min),但通风量必须达到安全可靠的水平。
(3)根据煤炭现行相关规范与《煤矿安全规程》计算的通风量较大、风压大,使得风筒及接口处漏风量大(百米漏风率约为1.5%),风机总风量为末端出风量的2.2倍;采用进口(单支长100m)的涂敷布风筒,接口使用拉链连接,拉链连接处采用内外风帘,平均漏风率为10mm 2 /m 2 ,相当于百米漏风率达到0.6%,风机总风量为末端出风量的1.4倍。由于需要长距离输送,管路的弯头处局部阻力大,沿程风阻大,所以为达到规定的送风量,必须加大风筒直径或者采用双风筒送风,投资大。
(4)在中初期,探测到有瓦斯,送风量要比无瓦斯隧道大;在中后期,虽然未探测到瓦斯,但出于安全考虑及降温除湿的要求,掌子面送风量不能减少。
2.有害气体进入隧道的途径分析
苏通GIL综合管廊工程采用泥水平衡盾构机施工,所用盾构机是掌子面全封闭型盾构机,从其设计原理上讲,在施工过程中,盾构机外部土壤及其所含的所有物质均无法进入盾构机内部和隧道内部,而是通过管路由泥浆直接携带出隧道,在泥水分离设备处接触室外大气。从工程本质安全的角度来看,选用泥水平衡盾构机是一项本质安全措施。但是,详细分析此盾构机的施工原理可发现,它属于气垫平衡式泥水平衡盾构机,局部仍存在外界气体可能进入隧道的途径(见图2-4),具体如下。
图2-4 有害气体进入隧道的可能途径示意
(1)在盾尾密封处,气体有极小可能缓慢渗入。
(2)在开挖时,微小气泡溶于泥浆,在进入气垫仓、流向出浆口的过程中,部分气泡可能会在气垫仓内上升,部分有害气体混入气垫仓内的压缩空气;在由Samson系统控制自动排气的过程中,该部分气体会进入隧道。
(3)虽然在掘进过程中,开挖仓内泥水压力略高于外部,泥浆会在刀盘周边土体内形成渗透带,提前将原状土内的空隙水/气排出至一定范围,但在实际开挖过程中,受多种因素影响,如不能完全实现预期状态,开挖时释放的气体将在开挖仓顶部积聚。根据气垫平衡式泥水平衡盾构机的原理,开挖仓顶部不能有大范围气体积聚,为此,在开挖仓顶部设置有一条放气管道(原用于气垫仓向开挖仓缓慢泄漏气体),需要周期性地检查该处是否有气体积聚,若有,则采取放气措施,若不采取放气措施,则有害气体将进入隧道内部。
(4)盾构机在换刀具时会释放其内部空腔中的少量瓦斯;此外,在盾构机进尺一定距离后,需要拆换尾部泥浆软管并安装无缝钢管,这两种情况会引起有害气体的局部积聚。
(5)盾构泥浆循环系统可能将地层内有害气团中的部分气体吸入管路,通过管路排至地面,使得管廊内管道连接法兰处有一定的气体泄漏,同时,地面回浆池的回浆管出口处会有甲烷积聚。
3.有害气体应对措施及安全通风方案
针对上述分析,在通过有害气体地层时,需要在施工工艺与安全通风系统、有害气体监测、瓦斯抽排与电气防爆设计等方面分别做出应对措施与专项方案。
在施工中,施工单位要尽可能采取先决措施:保持泥浆持续向地层渗透,在泥膜(渗透带)“边生成边切削破坏”的开挖过程中,始终使泥膜维持一定厚度,即其生成速度要略大于开挖速度,同时确保盾尾密封保持良好状态。
综合管廊内涌入有害气体的途径、通风运行成本与安全管理等因素,管廊内优先以地面通风机压入式通风为主导,同时在有害气体易积聚的局部位置设置局部排风设施。地面泥浆系统作为有害气体易积聚点,设置专门的稀释通风系统与有害气体监测系统及隔离设施。
另外,压入式通风的风量和风阻较大,单台风机无法满足要求,需要采用双风机双风筒的并联送风系统;随着管廊施工的深入,送风距离逐渐增加,风机风量与风阻随之增大,并且有害气体地层存在于施工中前期,穿越地层分为含瓦斯地层与未探测到瓦斯地层,因此压入式通风应分区域通风,还可在掌子面或盾构机尾部设置局部通风系统以强化通风效果。
盾构施工管廊的通风方案如下。
(1)工作井开凿期:单风机单风筒压入式通风。
(2)盾构隧道段压入式双风机双风筒送风(DK0+700之前):根据瓦斯探测浓度,实施一台风机运行、另一台风机备用的工作策略。
(3)盾构隧道段压入式双风机双风筒通风(DK0+700至DK1+720,瓦斯探测赋存量较大的区域):风机变频运行,回风平均速度为0.5m/s,以风量为基准来调节电机频率。
(4)盾构隧道段长距离压入式双风机双风筒送风(DK1+720之后,施工距离大于2000m):定风量变频运行,保证含瓦斯地层的管廊内的回风平均速度不低于0.5m/s(DK0至DK1+720),实现风机节能。施工管廊通风系统简图如图2-5所示。
图2-5 施工管廊通风系统简图
(5)地面回浆池的回浆管出口处可能有甲烷积聚,可设置瓦斯监测报警系统,或者设置便携式瓦斯监测仪以进行流动监测。
(6)在盾尾、泥浆管换管处、刀盘仓、汽水平衡气囊放气处等设置局部通风系统,吹排、稀释有害气体。
(7)主风机选用法国进口ECE双风机,进行并联压入式通风;风筒采用进口1.5m直径柔性三防风筒,双风筒单级送风。