含有瓦斯的水工隧洞開挖施工監理

沈樹華

(四川二灘建設咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 工程概況

昆明市清水海引水工程是云南省和昆明市的重點工程，工程(一期)位于昆明市尋甸縣、嵩明縣及官渡區境內，由水源工程、引水工程、輸水工程等組成，引水線路總長74.555 km。引水工程分成18個標段進行施工。

四川二灘建設咨詢有限公司清水海項目監理部承擔了清水海引水工程土建5、6、7、8標共四個標段的施工監理。其中土建6標恩甲隧洞長度為4 755.128 m，進口底板高程為2 187.888 m，出口底板高程為2 183.133 m，開挖斷面為城門洞形。斷面尺寸根據圍巖類別不同而不同，最大開挖斷面為4.82 m×4.87 m(寬×高)，襯砌后的斷面尺寸為3.5 m×3.51 m。該隧洞只有進出口兩個工作面施工，無施工支洞。筆者僅對土建6標恩甲隧洞瓦斯段的施工與監理情況作一簡要總結和分析。

2 基本地質情況

該工程區域位于川滇經向構造帶與云南山字型構造前弧東翼的交接部位，處于小江斷裂帶東西兩支所挾持的斷塊內。出露地層主要有中寒武統至上第三系各時代地層，除缺失白堊系地層外，其余各時代地層比較齊全。其中下二迭統梁山組(P1L)夾不穩定煤層。根據設計單位提供的地質剖面圖，恩甲隧洞在樁號E3+942～E3+843段與下二迭統梁山組(P1L)不穩定煤層斜交，該段范圍內巖性為頁巖、粘土巖、鋁土巖夾煤層，揭穿煤層可能有瓦斯和水涌出，開挖時可能會遇到氯、硫等有害氣體。E3+722～E3+658段長64 m范圍內為 F3斷層，與隧洞軸線斜交，交角60°，因此，隧洞穿越斷層時也可能會遇到有害氣體。鑒于以上地質資料，監理工程師在隧洞開挖至E3+942前，已要求施工單位提前配置了瓦斯檢測設備對洞內瓦斯情況不斷進行監測。直到隧洞開挖至E3+868時(距洞口971.2 m)，瓦斯檢測儀檢測出瓦斯最大濃度達到4.15%，證實隧洞進入瓦斯洞段。此后，按瓦斯隧洞專項施工方案組織施工。

3 瓦斯特性

瓦斯(gas)是從煤(巖)層中逸出的各種有害氣體的總稱。地層中含有瓦斯的隧洞施工區段稱為瓦斯工區。當全工區的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時為低瓦斯工區，大于或等于0.5 m3/min時為高瓦斯工區。瓦斯與氧氣適當混合具有燃燒和爆炸性，當空氣中的瓦斯濃度達到5% ～16%時，即達到爆炸濃度，遇高溫(650℃ ～750℃)能發生爆炸。因此，瓦斯爆炸應同時具備三個條件:一定的瓦斯濃度(＞5%);一定的引火溫度(650℃ ～750℃);一定的氧氣濃度(＞12%)。氧氣是助燃劑，隧洞施工時正常通風風流中氧氣的濃度通常大于20%，因此，氧氣濃度條件一般均能滿足。據此，瓦斯隧洞施工過程中預防瓦斯爆炸事故的最根本的兩點就是設法降低瓦斯濃度，使之不超過安全濃度(＜0.5%);阻斷火源，如明火、爆破、電焊、氣割、電器火花等。

4 瓦斯基礎參數的測定

當恩甲隧洞出口工作面開挖至E3+868時，檢測出瓦斯最大濃度達到4.15%，非常接近5%的爆炸濃度。監理機構根據《建設工程安全生產管理條例》和《工程建設標準強制性條文》的有關規定，由總監理工程師向施工單位下發了《暫時停工通知》，并向業主和當地政府安全監督部門報告。《通知》要求施工單位上報瓦斯隧洞專項施工方案并配置瓦斯隧洞施工專用設備，《專項方案》經監理工程師審批并對專用設備進行驗收合格后方可恢復施工。及時獲取隧洞瓦斯賦存情況和瓦斯基礎參數，為制定瓦斯隧洞專項施工方案提供依據，在對掌子面噴射15 cm厚混凝土進行封閉后對前方穿越煤層瓦斯基礎參數進行了專業測定。測試時，在掌子面水平方向鉆兩個超前探孔，孔深分別為60 m和61 m。通過探孔檢測煤層瓦斯壓力和其他參數。瓦斯壓力測定采用的是M－II型瓦斯壓力測定儀。瓦斯壓力測定結果見表1。

表1 測壓鉆孔施工參數及測壓結果表

瓦斯壓力取所測壓力的最大值，故恩甲隧洞煤層瓦斯壓力為0.07 MPa。煤層瓦斯壓力是瓦斯涌出和突出的動力，也是煤層瓦斯含量多少的標志。準確測定的瓦斯壓力對瓦斯隧洞開挖施工中合理的制定防治瓦斯的措施、預測預報煤與瓦斯突出危險、合理制定專項施工方案具有十分重要的意義。瓦斯基礎參數測定結果見表2。

表2 恩甲隧洞煤層瓦斯基礎參數測定結果表

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》TB10120－2002中的規定，恩甲隧洞瓦斯工區瓦斯涌出量達到0.57 m3/min，超過規范規定的 0.5 m3/min 的標準，故可判定恩甲隧洞出口工區為高瓦斯工區。恩甲隧洞所檢測的瓦斯壓力P=0.07 MPa，瓦斯放散初速度ΔP=12.455，煤的 堅 固 性 系 數f=0.358，煤的破壞類型為Ⅲ類。按規范規定，以上四項參數必須同時滿足規范規定的數值，煤層瓦斯才有突出危險。所測以上四項參數中瓦斯壓力為0.07 MPa，遠小于規范規定的數值(P≥0.74 MPa)，其余三項參數雖大于或等于規范規定的數值，但仍可判定該工區不存在瓦斯突出的危險。

5 監理機構對瓦斯工區專項施工方案的審核

根據恩甲隧洞煤層瓦斯基礎參數測定結果和據此得出的結論，為制定合理、經濟、安全的瓦斯工區專項施工方案提供了依據。施工單位據此向監理機構提交了恩甲隧洞瓦斯工區專項施工方案。

監理機構對專項施工方案進行了認真審核。審核的重點包括以下內容:

(1)瓦斯工區工程概況。應附有瓦斯地層的局部詳細平縱斷面圖。

(2)瓦斯賦存情況及參數。包括煤層產狀、厚度、物理力學等參數。

(3)瓦斯隧洞施工專用機械設備和電器設備的配置。包括防爆型的開挖設備、出渣及運輸設備、通風設備、抗靜電阻燃通風管、銅芯不延燃橡套電纜、防爆型開關柜及燈具、避雷設施等。以上設備設施的配置和安裝必須符合規范要求。

(4)瓦斯監測儀器和檢測人員的配置。監測儀器應同時配有固定式和移動式兩種。瓦斯檢測人員須持有相應資質。

(5)瓦斯隧洞的通風設計。通風量按瓦斯絕對涌出量、爆破排煙、最多工作人數分別計算，取最大值。應保證將洞內開挖工作面瓦斯濃度稀釋到0.5%以下，風速不宜小于1 m/s。瓦斯工區的通風機應設兩路電源，并應裝設風電閉鎖裝置。當一路電源停電時，另一路應在15 min內接通，以保證通風機的正常運轉。

(6)瓦斯監測方案。瓦斯監測應采用雙保險監測系統，即自動報警監測系統與人工檢測相結合。瓦斯檢測一定要堅持“一炮三檢制”的原則，即造孔、爆破前、爆破后進行瓦斯檢測，對掌子面、錯車道、圍巖縫隙等瓦斯容易聚集的地方尤其要加強監測。檢測人員應將檢測數據詳細記錄，并在洞口告示牌上告知工作面瓦斯濃度。發現瓦斯濃度異常時應立即報告現場施工帶班人員，做好人員撤離工作和其他保護工作。

(7)鉆爆施工方案。瓦斯工區鉆爆作業的總體原則是“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉”，以保證每次開挖體積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到封閉支護。施工作業期間需堅持“勤檢測、強通風”，確保瓦斯濃度在安全指標范圍內。瓦斯工區的爆破作業必須采用煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管。

(8)初期支護方案。初期支護采用系統錨桿+掛網+噴射混凝土+鋼支撐，其中噴射混凝土厚度為15 cm，鋼支撐采用16號工字鋼制作，間距80 cm。鋼支撐之間的連接采用螺栓連接而不采用焊接。

(9)揭煤方案。根據恩甲隧洞瓦斯基礎參數測定結果，該隧洞瓦斯段不存在瓦斯突出危險。石門揭煤工藝相對簡單，但仍需制定相應的安全措施。石門揭煤采用微震動爆破法，裝藥量應按松動爆破計算。

(10)安全保證措施。根據國務院《建設工程安全生產管理條例》第十四條規定:“工程監理單位應當審查施工組織設計中的安全技術措施或者專項施工方案是否符合工程建設強制性標準”。因此，該專項方案中的安全保證措施是監理工程師審核的重點。安全保證措施應包括組織保證措施、技術保證措施及經濟保證措施。

①組織保證措施:監理工程師的審核內容包括瓦斯工區施工期間施工單位的安全指揮系統、生產調度系統、安全管理人員的分工及職責、特種作業人員資質審查、進洞人員登記與火種檢查制度、對施工作業及管理人員的安全技術培訓情況等。施工作業過程中堅決杜絕“三違”(違章指揮、違章操作、違反勞動紀律)現象，切實做到“安全第一、預防為主、綜合治理”。

②技術保證措施:監理工程師的審核內容包括通風系統安全技術措施、機電設備安全技術措施、供配電系統安全技術措施、瓦斯檢測與監控技術措施、進洞管理安全規則、工程質量保證措施、消防安全技術措施、環保水保技術措施、突發事件應急救援預案。各項技術措施必須符合工程建設強制性標準要求和相關規范要求。

③經濟保證措施:監理工程師的審核內容包括瓦斯隧洞施工專用機械設備和專用電器設備、專用材料、檢測儀器是否按規定配置，安全設施、安全防護、作業人員的勞動保護措施是否完善、安全費用的投入是否滿足瓦斯隧洞施工要求、應急救援預案中需儲備的救援物資是否滿足應急救援需要。

6 施工過程監理

監理工程師對施工單位上報的恩甲隧洞瓦斯工區專項施工方案參照《鐵路瓦斯隧道技術規范》TB10120－2002和《煤礦安全規程》進行了認真仔細的審核。監理工程師在審核時也聽取了部分專家的意見。在此基礎上，監理機構簽發了監理審核意見，該審核意見連同施工單位上報的《專項施工方案》報業主單位和當地政府安全監督部門備案。《專項方案》獲監理機構批準后，監理工程師對恩甲隧洞瓦斯工區恢復施工的條件進行了現場檢查。檢查內容包括硬件和軟件兩個方面。硬件主要是瓦斯隧洞施工專用設備、專用材料、檢測儀器是否按經監理工程師批準的《專項方案》中的要求全部配置，包括數量、性能和完好狀況。軟件主要是組織保證措施中的內容及各項規章制度是否建立并完善，重點檢查安全指揮系統和作業人員的安全技術培訓情況。在監理檢查合格的基礎上，邀請業主單位安全管理部門和當地政府安全監督部門進行現場驗收審查。驗收審查合格后，監理工程師簽發了瓦斯隧洞《復工通知》。施工單位恢復了恩甲隧洞瓦斯工區施工。

施工過程中，監理工程師嚴格按照《專項方案》中的要求和規范規定對工程質量、施工安全和工程進度進行控制。監理工程師對洞內瓦斯檢測記錄隨時檢查，并不定時的跟隨瓦斯檢測員同時進洞檢測瓦斯濃度，對通風效果進行檢查，在確認瓦斯濃度在安全濃度以下方允許施工。習慣性違章往往是安全事故引發的重要根源，監理工程師在糾正“三違”現象中發揮了積極作用。質量和安全是兩個不可分割的共同體，開挖支護質量是安全施工的可靠保證。監理工程師高度重視支護質量，切實做到“早封閉、強支護”，從而保證了混凝土噴射厚度，減少了瓦斯泄漏，使質量和安全取得了雙贏的效果。

恩甲隧洞通過煤層和F3斷層后，瓦斯濃度逐漸衰減，至E3+542時，炮后檢測 瓦 斯 濃 度 為0.3%，通風30 min后檢測瓦斯濃度為0.02%，已完全處于安全濃度以下，監理機構在征得地方政府安全監督部門同意后，簽發了恢復隧洞正常施工通知書。至此，恩甲隧洞安全通過了瓦斯洞段，施工過程中未發生任何安全和質量事故。

7 含有瓦斯的水工隧洞施工監理實踐的體會

(1)對瓦斯特性和瓦斯爆炸條件的充分認知是瓦斯隧洞施工和監理的先導，提前監測是及時發現瓦斯、避免發生安全事故的有力措施。恩甲隧洞在開挖施工過程中由于施工單位和監理單位對瓦斯的危害性有充分認知，提前配置了便攜式瓦斯檢測儀，經常性地對隧洞內的空氣進行檢測，及時發現瓦斯氣體，及時停工，避免了未知情況下瓦斯爆炸事故的發生。

(2)對瓦斯基礎參數的準確測定是制定防治瓦斯的措施、預測預報煤與瓦斯突出危險、合理制定專項施工方案的重要依據。專項施工方案既要安全可靠，又要經濟合理。

(3)瓦斯隧洞施工監理控制必須做到事前控制和事中控制相結合，以事前控制為主。監理工程師對《專項施工方案》的審核以及對瓦斯隧洞專用設備、器材、人員配置和資質、安全培訓、規章制度等硬軟件的檢查驗收是事前控制的重要內容，事前控制好了，可以起到事半功倍的效果。

(4)確保瓦斯隧洞施工不發生瓦斯爆炸事故最關鍵的兩點是“強通風、勤檢測”。按通風量設計不間斷送風，完全可以將洞內瓦斯濃度稀釋至安全濃度以下。按“一炮三檢制”要求及時檢測瓦斯濃度，確保作業面瓦斯濃度處于安全濃度以下，安全生產就能得到保證。