瓦斯隧道施工安全控制措施探討

魏二劍，文 坤

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610000)

隨著社會經濟的發展、交通量的增加，隧道在現代交通中發揮著越來越大的作用。有關資料顯示［1］，我國在鐵路、公路、水利水電等領域已經建成近萬座隧道，總長超過7 000 km。隧道建設過程中不可避免地要穿越瓦斯富集區地層，在這種情況下施工除了要注意常規操作控制要點以外，瓦斯防治工作將顯得尤為重要［2-3］。

目前，我國在瓦斯條件下進行地下工程施工所能執行的技術規范、技術條款還不完善，許多方面直接引用煤礦行業的相關標準和規范［4-5］。因此，在瓦斯隧道施工過程中大多存在要么完全照搬煤礦行業的標準及工法，要么就直接按照一般隧道進行施工和管理。前者雖然在一定程度上保證了施工安全，但卻增加了許多不必要的投入，嚴重影響了成本和工期;后者則很難保證施工安全。

本文在此基礎上，結合某一具體工程實踐，通過對瓦斯隧道施工安全控制措施各個要素進行分析探討，得出一套系統性的瓦斯隧道安全管理方法，希望可為類似瓦斯隧道的施工和安全管理提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某隧道位于四川盆地東北部的廣元市元壩區鴛溪鎮，線路在鴛溪鎮三岔口進入該隧道，隧道起訖里程D1K642+090—D1K647+275，全長 5 185m，內設人字坡，洞身最大埋深165m，線路走向近南北向。

本隧道為單洞雙線隧道，按設計時速200 km/h且滿足開行雙層集裝箱列車的客貨共線標準設計，洞內采用重型軌道碎石道床，鋪設Ⅲ型軌枕(2.6 m)及60 kg/m鋼軌，軌道結構高度77 cm。

隧區內覆蓋層主要為第四系全新統殘坡積層，下伏基巖為白堊系下統劍門關組紫紅色泥巖、砂巖不等厚互層，節理發育，巖體破碎，質軟易坍，裂隙中可能有有害氣體賦存。地下水主要以孔隙水和裂隙水兩種形式存在。據預測，隧道內的正常涌水量為2 000m3/d，最大總涌水量為2 600m3/d，但地下水對混凝土無侵蝕性。

該隧道附近5 km范圍內分布有兩口天然氣井，天然氣等有害氣體可能順著巖層構造裂隙上逸，并在隧道洞身范圍基巖裂隙或縫隙中局部游散富集，形成氣囊，具有隨機性和不均勻性，危及隧道施工。據勘測，該隧道單孔瓦斯最高濃度為8 730 ppm，瓦斯含量為10 719 m3，瓦斯壓力為0.2 kPa，瓦斯絕對涌出量為3.03 m3/min。

2 瓦斯隧道界定和劃分

2.1 瓦斯隧道界定

圍巖內含有瓦斯的隧道即為瓦斯隧道，也就是說，在隧道內任何地點、任何時間只要有一次發現瓦斯，那么就將該隧道界定為瓦斯隧道。

2.2 瓦斯隧道的劃分

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2002)，將瓦斯隧道劃分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道、瓦斯突出隧道3種，瓦斯隧道的類型按照隧道內瓦斯工區的最高級別來確定。

瓦斯隧道工區劃分為非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區及瓦斯突出工區共4類。

瓦斯隧道工區按照絕對瓦斯涌出量來判定［6］:當全工區的瓦斯涌出量＜0.5m3/min時，為低瓦斯工區;當全工區的瓦斯涌出量≥0.5m3/min時，為高瓦斯工區;當瓦斯壓力p≥0.74 MPa、鉆孔瓦斯放散初速度Δv≥10或者單孔瓦斯涌出量q≥4 L/min、巖體堅固性系數f≤0.5時為瓦斯突出工區。

因該隧道瓦斯絕對涌出量為3.03 m3/min，所以設計中將該隧道定為高瓦斯隧道。

3 瓦斯的危害

1)瓦斯窒息

瓦斯的主要成份是甲烷(CH4)。它是一種無毒、無味、無色、可燃燒的氣體。在常態下，空氣中氧氣的濃度接近21%，也就是說這是最適合人類生存的氧氣濃度。當空氣中瓦斯濃度較高時，氧氣的濃度就會相應降低。當瓦斯濃度達到43%時，氧氣濃度將降至12%，人會有呼吸困難的感覺;當瓦斯濃度達到57%時，氧氣濃度就會降到9%，此時短時間內會讓人窒息而亡。

2)瓦斯爆炸

引起瓦斯爆炸必須同時具備以下條件:①瓦斯聚集到一定的濃度，瓦斯爆炸濃度為5% ～16%，當瓦斯濃度為9.5%時，其爆炸威力最強(氧氣和瓦斯完全反應)。②足夠的氧氣濃度。③一定的引火溫度。瓦斯的引火溫度一般認為是650℃ ～750℃。明火、吸煙、放炮、架線火花，甚至撞擊和摩擦產生的火花等都足以引燃瓦斯。

瓦斯爆炸產生的瞬間溫度可高達1 850℃～2 650℃，壓力可達到初壓的9倍，爆炸產生的沖擊波容易使人傷亡和破壞器材設施。爆炸后將會生成大量的CO2、CO等有毒有害氣體，使人中毒和窒息。

3)煤(巖)與瓦斯突出

煤(巖)與瓦斯突出事故是指隧道或者煤巷在掘進過程中，在地應力、瓦斯壓力共同作用下，發生大量煤(巖)與瓦斯瞬間向采掘空間拋出的異常動力現象。其表現為幾噸至數千噸甚至上萬噸以上的破碎巖土在瞬間向采掘空間拋出，機械和人員被掩埋，同時伴有大量瓦斯涌出，造成人員窒息，危害極為嚴重。

4 瓦斯隧道施工安全控制措施

瓦斯事故一般都會造成重大的人員傷亡和財產損失，可謂相當的可怕。但是如果我們能夠掌握好瓦斯的一些規律并積極采取相應的措施，那么瓦斯事故還是可以防止和避免的。要防止瓦斯事故，應做到以下幾點。

4.1 加強通風管理

控制瓦斯濃度是最有效的防止瓦斯爆炸的技術措施。通過有效的通風手段稀釋瓦斯，將其控制在爆炸界限以下，即使出現火花等引燃源，也不會導致瓦斯爆炸。可見，通風效果的好壞將直接決定是否會發生瓦斯爆炸。

1)通風方式的選擇

隧道通風的基本方式主要有壓入式、抽出式、送排混合式和巷道式等。根據絕大多數隧道無軌運輸施工特點，采用壓入式通風可以使工作面的污染度最小，空氣質量最好。通風機不需經常移動，且壓入式的有效射程比吸入式的有效吸程大得多，利于工作面設備布置和作業，管理上也方便，因而更宜于機械化作業。故獨頭掘進長度＜2 km的瓦斯隧道多采用壓入式通風，是目前隧道施工通風的主要方式。因此，該隧道采用壓入式通風。

2)風機選型

風機根據構造可分為3類:離心式通風機、軸流式通風機和射流式通風機。

該隧道采用2臺規格型號為SDZ-12.5的軸流式通風機，額定功率為135 kW，通風能力為1 650～2 800m3/min。通風機必須實行雙風機雙電源供風，并裝設風電閉鎖裝置。當一臺主通風機發生故障時，備用風機必須在10min內啟動;當一路電源停止供電時，另一路電源必須在10min內啟動，保證風機的運轉。加強風筒管理，通風管選用抗靜電阻燃風管，直徑為1.8 m，模板臺車至風室的風管每節100m，二襯至掌子面風管每個節段為5～30m不等。為保證風管順直，根據現有模板臺車結構，在模板臺車上設置鋼筒，風筒從鋼筒中通過，風筒必須跟進掌子面5m以內。

4.2 加強瓦斯預測、檢測

該隧道瓦斯預測和檢測工作主要是通過人工檢測和利用瓦斯監控系統檢測來實現的。

對于人工檢測，瓦斯檢查員必須經過培訓并持證上崗，要嚴格按確定的地點、頻率、檢查方法進行檢查，嚴禁空班、漏檢和假檢。并嚴格執行和落實“一炮三檢”制度。

瓦斯監控系統結構主要由監控主機、數據接口、監控分站、各類傳感器(如瓦斯傳感器、一氧化碳傳感器、開停傳感器、硫化氫傳感器等)、電纜、接線盒等設備組成。如圖1所示。

瓦斯自動監控系統使用瓦斯斷電裝置連續監測，隧道自動斷電報警系統為聲、光連動形式。在瓦斯濃度＞0.5%時報警，瓦斯濃度＞1%時切斷電源實行瓦電閉鎖。

圖1 瓦斯監控系統結構示意

瓦斯監控系統為煤礦和瓦斯隧道安全管理起到了十分重要的作用。隨著電子技術、計算機軟硬件技術、網絡技術的迅猛發展，國內各主要科研單位和生產廠家又相繼推出了 KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000 和KJG2000等監控系統，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數字化網絡監測管理系統。本著安全、可靠、經濟的原則，結合系統設備的技術特點和隧道的具體情況，本隧道選用KJ101瓦斯監控系統。

4.3 施工設備防爆改型

目前隧道施工所使用的施工機電設備基本是通用型設備，這類設備不具防爆性能，只能用于無瓦斯的隧道。而瓦斯隧道就需要防爆型機電設備，將通用型機電設備改造為防爆型機電設備。

本隧道主要對變壓器、接線盒、電纜、控制器、燈具、插銷開關、裝載機、挖掘機、自卸汽車、混凝土輸送泵、混凝土攪拌運輸車等機電設備做了防爆改型。

4.4 加強超前地質預報

超前地質預報主要有地質分析法、物理探測法和鉆孔探測法3種。其中，物理探測法主要有紅外線探測、地震波探測、地質雷達探測、瞬變電磁法等。

該高瓦斯隧道超前地質預報優先采用鉆孔法，這是因為鉆孔法不僅能直觀有效地反映前方圍巖地質情況，而且還能及時了解前方瓦斯的賦存情況;其次采用地震波探測法作為輔助方法。

4.5 加強日常安全管理工作

該隧道日常安全管理工作主要有以下幾個方面:①建立健全各項規章制度;②做好進洞人員安檢工作，以防止將火源帶進洞內;③嚴格執行風電閉鎖、瓦電閉鎖;④加強對員工的教育培訓;⑤做好應急救援工作。

5 實施效果

將該隧道進口12個月的瓦斯濃度最大值繪成曲線，見圖2。

圖2 瓦斯濃度最大值變化曲線

由圖2可知，該隧道進口在12個月中瓦斯濃度基本都在0.35%以下，處于《鐵路瓦斯隧道技術規范》所規定的0.5%安全線下，并且該隧道自開工至今尚未出現過一起事故。由此可見，采取上述各項安全控制措施，有效地保證了隧道的安全掘進。

6 結語

瓦斯的危害主要有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤(巖)與瓦斯突出等，針對這些危害發生的誘因，及時采取措施，可防止瓦斯事故的發生。

瓦斯隧道施工安全控制措施主要包括加強通風管理、加強瓦斯濃度檢測、機電設備防爆改型、超前地質預報及加強日常安全管理工作等。

該隧道1年內的瓦斯濃度值顯示，采取本文所述各項安全控制措施后，該瓦斯隧道安全管控到位，處于可控狀態。總之，瓦斯防治是個系統工程，運用系統論的觀點、理論和方法控制好瓦斯隧道安全管理措施中各組成要素，可以減少或避免瓦斯事故的發生。

［1］唐小兵，許模.我國瓦斯隧道建設現狀綜述［J］.人民長江，2011(3):30-33.

［2］張立坤，馬福民，高峰.隧道施工高瓦斯防治指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］趙階勇.鐵路瓦斯隧道施工特點及問題探討［J］.隧道建設，2011(1):82-87.

［4］田榮.瓦斯隧道施工的關鍵要素及其對策［J］.鐵道建筑技術，2002(6):41-43.

［5］茍彪.瓦斯隧道施工控制及防治措施探討［J］.現代隧道技術，2011(2):22-27.

［6］郝俊鎖，沈殿臣，王會軍.梅嶺關瓦斯隧道施工技術［J］.現代隧道技術，2011(2):141-143.