鐵路瓦斯隧道安全設計施工與管理

印有新

摘要：新時期鐵路建設蓬勃發展，更多的高速鐵路伸向偏遠地區，線路經過含煤層地區，瓦斯隧道的數量也隨之增加，施工難度方面的問題也會接踵而來。本文就對鐵路瓦斯隧道的通風、用電的設計，以及瓦斯的施工方案與施工管理進行了分析，希望能為同行提供可借鑒的經驗。

關鍵詞：鐵路瓦斯隧道 安全設計 施工方案 施工管理

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A

按照具體分類，瓦斯隧道可以分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道。在具體的隧道中又可以按區進行劃分把隧道分為四個區段：非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區和瓦斯突出工區。在實際工作當中，對于非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區以及瓦斯突出區四個不同的區段有不同的判定標準。以判定標準作為依托，就可以及時地發現每個區段是否有異常情況，以便及時排查以消除隱患。目前區段級別的判定標準：第一，在低瓦斯區段是以瓦斯涌出量為判定標準的，而具體的瓦斯涌出量0.5 m3/min為界線，如果小于0.5 m3/min則屬于低瓦斯工區；第二，高瓦斯工區也是以瓦斯涌出量為判定標準的，如果大于或等于0.5 m3/min則屬于高瓦斯工區；第三，瓦斯突出工區判定的標準因素較多，以瓦斯壓力、煤的堅固性系數、煤的破壞類型以及瓦斯放散初速度作為判定的標準。以下就根據瓦斯隧道的特點對其安全設計、施工與管理進行了分析。

1、瓦斯隧道的安全設計

1.1 通風設計

1.1.1 通風方式的選擇

隧道通風方式有壓入式、抽出式、混合式、巷道式。各種通風方式的優缺點如下所示。

壓入式通風：優點是有效射程大，沖淡和排除氣體效果強；污風不通過風機，可以采用柔性風筒；污風從隧道通過，可以一并帶走其他雜質和煙塵，對改善工作面環境有利。缺點是長距離掘進需要風量大；回風污染整合巷道。

抽出式通風：優點是排煙效果好，需風量小；回風流不污染巷道。缺點是有效吸程短，風筒在鉆爆法施工中容易擊壞；污風流經過風機。

混合式通風：優點是適合大斷面長距離隧道通風，有利于降塵；有利于機械化作業。缺點是管理復雜。

巷道式通風：優點是污風從另一條隧道流出，安全性好；隧道穿過突出煤層、瓦斯涌出嚴重的隧道一般采用此法。缺點是需要雙巷條件；需要多作聯絡巷。

1.1.2 隧道施工風量計算原則

隧道施工中，工作面所需的風量與施工方法、施工作業的機械配條件關系很大。通風量計算的目的是為了正確選擇通風設備和設計通風系統提供依據。以下以一段隧道施工為例其施工量進行計算。

（1）按洞內最小允許風速計算：

Q風=60×S×V小=60×143.43×0.3m/s=2582m3/min。

式中：

S——隧道最大斷面，㎡；

V小——最小允許風速，m/s；

（2）按洞內同時時間最多人數計算：

Q人=4KN=4×1.25×50=250 m3/min。

式中：

K——備用系數

N——洞內同一時間最多人數。

（3）按瓦斯涌出量計算：

Q瓦=100×qCH4/（Bg-Bg0）=100×10/(0.5-0)=2000 m3/min.

式中：

Q瓦——按瓦斯涌出量計算所需風量，m3/min；

qCH4——實際瓦斯涌出量，按實際情況取10 m3/min；

Bg——工作面允許瓦斯濃度，取0.5%；

Bg0——送入風中瓦斯濃度，取0；

（4）按稀釋和排炮煙所需風量計算：

Q炮=7.8×{A×（S×L）2}1/3/t=7.8×{120×（80×1840）2}1/3/40=2681 m3/min。

式中：

Q炮——按稀釋和排炮煙計算所需風量，m3/min；

A——一次爆破所用最大裝藥量，根據爆破設計取120kg，瓦斯工區減少開挖面積考慮半斷面開挖。

S——隧道斷面，最大按143.34㎡，平均按照80（襯砌后凈空約為70）

L——最長通風距離，共1840m，

t——放炮后通風時間，取40min。

（5）按同時起爆炸藥量計算

Q=5Ab/t=5×120×40/30=800 m3/min

式中：

Q——同時起爆炸藥量計算所需風量，m3/min；

b——稀釋每Kg炸藥起爆時產生的CO所需風量，m3/min。

根據以上計算結果，取允許最小通風量為2681 m3/min。

風速驗算：

未進行二次襯砌段V=Q風/S=2681/143.34=27.5m/min=0.31m/s。

已進行二次襯砌段V=Q風/S=2681/70=56.21m/min=0.64m/s。

1.1.3通風系統和通風設備的選擇

（1）風筒直徑的確定

考慮減少通風阻力以及風筒的內壓承受能力，取風筒風速1600m/min，以下以設置一套風機為例，取風筒的直徑為：

D=2{Q風/（3.14×V）}1/2=1.46m

式中：

D——設計風筒直徑，m；

Q風——設計通風量，2681 m3/min；

V——設計風筒內風速，m/min。

取風筒直徑為1.5m，實際風筒內風速為2518m/min。

（2）通風阻力計算

①風筒內摩擦阻力

h摩=aLUQ2/S2=3379Pa

式中：

a——摩擦阻力系數，Kg/m3；

L——風筒長度，m；

U——風筒周長，m；

Q——設計風量，m3/s；

S——風筒截面積，㎡。

②隧道通風阻力

h摩=aLUQ2/S2=3.91Pa

③局部阻力

考慮風筒穿過二次襯砌臺車、運渣車輛等因素，局部阻力按總摩擦阻力的5%計算。

④通風最困難時通風總阻力為：

h總=1.05 h摩=3552Pa

通過上述計算，可根據計算結果選取合適的風機與風筒。

1.2 施工用電安全設計

1.2.1 電纜線路安全規定

（1） 瓦斯工區內高壓電纜的選用應符合下列規定：

①固定敷設的電纜根據作業環境條件選用；

②移動變電站采用監視型屏蔽橡套電纜；

③電纜采用銅芯。

（2）瓦斯工區內低壓動力電纜的選用應符合下列規定：

①固定敷設的電纜采用鎧裝鉛包裝紙絕緣電纜、鎧裝聚氯乙烯電纜或不延燃橡套電纜；

②移動式或手持式電氣設備的電纜，采用專用的不延燃橡套電纜；

③開挖面的電纜必須采用銅芯。

（3）電纜的敷設應符合下列規定：

①電纜懸掛。懸掛點間的距離不大于3m。

②電纜不能與風、水管敷設在同一側，當受條件限制需敷設在同一側時，必須敷設在管子的上方，其間距大于0.3m。

③高、低壓電力電纜敷設在同一側時，其間距大于0.1m。高壓與高壓、低壓與低壓電纜間的距離不小于0.05m。

（4）電纜連接應符合下列要求：

①電纜與電氣設備連接，必須使用與電氣設備的防爆性能相符合的接線盒。電纜芯線必須使用齒形壓線板或線鼻子與電氣設備連接。

②在高瓦斯工區和瓦斯突出工區，電纜之間若采用接線盒連接時，其接線盒必須是防爆型的。高壓紙絕緣電纜接線盒內必須灌注絕緣充填物。

1.2.2 配電條的安全設計

（1）總配電屏設在配電房內，分配電箱安裝在用電設備或負荷相對集中的地方。分配電箱與開關箱的距離不得超過30米，開關箱與其控制的固定用電設備的水平距離不宜超過3米。

（2）配電箱、開關箱周圍應有足夠二人同時工作的空間和通道，不得堆放任何妨礙操作、維修的物品。

（3）配電箱、開關箱應采用優質絕緣材料制作，安裝應端正牢固，箱底面與地面的距離在1.2～1.5米之間。

（4）箱內工作零線應通過接線端子板連接，并應與保護零線接線端子分設，箱體的金屬外殼應做保護接零，保護零線必須通過接線端子連接。

（5）配電箱、開關箱必須防雨、防塵。導線的進線口和出線口應設在箱體的下底面，并要求上部為電源端，嚴禁設在箱體的上頂面、側面、后面或箱門處。進出線就回護套分路成束并做防水彎，導線束不得與箱體進出口直接接觸。

1.2.3 接地了防雷設計

（1）在施工現場專用的中性點直接接地的電力線路中，必須采用接零保護，電氣設備的金屬外殼必須與專用保護零線連接。

（2）保護接零不得裝設開關或熔斷器，保護零線應單獨設置，不作他用。

（3）保護零線統一標志為綠/黃雙色，在任何情況下不得使用綠/黃雙色作為負荷線。

（4）施工現場的用電設備，處于經過現場上空高壓架空電力線的屏蔽范圍內，不單獨設避雷裝置。若出現用電設備在該屏蔽范圍之外，應安裝避雷設施。避雷針長度為1～2米，可用φ16圓鋼端部磨尖。

2 瓦斯隧道施工方案

2.1 隧道穿越含煤層層位探測

煤層層位探測方法可與超前探測結合。如果隧道所處區域含煤性較差，基本不含真厚度0.5m以上的可采煤層。當隧道超前預探到煤層且煤層厚度（含局部）大于等于0.3m時，則該煤層視為具有煤與瓦斯突出危險，揭開煤層按照揭穿突出煤層施工要求。如果煤層厚度小于0.3m，則保直接采取振動爆破揭開煤層。

打鉆過程中出現頂鉆、夾鉆、卡鉆、噴孔等瓦斯動力現象，或煤層賦存條件急劇變化、構造破壞帶，或有明顯突出危險預兆，視為揭穿突出煤層。

2.2 隧道開挖及初支施工方案

隧道通過煤層瓦斯的原則：短進尺，弱爆破，強支護，勤監測，加強通風，快噴錨。

2.2.1 短進尺

隧道通過煤層地區，因煤層有瓦斯溢出，圍巖軟弱，應力較大。每次開挖進尺控制在2m以內，采用上、下微臺階開挖，臺階長度控制在5m內。保證每次開挖面積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護。

2.2.2 強支護

在可能的情況下，盡量將支護加強。或者加強初期支護，或者加強二次襯砌，形成“加固圍巖，改善變形，先柔后剛，先放后抗，變形留夠，底部加強”的支護原則。

2.2.3 勤檢測

采用“雙保險”監測措施。即建立遙控自動化監測系統與人工現場監測相結合。

2.2.4 弱爆破

采用低爆力部分露煤震動放炮方案。施工期間，保證連續通風，在特殊情況下停風時，同時停止工作，撤出人員，切斷一切電源，恢復通風前首先檢查瓦斯深度。

2.2.5 快噴錨

由于煤層軟弱松散，爆破后往往產生坍塌冒頂，因此必須設置超前支護。超前支護采用φ42注漿小導管，爆破過后，待允許進洞時，立即站在碴堆上施工初噴混凝土，系統錨桿采用藥卷錨桿。

過煤段的支護施工程序：導管超前→預注漿→開挖（揭煤）→初噴混凝土→掛網→設鋼架→系統錨桿→復噴混凝土到設計厚度→圍巖監控量測→二次襯砌→封閉瓦斯。在軟弱破碎巖層或煤層中掘進，采用超前支護及預注漿，防止崩塌引起突出。爆破后及時噴錨支護，及時封閉瓦斯。

2.3 初期支護及二次襯砌防瓦斯措施

（1）過煤段的支護施工程序：導管超前→預注漿→開挖（揭煤→）初噴混凝土→掛網→設格柵鋼架→系統錨桿→復噴混凝土到設計厚→度圍巖監控量測→二次襯砌→封閉瓦斯。在軟弱破碎層或煤層中掘進，采用超前支護或預注漿，防止崩塌引起突出。爆破后及時噴錨支護，及時封閉瓦斯。

（2）對開挖的隧道分段及時進行二次襯砌，混凝土采用氣密性混凝土，達到防止泄漏的目的。瓦斯隧道的襯砌結構有防瓦斯措施，其措施嚴格按照設計及規范要求執行。確定防瓦斯處理范圍時，瓦斯較重、等級較高地段向瓦斯較輕、等級較低地段適當延長。仰拱與隧道邊墻同步施工，保證拱、墻、仰拱初期支護和二次襯砌形成閉合整體。

（3）含瓦斯地段的噴射混凝土厚度不小于15cm，砌筑混凝土襯砌厚度不小于40cm。

（4）外掛封閉防瓦斯地段有地下水時，采取在左右邊墻下部外側鋪設縱向透水管，將地下水引離含瓦斯地段的排水措施。透水管終點設置氣水分離裝置，分離出的瓦斯氣體可用管道引出洞外在高處放散。

（5）從隧道內引出瓦斯的金屬管，其上端管口距地面不小于10m，并妥善接地，防止雷擊。瓦斯放空管的接地電阻不得大于5Ω，其周圍20m內禁止有明火火源及易燃易爆物品。

（6）當隧道內含瓦斯地段較長且初始瓦斯壓力大于0.74MPa時，在襯砌背后預埋通向大氣的降壓管；煤系地層設防段的二次模注襯砌措施預留注漿孔，襯砌完成后及時注漿，充填空隙以封閉瓦斯。

3 瓦斯隧道的施工管理

3.1 健全管理制度

隧道瓦斯管理制度的主要內容包括：健全專業機構，配中檢查人員，定期培訓和不斷提高專業人員技術素質的規定，各級領導和檢查人員（包括瓦斯檢查員）區域分工巡回檢查匯報制度、交接班制度，項目經理、總工程師抽檢瓦斯日報的規定，塌方區有關瓦斯管理的規定，爆破與隧道貫通時的瓦斯管理規定，隧道瓦斯排放的有關規定有瓦斯監控裝備的使用、管理的有關規定；隧道瓦斯抽放、防止煤與瓦斯突出的規定、進洞管理制度（進洞等級及掛牌、翻牌制度）。

3.2 塌方區的瓦斯管理

塌方區是保存大量高濃度瓦斯的主要場所，將作為隧道瓦斯管理工作的重點工作嚴格管理。

（1）在隧道施工中盡量避免出現任何形式的塌方。如發生塌方，及時進行充填。施工時進行瓦斯檢測，如果瓦斯超限，需制定專項措施進行瓦斯排放，將瓦斯濃度降到規定值以下后才能進行坍腔處治。

（2）隧道保持24小時連續通風，如因臨時停電或其他原因，局部通風停止運轉，要立即切斷隧道內一切電氣設備的電源（安設風電閉鎖裝置可自動斷電）和撤出所有人員，要在隧道口設置柵欄，并掛有明顯警標，嚴禁人員入內。

結束語：綜上所述，在進行鐵路瓦斯隧道施工前，一定要根據其特點進行科學合理的安全設計，并做好施工方案與施工管理，通過這種方式來確保施工工程的安全性和可靠性。

參考文獻：

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