高速公路瓦斯隧道的施工安全控制

曹 優(yōu) 蘭

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

渝廣高速華鎣山隧道屬特長隧道，設(shè)計為雙洞六車道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長 5 018 m，右 線 (K23+467～K28+467) 全 長5 000 m，總體走向約298°，為雙向隧道，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8 m，寬度達12.5 m。隧道縱坡設(shè)計為“人”字坡，進口端為0.507%的上坡，出口端為1.993%的上坡。

隧道洞身圍巖為Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ類圍巖，其中IV、V類圍巖占隧道總長的75%，隧道穿越斷裂構(gòu)造、巖溶、巖溶水、煤層等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)地層，隧道中部為煤與瓦斯突出洞段，巖溶及巖溶水發(fā)育，隧道施工存在極大的安全風(fēng)險。

2 安全風(fēng)險分析

隧道施工通過高瓦斯工區(qū)時，易造成瓦斯局部富集，施工中可能發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸事故；在其通過煤層煤與瓦斯突出危險工區(qū)時，可能發(fā)生煤與瓦斯突出的事故；隧道通過自然煤層工區(qū)時，施工中易發(fā)生煤層自然、煤塵爆炸事故；同時，隧道通過溶隙和溶洞工區(qū)時，因溶隙和溶洞內(nèi)有天然氣積聚，施工中易造成瓦斯爆炸及H2S中毒等安全事故。

隧道施工通過高壓富水斷層帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、高壓富水充填性溶腔溶洞、煤礦采空區(qū)時可能會發(fā)生涌突水、突泥災(zāi)害事故。隧道施工通過軟巖、斷層破碎帶及其影響帶、采空區(qū)段時易發(fā)生變形塌方。

經(jīng)安全風(fēng)險評估，華鎣山隧道施工安全風(fēng)險為Ⅳ級(極高風(fēng)險)，因此，瓦斯安全控制對該隧道施工尤為關(guān)鍵。根據(jù)該工程的實際情況，從檢測預(yù)報、通風(fēng)供電、設(shè)備配置、施工方案等多方面采取了諸多安全控制措施，預(yù)防了安全事故的發(fā)生，為隧道順利施工提供了保障。

3 所采用的安全控制措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

本隧道施工設(shè)置了專業(yè)地質(zhì)預(yù)報組，以地質(zhì)素描法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達、地質(zhì)水平鉆探相結(jié)合的綜合手段對前方圍巖情況進行探測，對掌子面前方的隧道圍巖進行長期、中期及短期預(yù)報。通過長、中、短期預(yù)報提高了預(yù)報的準確度，對異常地質(zhì)情況及時采取了相應(yīng)的防治手段。

對于本隧道地質(zhì)情況較差段的每個開挖循環(huán)均進行了地質(zhì)素描，根據(jù)地質(zhì)素描對前方圍巖進行判斷。同時，采用TSP 超前預(yù)報，每次預(yù)測距離為100 m。根據(jù)預(yù)測的圍巖地質(zhì)情況，對TSP探測斷層、裂隙發(fā)育的洞段采用超前鉆孔進行重點探測。

采用超前鉆孔驗證物探探測的異常洞段。長距離鉆孔超前探測50 m，每30 m一循環(huán)，每孔長50 m；短距離鉆孔超前探測20～30 m，每25 m一循環(huán)，每孔長30 m。

為提高地質(zhì)預(yù)報的準確性，除采用上述方法進行地質(zhì)預(yù)報外，同時利用地質(zhì)雷達進行地質(zhì)超前預(yù)報。地質(zhì)雷達探測范圍在40 m以內(nèi)，是一種非破壞型的探測技術(shù)，具有抗電磁干擾能力強，分辨率高，可現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰、直觀的優(yōu)點。

3.2 隧道施工采用的通風(fēng)與供電

本隧道局部富集高瓦斯。施工階段在第一條車行橫通道貫通前，采用壓入式通風(fēng)；此后采用巷道式通風(fēng)。為防止局部瓦斯的聚集，各階段通風(fēng)均配置了防爆風(fēng)扇，以防止瓦斯的聚集。隧道內(nèi)的局扇采用設(shè)有低、中、高速度的防爆型風(fēng)機。施工通風(fēng)均采用不間斷連續(xù)通風(fēng)，通風(fēng)管采用抗靜電、阻燃軟風(fēng)管。掌子面至二襯臺車洞段采用移動式局扇配合軟風(fēng)管供風(fēng)，以增加瓦斯易聚集地段的風(fēng)速，防止瓦斯聚集。在施工過程中，及時接長風(fēng)管，風(fēng)管末端距工作面距離不應(yīng)超過15 m。

“我是一個技術(shù)工人，應(yīng)該在相應(yīng)的崗位上發(fā)揮所長。現(xiàn)在讓我到保潔崗位當個清潔工，工資還降低一半，我不能接受這樣的安排。”成銳問：“這次談話是通知，還是協(xié)商？如果是通知，我不接受公司的安排。如果是協(xié)商，我不同意公司的建議。”成銳認為，雙方這次協(xié)商未就崗位調(diào)整達成一致，所以，他就繼續(xù)在原崗位上班。

通風(fēng)量計算必須綜合考慮以下3方面因素并取最大值：洞內(nèi)同一時間最多人數(shù)、稀釋和排除炮煙所需風(fēng)量、消除頂層瓦斯積聚所需風(fēng)量。

瓦斯隧道的主供電配置了兩套電源，隧道內(nèi)采用雙電源線路。電纜采用礦用橡套阻燃防爆電纜并在電路中安裝了漏電保護裝置和防爆自動饋電開關(guān)。為保證隧道通風(fēng)、照明及監(jiān)測系統(tǒng)等一級負荷供電，當一路電源停止供電時，另一路電源應(yīng)在10 min內(nèi)接通。當設(shè)兩套電源有困難時，必須配置備用發(fā)電機，并安設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，瓦斯隧道施工洞內(nèi)的供電必須做到“三專”、“兩閉鎖”，即：專用變壓器、專用開關(guān)、專用供電線路以及瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r與供電的閉鎖及壓入式通風(fēng)的風(fēng)機與洞內(nèi)供電的閉鎖。因此，高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)洞內(nèi)的局部通風(fēng)機和電氣設(shè)備必須與瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行風(fēng)電、瓦電閉鎖，當局部通風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)時，應(yīng)能立即自動切斷局部通風(fēng)機供風(fēng)區(qū)段的一切電源。

為節(jié)約通風(fēng)供電成本，可由專業(yè)技術(shù)人員對現(xiàn)場通風(fēng)效果和瓦斯涌出狀況進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對通風(fēng)系統(tǒng)及時進行階段性調(diào)整，但必須保證洞內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀蕖?/p>

3.3 對暨有設(shè)備防爆性能的改裝

對于隧道高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)的電氣設(shè)備和作業(yè)機械應(yīng)使用防爆型。而防爆型機械設(shè)備多用于煤礦工程。對于高速公路工程，配置煤礦專用機械設(shè)備使用率偏低，不夠經(jīng)濟。因此，本工程針對瓦斯隧洞施工的特殊要求，對常規(guī)非防爆型機械設(shè)備進行了防爆改裝，對內(nèi)燃施工機械設(shè)備加配了車載式甲烷斷電(熄火)控制裝置。使用該裝置實時監(jiān)測其周圍環(huán)境空氣中的瓦斯?jié)舛龋敪h(huán)境瓦斯?jié)舛瘸^報警限值(0.3%CH4)時發(fā)出聲光報警；濃度超過斷電上限(0.5%CH4)后，控制裝置自動斷電熄火；只有當環(huán)境瓦斯?jié)舛冉档桨踩拗?0.3%CH4)以下時，內(nèi)燃施工機械設(shè)備方可再次啟動。

為節(jié)省施工成本，在保證正常通風(fēng)的條件下，若洞內(nèi)瓦斯?jié)舛壤^續(xù)下降或保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，非防爆的移動式機械設(shè)備也可進洞作業(yè)。

3.4 隧道爆破作業(yè)

隧道通過瓦斯段的開挖原則為：短進尺，弱爆破，強支護，勤監(jiān)測，強通風(fēng)，快噴錨。本工程施工時將每次開挖的進尺控制在2 m以內(nèi)，采用上、下微臺階開挖，臺階長度控制在5 m以內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)要求，瓦斯隧道的爆破作業(yè)應(yīng)采用煤礦許用炸藥和毫秒電雷管。煤礦許用炸藥加入了食鹽作消焰劑，能吸收熱量，降低爆炸氣體的溫度，進而削弱瓦斯與氧的連續(xù)反應(yīng)，安全性高。該雷管總延時時間不超過130 ms，從而使雷管延期小于瓦斯爆炸所需的感應(yīng)期，以保證其不會引燃、引爆瓦斯。

開挖中出現(xiàn)的情況表明：煤礦許用炸藥爆力和猛度只相當于一般巖石銨銻炸藥的80%，毫秒電雷管只能選用到5段，從而制約了公路隧道大斷面的施工進度。鑒于上述原因，在隧道開挖進尺過程中，當瓦斯?jié)舛仍?.3%時可不使用煤礦許用炸藥和毫秒電雷管。

3.5 揭煤防突及瓦斯排放

根據(jù)相關(guān)規(guī)定和實際施工經(jīng)驗，揭煤施工前應(yīng)打超前鉆孔和預(yù)測孔以探明煤層位置和瓦斯情況，進行煤與瓦斯突出危險性的預(yù)測。超前探孔可兼做炮眼，從而能節(jié)約成本，提高功效。

隧道開挖揭煤時宜采用臺階開挖。上導(dǎo)坑開挖時，掘進工作面至煤層約20 m遠，按規(guī)定應(yīng)打至少3個穿透煤層全厚的超前鉆孔，以推測煤層是否有畸變。若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎，則在隧道開挖輪廓線外5 m范圍內(nèi)布置一定數(shù)量的超前鉆孔，以確保能準確掌握煤層厚度、角度變化及瓦斯情況等。突出預(yù)測以鉆屑指標法為主，鉆孔瓦斯涌出初速度法為輔。隧道采用上、下導(dǎo)坑法開挖，突出預(yù)測孔主要控制上、下導(dǎo)坑斷面(預(yù)測孔直徑為50mm)。

當預(yù)測有突出危險時，必須采取具有針對性、便于實施的防突措施。防突采用多排鉆孔排放或抽放。鉆孔控制范圍為：隧道輪廓外上方7 m，左右兩側(cè)6 m，底部3 m。排放瓦斯順序為：上導(dǎo)坑打排放鉆孔(坑底距煤層不小于5 m)→排放瓦斯15 d→揭煤穿過煤層→下導(dǎo)坑打超前鉆孔及預(yù)測孔。當判定有突出性危險時→由下導(dǎo)坑底順煤層打扇形排放鉆孔→排放瓦斯15 d→下導(dǎo)坑揭煤穿過煤層。瓦斯排放時，所有洞內(nèi)掘進施工應(yīng)停止。

3.6 突泥、涌水及塌方的預(yù)防

隧道在通過巖溶水、地下水發(fā)育的軟弱破碎圍巖及斷層地段工區(qū)時，應(yīng)加強超前水文、地質(zhì)探測預(yù)報，提前預(yù)知前方圍巖的地質(zhì)情況，預(yù)測并判斷其是否具有突泥、涌水的可能，防止災(zāi)害事故的發(fā)生。對于設(shè)計有超前地質(zhì)鉆探預(yù)報方案時，按設(shè)計方案進行施工；設(shè)計無超前地質(zhì)預(yù)報時，可采取超長鉆孔(鉆孔長度為5 m以上)，以探知前方圍巖地質(zhì)情況。

超前探測有突泥、涌水可能時，現(xiàn)場應(yīng)果斷采取處理措施。施工中常采取“以引排為主，堵水為輔”的排水方案。對于可能有突泥、涌水的洞段，可采用鉆孔、小導(dǎo)坑方式進行應(yīng)力釋放；對危險程度較高的地段，可采用設(shè)止?jié){墻封堵、迂回導(dǎo)坑通過等技術(shù)方案。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有突泥、涌水或塌方先兆且極其危險時，必須立即停止施工，組織人員、機械迅速撤離危險區(qū)域。緊急情況下，必須優(yōu)先組織人員撤離。

4 結(jié) 語

瓦斯隧道防爆、防突、防塌為安全施工的核心問題。為防止災(zāi)害事故發(fā)生，必須認真做好超前地質(zhì)預(yù)報、施工通風(fēng)及相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案，確保安全方面的資源投入不打折扣。因瓦斯隧道施工的安全問題也是世界級難題，需要更多的工程人士和學(xué)者致力于施工安全控制研究，早日研討出行之有效的方法，既可保障安全施工，又能節(jié)約施工成本。

參考文獻：

[1] 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范，TB10120-2002[S].

作者簡介:

曹優(yōu)蘭(1980-)，女，四川廣安人，工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作.