鐵路瓦斯隧道若干技術問題的探討

鄭 偉 楊昌宇 朱 勇

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

據不完全統計，2000年前我國建成的鐵路瓦斯隧道19座，總延長73.532 km。從2000年至2018年，國內建成瓦斯隧道250余座，總延長約720 km，大大超過了2000年以前修建的瓦斯隧道總數。我國瓦斯隧道的設計、施工多參照煤礦系統的相關規范和做法，基本保證了施工安全，也積累了一些經驗，但在實際施工中也暴露出了一些問題，主要體現在施工工效低、施工成本高、管理成本高等方面，如瓦斯隧道各工區管理、火工品的選用、施工通風方式的選用、輔助坑道的設置及工后處理等。本文通過總結近年來瓦斯隧道的設計、施工經驗，深入分析鐵路瓦斯隧道與煤礦礦井的工程性質差別，并根據瓦斯隧道的工程特點對幾個技術標準問題進行探討，以期在不降低安全標準的條件下，讓鐵路瓦斯隧道的設計、施工更有針對性、高效率性和經濟性。

1 鐵路瓦斯隧道與煤礦礦井的差別

煤礦礦井以采煤為目的，整個礦井一般全部處于含瓦斯地層中，其服務年限較長，如設計生產能力 45～90萬t/a的礦井，其設計服務年限為50年。煤礦礦井巷道種類繁多，按其作用和服務范圍可分為開拓巷道、準備巷道、回采巷道等，空間上呈多層分布，存在的工作面數量多，且部分巷道為順煤層布置。煤礦礦井通風系統是瓦斯防治的重要保障手段，通風巷道類型眾多，通風網絡復雜?？傮w來說，煤礦礦井長時間、多層次、多采掘面的需要，使礦井巷道具有種類多、空間分布錯綜復雜、巷道之間互聯互通、作業工作面數量多、工作年限長等特點，煤礦礦井巷道如圖1所示。

圖1 煤礦礦井巷道示意圖1.平硐; 2.斜井; 3.立井; 4.井底車場; 5.石門; 6.主要運輸大巷; 7.煤層大巷; 8.上山巷道; 9.下山巷道; 10.區段回風巷; 11.風井; 12.區段運輸巷; 13.采煤工作面

鐵路隧道以穿越煤層為主，項目前期選線時，通過區域繞避、縱坡調整等手段，盡量避開煤系地層和煤層，當無法避免時，盡量以大角度、短距離快速穿越煤系地層。因此，鐵路隧道實際上往往只有部分段落位于煤系地層中，其余大部分段落都位于不含煤和瓦斯的地層中，鐵路隧道真正在含瓦斯地層中施工的時間和長度是有限的。鐵路隧道多為單洞隧道，少數為單洞帶平導或分修雙洞，巷道種類和分布較煤礦礦井巷道簡單且少，在含瓦斯地層中施工的作業面少，相互之間的影響也小，隧道施工通風系統相對簡單，風流途徑明確。

煤礦礦井和鐵路隧道在工程性質、工程時間、巷道分布、通風系統等方面均存在著較大差別，具體如表1所示。煤礦自建井開始，各工作面基本均處于瓦斯環境中，而鐵路瓦斯隧道則不一定，可能只是在局部瓦斯地層段落中施工時才處于瓦斯環境中。

表1 煤礦礦井與鐵路隧道對比表

由此可見，鐵路瓦斯隧道通過含瓦斯地層時，其施工與煤礦礦井施工具有相似性，可借鑒煤礦系統做法；但在非瓦斯地層施工時，是否也按瓦斯地層的施工的要求來辦理，就需要進一步探討了。只有根據鐵路瓦斯隧道和煤礦礦井的差別，并結合鐵路隧道本身的特點，才能使采用的技術措施更具有科學性、合理性、針對性和經濟性。

2 瓦斯工區區段劃分

1994年前，鐵路隧道設計施工多參照煤礦行業的做法，整個隧道為瓦斯隧道，且未對隧道進行瓦斯工區和非瓦斯工區劃分。

1994年頒布實施的《鐵路瓦斯隧道技術暫行規定》對隧道各工區進行了劃分，并明確規定：“瓦斯隧道設計時，應根據地質勘測資料，結合工點具體情況，合理劃分工區。凡勘探取樣有瓦斯含量的工區為含瓦斯工區，無瓦斯含量的工區為不含瓦斯工區”，但并未對瓦斯工區進行分級。

2002年頒布的《鐵路瓦斯隧道技術規范》就瓦斯隧道工區分級作出了明確的規定：瓦斯隧道工區分為非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區、瓦斯突出工區共四類。

從鐵路瓦斯隧道技術發展歷程來看，在充分學習借鑒煤礦行業技術基礎上，總結眾多鐵路瓦斯隧道修建經驗，對瓦斯隧道的認識逐漸提升，才有了從瓦斯隧道到瓦斯工區再到不同等級瓦斯工區的逐步認識。但隨著我國鐵路建設的快速發展，單個瓦斯工區長度的不斷加長，單一工區中煤系地層局部出現的情況越來越多，整個工區按煤系地層的瓦斯等級來進行設計及施工，不區分瓦斯地段和非瓦斯地段是極不合理的，既加大了工程投入，減緩了施工進度，也沒有凸顯含瓦斯重點段落的安全性和重要性。

因此，根據瓦斯地層分布情況、瓦斯等級、非瓦斯地層與瓦斯地層的關系把瓦斯工區劃分為若干區段是很有必要的，也是更接近工程實踐的一種體現。通過區段劃分，對各區段的施工過程管理、設備配置、工法及炸藥等進行區別化處理，也體現了精細化設計、施工和管理的理念。

瓦斯區段在施工中是一個動態調整的過程，如圖2所示。工區在進入第一個瓦斯區段前可按非瓦斯區段進行管理，作業機械設備可采用非防爆型，炸藥可采用普通巖石乳化炸藥；進入瓦斯區段后則按瓦斯區段進行管理，根據瓦斯區段等級采用相應的作業機械設備和火工品；在施工通過所有瓦斯區段后，對已施工段瓦斯封閉效果進行檢驗，回風流中無瓦斯或瓦斯濃度很低時，后續段落可按非瓦斯區段進行管理，采用相應的作業機械設備和火工品。瓦斯區段的范圍要結合既有地質資料及施工期中的超前地質預報結果適時進行調整。成貴、渝黔等多個鐵路項目瓦斯隧道的施工經驗證明，在確保持續通風、瓦斯監測等條件下，瓦斯工區中非瓦斯地段的施工機械、鉆爆作業按普通隧道實施是可行的，在保障安全的同時，施工工效也得到了提高。

圖2 瓦斯工區區段劃分示意圖

3 炸藥類型選用

瓦斯爆炸是熱—鏈式反應，瓦斯在空氣中遇火引起爆炸的濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸界限為5%～16%，瓦斯濃度為9.5%時，由于瓦斯與氧氣完全反應使其爆炸威力最大。瓦斯爆炸界限可因熱源溫度、壓力以及煤塵、其他可燃氣體、惰性氣體的混入而改變。如在強火源中，其爆炸界限為2%～75%，最佳爆炸濃度為0.85%～10%。除瓦斯濃度、引火溫度、氧氣濃度外，瓦斯爆炸的另一必要條件是加熱時間大于反應開始至發火的感應時間。瓦斯爆炸的感應時間與壓力、加熱溫度成反比，與瓦斯濃度成正比。一般炸藥爆破后可達 4 500°高溫，但只要其作用時間(一般為1×10-6～1×10-2s)不超過感應時間就不會引起瓦斯爆炸。因此，瓦斯環境下應盡量縮短瓦斯被加熱的時間，控制爆溫和爆熱。

按TB 10120-2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》第5.0.3條：“瓦斯工區的爆破作業必須采用煤礦許用炸藥”。多年來鐵路瓦斯隧道設計施工均按此要求進行。煤礦許用炸藥較普通巖石乳化炸藥在猛度和爆力方面都存在一定的差異(如表2所示)，在相同爆破方式和爆破效果時，采用煤礦許用炸藥的消耗量將是普通炸藥的1.33倍，且煤礦許用炸藥價格又較普通乳化炸藥高約280元/t，因此造成了瓦斯工區施工成本的增加和極大的浪費。

表2 煤礦許用炸藥與普通乳化炸藥性能對比表

考慮到鐵路隧道和礦井的本質差別，并綜合瓦斯爆炸的必要條件，鐵路瓦斯隧道在施工中，可根據不同的區段選用經濟、安全的炸藥類型。非瓦斯區段不具備瓦斯爆炸的必要條件，因此可采用更為經濟的普通巖石乳化炸藥。但必須做好兩個方面的工作，一是超前地質預報工作，探明工作面前方地層中是否含有瓦斯；二是做好瓦斯監測和通風工作，保證開挖面附近瓦斯濃度低于0.5%。對于瓦斯區段，在瓦斯環境下爆破關鍵是控制爆溫和爆熱，采用煤礦許用炸藥爆破后，氧平衡接近于0，無灼熱固體產物，爆炸反應完全，爆溫和爆熱均能較好地受到限制。目前，降低爆溫、爆熱除采用煤礦許用炸藥外，還可通過改變封泥材料的方式(如采用水炮泥)來實現。某工程試驗實際效果表明，采用水炮泥可降低爆溫、縮短爆炸火焰延續時間，減少引爆瓦斯的可能，并能降塵和減少有害氣體。Ⅱ級圍巖中水壓爆破單位炸藥消耗減少0.08 kg/m3，降低16%；炮眼利用率提高8%，實際進尺增加、爆渣塊度減小、拋距縮短、通風時間縮短，煤塵濃度減低50%，CO2、NO2含量分別減少35%、45%，每方節約1.97元。因此采用水炮泥替代煤礦許用炸藥具有一定的可行性，但需進一步對相關標準及可靠性進行論證。

4 施工通風

對瓦斯隧道而言，瓦斯監測和施工通風是保障安全的根本，將洞內瓦斯濃度稀釋至0.5%以下是基本要求。一直以來，高瓦斯隧道不論隧道長短均要求采用巷道式通風，一方面需增設(或利用)平導，增大了工程量，另一方面平導本身也有可能穿越煤系地層，增加了風險因素。實際上不管是壓入式通風還是巷道式通風，對于開挖工作面來說其通風是一樣的，新鮮風通過風管壓入送至開挖面以稀釋瓦斯，風量的保證更大程度上取決于通風的長度和風管的百米漏風率。

除與常規隧道施工相同，按工作人數、最小風速、爆破排煙、洞內作業機械分別計算需風量外，瓦斯隧道還需考慮稀釋涌出瓦斯所需的風量，并取其中最大值；通過計算采用壓入式通風時，各不同斷面非瓦斯隧道按Ⅱ級圍巖全斷面、Ⅳ級圍巖臺階法施工時所需的最大風量，并按此風量反算能稀釋到0.5%濃度以下的絕對瓦斯涌出量。長2 000 m的單雙線隧道壓入式通風量，如表3所示。

表3 L=2 000 m的單雙線隧道壓入式通風量表

由表3可知，絕對瓦斯涌出量不是所需風量的控制因素，大多數情況下，洞內施工作業的機械廢氣為需風量控制因素，當一次開挖斷面較大時候，爆破排煙需風量為控制因素。對于絕對瓦斯涌出量小于 5 m3/min的高瓦斯工區，通風長度小于 2 000 m時，按常規隧道施工所需的風量均能將瓦斯濃度稀釋到0.5%以下，故可采用獨頭壓入式通風。此時風管百米漏風率為1%。理論上，風管百米漏風率越小，保證通風效果的獨頭壓入式通風的距離越長。但現實情況中，受風管材料、風管接縫質量、風管破損、施工管理等因素的影響，風管漏風風量損失嚴重，開挖面實際風量與理論計算風量出入較大。而采用巷道式通風可大幅縮短風管長度，減少漏風，更能保證開挖面所需風量?，F場調研結果表明，獨頭壓入式通風長度在 2 500 m以下時，能保證洞內風量，確保施工環境良好。因此對瓦斯隧道而言，通風長度小于 2 000 m時，采用壓入式通風是可行的。不論是壓入式通風還是巷道式通風，減少風管接縫、保證接縫質量、避免破損、加強施工管理，從而降低風管百米漏風率均是保證施工通風的關鍵。

5 輔助坑道工后處理

瓦斯隧道的輔助坑道首先應避免穿越煤系地層，以減少瓦斯工區的數量。當不可避免時，輔助坑道洞身穿越煤系地層段施工期間的瓦斯防治措施(包括瓦斯檢測和通風)一般與正洞相同。TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》中對輔助坑道的瓦斯封閉和設防措施均有相應的規定：“高瓦斯、煤與瓦斯突出區段應設置復合式襯砌”、“運營期間予以利用的輔助坑道，瓦斯地段設防標準應與正洞一致”。

輔助坑道按工后功能分為予以利用和不予以利用兩種，不予以利用的輔助坑道應按規范要求進行封堵；予以利用的輔助坑道應按規范要求配備運營維修管理所需的瓦斯檢測儀表和通風設備。

運營期間作為防災疏散救援的輔助坑道，與正洞間設置有防護門。通常情況下防護門是關閉的，當交叉口為高端時，瓦斯易聚集在交叉口段，一旦瓦斯濃度超標時，需通過輔助坑道內設置的固定通風設備進行通風，同時開啟防護門，將交叉口聚集的瓦斯吹散或稀釋。因此，作為防災疏散救援的輔助坑道首先應選擇不通過含瓦斯地層，當不可避免時，宜優先選擇瓦斯不易聚集，有自然排放條件的斜井。

運營期間作為排水通道的輔助坑道，一般為平導或者橫洞，此時輔助坑道與正洞交叉口均為高端，若對交叉口段進行全封堵，則易形成瓦斯易聚集區。針對這類問題可采用以下解決辦法：①交叉口段不封堵，輔助坑洞與正洞連通，瓦斯地段設防標準與正洞一致。輔助坑道本身工后瓦斯的逸出量少，從輔助坑道進入正洞的瓦斯非常有限，加之正洞與輔助坑道連通，列車的活塞風作用也可對正洞及輔助坑道內的瓦斯進行稀釋；②當輔助坑道交叉口段附近有設置豎井條件時，為防止輔助坑道內瓦斯進入正洞，可將交叉口進行封堵，并于輔助坑道內設置通風豎井，形成瓦斯自然排放通道，通風豎井如圖3所示。③若無設置通風豎井條件，又不允許輔助坑道內瓦斯進入正洞，則應對交叉口進行封堵，在輔助坑道內設置通風系統，通過固定通風管路壓入新鮮風將交叉口段聚集的瓦斯吹散稀釋，管理通風如圖4所示。實際運用中可根據工后輔助坑道瓦斯逸出量、地形條件、通風條件進行綜合比選。

圖3 通風豎井示意圖

圖4 管路通風示意圖

6 運營通風

鐵路瓦斯隧道運營通風如何設置是一個長期困擾設計人員的問題，設計根據開挖面爆落煤塊瓦斯涌出量Q1、新爆落煤壁瓦斯涌出量Q2和噴混凝土地段洞壁瓦斯涌出量Q3之和，即絕對瓦斯涌出量Q絕來確定瓦斯隧道等級；施工時根據實測回風流的風速和瓦斯濃度來計算絕對瓦斯涌出量。隧道建成后瓦斯涌入主要考慮三個方面的因素，一是建筑材料本身在實驗室試件和現場實際施工時的性能指標差異；二是瓦斯封閉系統長時間在軟弱圍巖條件下工作，結構劣化后瓦斯沿二襯裂縫、瓦斯引排管路等涌入；三是施工質量問題致使瓦斯從結構縫處等薄弱環節涌入。

規范要求運營期間，瓦斯濃度在任何時間、任何地點都不得大于0.5%，這比煤礦系統要求的1%濃度更為嚴格。TB 10120-2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》沒有明確什么條件下設置運營通風，只要求當隧道內瓦斯濃度達到0.4%時，必須啟動風機進行通風，言下之意是所有瓦斯隧道均要設置運營通風系統，當濃度超標時則應啟動通風系統，這是極不經濟合理的。TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》第6.1.3條規定：“瓦斯突出隧道應設置運營機械通風，其余瓦斯隧道應根據線路條件、自然環境、瓦斯封閉效果、運營維護模式等綜合確定”。此規定更加合理，更符合現場實際情況。運營期間瓦斯隧道內的瓦斯濃度是由多因素決定的，瓦斯隧道的運營通風應考慮隧道長度、線路坡度和洞口高差、隧道內瓦斯區段位置分布、瓦斯區段長度和瓦斯等級、建設期間的瓦斯封閉效果、輔助坑道設置情況、營維護模式等主要因素。但各種因素到底有多大影響，很難進行定量分析的，可通過對各因素進行等級劃分，并按一定的權重，采用綜合得分的方式來評判瓦斯隧道在運營期間設置通風系統的必要性。另外還可在隧道建成后，通過實測洞內瓦斯濃度，并考慮一定的劣化影響因素來評判是否設置運營通風系統。如成貴鐵路隧道建成后，曾委托第三方進行洞內瓦斯檢測，全線所有隧道在拱頂以下25 cm處均未檢測到瓦斯，濃度為0，僅在個別隧道的幾處施工縫貼近二襯內緣處檢測到有瓦斯溢出。這說明：①瓦斯隔離層和二次襯砌對瓦斯封閉有效；②隧道建成后洞內環境不利于瓦斯聚集，很多隧道建成后洞內自然風速可達1～2 m/s。因此，瓦斯隧道運營通風問題仍需進一步開展研究，以達到既保證安全又不浪費投資的目的。

7 結論

本文通過對比分析煤礦礦井與鐵路瓦斯隧道的差異，對瓦斯隧道的幾個關鍵技術問題進行分析，得出以下結論：

(1)鐵路瓦斯隧道與煤礦礦井存在巨大差異，可在借鑒煤礦行業瓦斯防治技術的基礎上，結合鐵路本身特點，形成一套安全、經濟、合理的瓦斯隧道設計、施工技術體系。

(2)瓦斯隧道分區段進行管理是鐵路瓦斯隧道技術進步的體現，也是精細化設計施工的體現，對瓦斯防治指明了重點段落，設計施工更有針對性，施工中根據超前地質預報成果進行動態調整。

(3)瓦斯隧道壓入式通風距離控制在 2 500 m是可行的，風管長度和風管百米漏風率是確保通風效果的關鍵，當通風距離過長時，可采用巷道式通風縮短風管長度，減少漏風率。

(4)瓦斯隧道非瓦斯區段采用普通巖石乳化炸藥是可行的， 但應在超前地質預報探明開挖面前方地層中不含瓦斯或瓦斯濃度小于0.5%，并保證作業區段通風效果的條件下實施。采用水炮泥替代煤礦許用炸藥基本可行，但還需進一步完善相關標準。

(5)運營期間作為防災疏散的輔助坑道宜盡量選取洞口為高端的輔助坑道，作為排水通道的輔助坑道結合工后瓦斯檢測情況可選擇交叉口不封堵、封堵設置通風豎井、封堵設置洞內管路通風系統等方式。

(6)瓦斯隧道運營通風的設置標準還需通過對各影響因素的深入分析來綜合確定。