公路隧道瓦斯工區分級指標研究

楊本偉 馮 森 鄭恩樹 江中勇 趙天偉 劉金興

(1.中鐵建重慶投資集團有限公司，重慶 400700; 2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；3.重慶鐵發建新高速公路有限公司,重慶 404100； 4.中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400010)

1 公路瓦斯隧道發展狀況

隨著國民經濟快速發展，隧道建設面臨的地質情況更加復雜多變，隧道建設規模越來越大，不同等級公路在選線時，需要考慮多方面的因素，常優選隧道方案，既有利于線路布局，又保護生態環境。同時我國山地眾多且地形地貌復雜多變，在進行公路隧道選線時，雖然盡可能避免穿越瓦斯地層，但往往代價巨大，有時不得不穿越含瓦斯地層[1-3]。因而在公路隧道建設中，必然會遇到瓦斯隧道的勘察、設計、施工以及運營管理等問題。隨著我國隧道施工技術水平的大力發展，瓦斯隧道修建逐漸向特長、深埋、大跨度等方向發展[5]。據有關數據表明[6-12]，截至2010年，我國已建及在建的瓦斯隧道共計94座。瓦斯隧道按照埋深及長度進行分類，如圖1，圖2所示。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

目前國外對于公路瓦斯隧道分級指標的研究較少。大多數國家對于瓦斯工區分級僅參照煤礦瓦斯作業規范及標準進行評判，沒有形成系統的公路隧道瓦斯工區分級標準，同時對于瓦斯工區分級也存在許多局限性。其中國外幾個主要國家對于瓦斯分級所采用的指標如下[13-17]：

1)原蘇聯、波蘭、德國、印度等國家僅采用噸煤瓦斯含量(即相對瓦斯涌出量)作為瓦斯等級劃分指標；

2)日本把回風流中的瓦斯濃度作為礦井瓦斯等級的劃分指標，將瓦斯等級分為甲種瓦斯和乙種瓦斯，其實質是把通風管理因素引入礦井瓦斯等級劃分標準；

3)英國、澳大利亞等國家均無明確的礦井瓦斯等級劃分標準，根據相關工程經驗對瓦斯等級進行判斷[2];

4)美國一般對于礦井瓦斯的開采較少，對于瓦斯的治理成本的投資也比較保守，不愿承擔一定的風險，因此認為所有煤層皆為瓦斯煤層。

實際施工過程中，隧道發生瓦斯災害事故的主要原因是由于隧道穿越煤系地層的地質情況比較復雜，在煤系地層中一般巖層受到構造作用的影響較大，且煤化程度也較高，使得巖層完整性較差，爆破作業對周圍巖層會產生較大的擾動，進而使得煤巖裂隙結構發生巨大的變化，從而出現賦存在煤巖內的瓦斯氣體從內向外以一定的規律發生移動和擴散，移動和積聚的瓦斯在明火和充足的氧氣條件下導致災害事故的發生。因此對于大斷面瓦斯隧道建設，隧道圍巖中瓦斯滲流、分布及擴散規律對于隧道瓦斯災害防治的研究，具有非常重要的理論意義。國外幾個主要國家對礦井瓦斯等級的劃分標準均不同，具體劃分指標見表1。

表1 國外礦井瓦斯等級劃分標準

2.2 國內研究現狀

我國公路瓦斯隧道建設參照瓦斯礦井掘進作業相關規范以及《鐵路瓦斯隧道技術規范》進行瓦斯分級設計，基于瓦斯隧道分級標準采取相應的瓦斯災害防治措施。我國礦井瓦斯等級劃分共經歷三個階段(如表2所示)。

表2 我國礦井瓦斯等級劃分標準

在1980年以前，借鑒原蘇聯的劃分指標，以相對瓦斯涌出量(即噸煤瓦斯涌出量)作為分級標準，將礦井瓦斯等級劃分為Ⅰ級瓦斯礦井、Ⅱ級瓦斯礦井、Ⅲ級瓦斯礦井和超級瓦斯礦井；1980年—2001年間，根據《煤礦安全規程》在已有分級標準的基礎上，將Ⅰ級瓦斯礦井和Ⅱ級瓦斯礦井合并為低瓦斯礦井，Ⅲ級瓦斯礦井和超級瓦斯礦井合并為高瓦斯礦井，有突出情況即為煤與瓦斯突出礦井。2001年至今，在進行礦井開采中發現僅采用相對瓦斯涌出量作為分級標準時，在礦井生產中面臨許多問題，造成通風設計不能滿足生產需要。故提出采用礦井相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量一起作為礦井瓦斯等級劃分標準。

3 公路隧道分級指標

3.1 瓦斯隧道等級定義

公路隧道瓦斯工區定義是在瓦斯隧道掘進過程中，隧道施工區段內檢測有瓦斯時，則洞口至開挖掌子面這一區間為瓦斯工區，瓦斯工區的類別劃分指標由絕對瓦斯涌出量決定。瓦斯隧道在進行施工作業時，隨著掌子面的推進，在一個施工區段內可能一次或多次穿越瓦斯地層，因此瓦斯工區與非瓦斯工區是一個動態變化的過程(如圖3所示)。同時在進行隧道施工時應根據隧道瓦斯工區的類別進行相應的施工組織設計，并采用配套的施工機械與設備。同時瓦斯隧道施工過程中應該時刻對瓦斯工區內回風流瓦斯濃度進行監測，實現隧道瓦斯工區動態管理。

3.2 勘察期瓦斯涌出量的計算方法

勘察期瓦斯涌出量為掘進隧道煤壁瓦斯涌出量Q1與掘進隧道落煤的瓦斯涌出量Q2兩者之和。即勘察期瓦斯涌出量的計算如式(1)所示。

Q絕=Q1+Q2

(1)

掘進隧道煤壁瓦斯涌出量Q1：

Q1=D·v·q0[2(L/v)1/2-1]

(2)

其中，Q1掘進隧道煤壁瓦斯涌出量,m3/min；D為隧道斷面內暴露煤壁面的周邊長度，m；v為隧道平均掘進速度,m/min；L為未施作噴射混凝土段隧道長度,m；q0為煤壁瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)，無實測值可參考式(3)計算。

q0=0.026[0.000 4(Vad)2+0.16]W0

(3)

其中，q0為煤壁瓦斯涌出初速度,m3/(m2·min)；Vad為煤中揮發分含量,%；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。落煤的瓦斯涌出量Q2采用式(4)計算：

Q2=S·v·ρ·(W0-WC)

(4)

其中，Q2為落煤的瓦斯涌出量,m3/min；S為掘進隧道斷面面積,m2；ρ為煤的密度,t/m3；WC為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量,m3/t，如無實測值可按表3選取或計算。

表3 純煤的殘存瓦斯含量取值表

3.3 施工階段瓦斯工區分級指標確定

瓦斯隧道采用絕對瓦斯涌出量作為分級指標劃分瓦斯工區等級，對于瓦斯隧道中通風風速及瓦斯濃度的規定是有一定要求的，常采用最小通風風速和最高瓦斯濃度作為不同等級瓦斯工區分級指標控制值，如表4所示。

表4 瓦斯工區任一處風速及濃度判定指標

根據《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南(試行)》《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南(試行)》[3，4]，公路隧道等級按照瓦斯工區的最高等級確定，瓦斯工區分級指標根據絕對瓦斯涌出量可劃分為非瓦斯工區、微瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區四級。公路隧道瓦斯工區以絕對瓦斯涌出量作為分級指標，其計算公式如式(5)所示。

(5)

其中，QCH4為絕對瓦斯涌出量,m3/min；QS為隧道回風流內通風量,m3/min；ω為允許的最高瓦斯濃度(微瓦斯取0.25%，低瓦斯取0.5%);α為瓦斯涌出的不均衡系數，取1.5～2.0；撫順煤炭研究分院建議取1.6，兩車道公路隧道取1.5，三車道公路隧道取2.0；v為隧道回風流內最低風速(微瓦斯取0.15 m/s，低瓦斯取0.25 m/s);A為隧道回風流斷面面積(兩車道取70 m2，三車道取105 m2)；K為安全系數，一般取2。

根據式(5)可以計算得到公路隧道不同瓦斯工區等級指標的分界值[5]，如表5所示。對于不同等級的瓦斯工區需要結合實際情況進行相應的機械設備與電氣化設施的改裝，使其滿足瓦斯隧道施工作業要求等。

表5 公路隧道瓦斯工區等級判定指標

3.4 穩定回風流瓦斯濃度監測

對于瓦斯隧道而言，瓦斯濃度的監測是不可或缺的，在施工過程中需要時刻監測瓦斯濃度是否超限，一旦發現瓦斯濃度有超限的情況，需要及時采取措施來降低瓦斯濃度。對于不同瓦斯等級的瓦斯隧道采取的瓦斯監測方法不同，對于微瓦斯隧道常采用人工檢測的方式進行瓦斯檢測，對于低瓦斯隧道宜采用人工檢測與自動化監測相結合的方式，對于高瓦斯隧道瓦斯檢測的要求比較嚴格，必須采用人工檢測與自動化監測相結合的方式。瓦斯隧道建設中，瓦斯濃度的檢測工作需要制定一定的實施方案，同時在檢測前需要對相應的檢測設備進行鑒定，以確保在檢測過程中能夠正常開展檢測工作，使得檢測的數據更加真實合理，瓦斯人工檢測工作開展流程如圖4所示。

4 瓦斯隧道濃度現場檢測

4.1 工程概況

石柱至黔江高速路七曜山隧道進口位于重慶市石柱縣三匯鄉苦草壩境內(高龍洞煤礦北側坡腳)，出口位于重慶市石柱縣龍潭鄉楊家河壩境內。全長5 400 m，隧道最大埋深約661 m，屬特長隧道。隧址區主要屬渝東南七耀山強巖溶化溶蝕構造中低山地貌，東接鄂西山地，西北隅向盆地過渡，以北東向山脈與縱向河谷相間，由于碳酸鹽巖分布較廣，巖溶發育。隧道穿越煤系地層，距洞頂200 m以上的位置處有遺留的采空區巷道，掘進巷道高于隧道洞頂45 m以上，但尚未到達煤層、未進行煤礦開采。因洞頂圍巖距離巷道厚度較小，礦坑滲水可能對隧道存在一定影響。

4.2 數據處理及分析

對七曜山隧道施工過程進行瓦斯濃度，采用光干涉儀與風速計分別對隧道工區內瓦斯濃度與通風風速進行檢測，并配有便攜式瓦斯濃度報警器時刻監測瓦斯濃度是否超限。對于瓦斯檢測斷面位置的選擇常結合隧道通風方式及施工工藝進行綜合考慮，一般測定斷面布置位置在距離通風風筒出風口20 m～30 m位置處，其瓦斯濃度檢測斷面與通風斷面宜設定在同一斷面，其檢測斷面及測點的布置方式見圖5，圖6。

由于掌子面風流紊亂，所以選擇在回風流中距離風筒口20 m處測定風速及風流中瓦斯濃度。測點分別置于拱頂、左下角、下部中間、右下角處，對隧道穩定回流中瓦斯濃度和風速進行測定，采用每個測點檢測3次取平均值的方式，最后通過式(6)即可得到絕對瓦斯涌出量的值見表6。

QCH4=60×s×v均×ωmax

(6)

其中，QCH4為瓦斯工區內絕對瓦斯涌出量,m3/min；s為隧道斷面面積,m2;Q為隧道通風量,m3/min;v均為隧道斷面平均風速；ωmax為穩定回風流中實測最大瓦斯濃度,%。

表6 各測點絕對瓦斯涌出量表

通過對隧道瓦斯工區穩定回風流中的瓦斯濃度及通風風速的測定，并通過計算得到最大絕對瓦斯涌出量為1.729 m3/min，按照瓦斯工區等級劃分表，可得到該工區劃分為高瓦斯工區。

5 結論與探討

1)通過對瓦斯隧道瓦斯工區等級劃分指標進行研究，發現對于公路隧道瓦斯工區指標值的計算中對于瓦斯涌出不均衡系數ɑ的確定基于礦井采掘作業相關建議值，缺乏具體的理論研究。2)基于實測分析，目前采用絕對瓦斯涌出量作為瓦斯工區分級指標是合理的，利用該指標指導瓦斯隧道建設能夠適應現有施工條件下的施工機械與電器設備改裝性能要求。3)瓦斯隧道對于瓦斯濃度檢測系統可以在現有基礎上結合人工智能等技術水平實現對隧道建設整個工期瓦斯濃度動態監測，保障施工安全性能。