瓦斯隧道施工風險評估及處置措施研究

楊永斌 樊永強 高偉政 王慶 肖偉

摘 要：從人員、設備、環(huán)境及管理角度出發(fā)，建立瓦斯隧道施工風險評價體系。依托乘法原理與可拓層次模型，確定L隧道瓦斯風險等級。研究得出：L隧道風險等級評判結果為1.56，瓦斯涌出估算量為2.63 m3/min，瓦斯絕對涌出量為1.79 m3/min，隧道處于危險狀態(tài)。最后，從施工通風、鉆爆作業(yè)、電器設備與作業(yè)機械、瓦斯預測及監(jiān)測方面給出危險處置建議。

關鍵詞：瓦斯隧道;風險評價;組合賦權;層次可拓模型;現(xiàn)場測試

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-04

Abstract： From the perspective of personnel， equipment， environment and management， the risk evaluation system of gas tunnel construction is established. The gas risk level of L? tunnel is determined based on the multiplication principle and extension hierarchy model. The results show that the risk grade evaluation result of L tunnel is 1.56， the estimated gas emission is 2.63 m3/min， the absolute gas emission is 1.79 m3/min， and the tunnel is in a dangerous state. Suggestions on disease treatment are given from the aspects of construction ventilation， drilling and blasting operation， electrical equipment and operation machinery， gas prediction and monitoring.

Keywords： gas tunnel;risk assessment;combination weighting;hierarchical extension model;field test

瓦斯氣體可致隧道施工人員中毒、窒息，甚至發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯隧道風險評價已成國內(nèi)外相關學者研究的熱點課題。

1 工程概述

本研究以成（都）簡（陽）快速路L隧道為依托，隧道起止里程為ZK05+625～ZK10+630，長度為5 005 m，最大埋深為384 m。隧址區(qū)呈非對稱狀背斜，軸部平緩開闊，兩端傾伏，出露第四系地層為Q2～Q3黏砂土、黏土及砂礫石層[1-3]。地質(zhì)勘探結果表明：隧址區(qū)分布多套非均質(zhì)侏羅系淺層天然氣藏，瓦斯逸出和涌出呈現(xiàn)隨機性和不均勻性，極易發(fā)生瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等災害，現(xiàn)場施工風險較高，屬重難點施工工程。

2 構建風險評價指標

本研究基于人員、設備、環(huán)境（事故三要素）及管理因素構建瓦斯隧道風險評價體系，具體如表1所示[4]。

3 建立指標權重計算體系

3.1 組合賦權

采用德爾菲法（主觀）和改進灰色關聯(lián)度法（半客觀）對評價指標進行組合賦權。基于式（1）乘法原理確定各指標最終權重ωzj[5]：

式中：αj、βj分別為基于德爾菲法、改進灰色關聯(lián)度法計算權重。指標層組合賦權的仿真對比結果，如圖1所示。

3.2 評價指標歸一化

對于值越大越不易引發(fā)隧道瓦斯災害的指標，歸一化處理算法為：

對于值越大越易引發(fā)瓦斯災害的指標，歸一化處理算法為：

3.3 層次可拓計算

瓦斯隧道施工風險評價體系第j項事物同征物元Rj的經(jīng)典域可用式（4）表示[6]：

式中：Nj為第j項評價等級;ci為第i項評價指標;Vij為Nj關于ci的量值范圍，即經(jīng)典域。

待評價瓦斯隧道節(jié)域P可表示為：

式中：ViP為P關于ci的量值范圍，即P的節(jié)域。

Vij與ViP之間關系為：

通過式（7）計算待評價隧道瓦斯災害物元等級關聯(lián)函數(shù)：

ρ（Vi，Vij）按式（8）進行計算：

Vij按式（9）進行計算：

ρ（Vi，ViP）按式（10）計算：

每項指標考慮5階段安全等級，見表2。

待評價物元風險等級的評價矩陣向量Kj（P）按式（11）進行計算：

物元P的安全等級按式（12）進行確定：

則此時可評定物元P安全等級為j0。

4 現(xiàn)場測試與計算

4.1 瓦斯含量測算

據(jù)《公路瓦斯隧道技術規(guī)程》PB51/T 2243—2016中朗格繆爾公式測算，瓦斯含量W為（單位為m3/t）：

式中：a、b為吸附常數(shù)，單位分別為cm3/g、MPa-1;P為瓦斯壓強，單位為MPa;Mad、Aad為煤的水分、灰分，單位均為%;F為孔隙率;γ為視密度，單位為g/cm3。

4.2 瓦斯絕對涌出量

據(jù)瓦斯絕對涌出量QG評定瓦斯隧道安全等級，按式（14）進行計算[7]：

式中：Q為施工通風風量，單位為m3/min;v為風速，單位為m/s;c為風流中瓦斯平均濃度，單位為%;D為風筒直徑，單位為m。

通過現(xiàn)場測試，L隧道掌子面上方1.5～2.0 m處左、中、右位置處瓦斯?jié)舛戎捣謩e為0.89%、0.63%、0.59%，瓦斯平均濃度為0.703%。通風風速v為240 m/min，風筒直徑D為1.5 m，瓦斯絕對涌出量QG=1.79 m3/min>1.5 m3/min，依據(jù)規(guī)范判定L瓦斯隧道處于中風險等級。

4.3 天然氣溢出量估算

天然氣溢出量是評價瓦斯隧道風險等級的重要參數(shù)，按式（15）估算天然氣溢出量Qy，按式（16）估算瓦斯涌出量Gyo[8]。

式中：Ag為含氣面積，單位為m2;h為儲層平均有效厚度，單位為m;φ為平均有效孔隙度;Cp為天然氣濃度值;Bgi為地層天然氣體積系數(shù)。

L隧道現(xiàn)場測試資料表明：h值為20 m，Cp值為15%，Bgi考慮取1，φ為4.7%。天然氣影響寬度按200 m考慮，甲烷體積分數(shù)為82.11%。可計算天然氣溢出量為141 141 m3/min，瓦斯涌出量為2.63 m3/min>1.50 m3/min，屬高瓦斯隧道。

4.4 驗證計算結果

表3為組合賦權-層次可拓風險評價計算結果、規(guī)范計算結果和現(xiàn)場實際情況。可見，各算法結果與現(xiàn)場情況吻合度較好，驗證了本研究評價體系的可靠性。

5 瓦斯隧道處治措施

5.1 施工通風方面

隧道內(nèi)煙塵及有害氣體可通過加強通風進行稀釋，基于隧道瓦斯涌出量、爆破煙塵及施工作業(yè)要求進行通風設計。采用壓入式通風，隧道內(nèi)風速不應小于1 m/s，風筒口距掌子面距離應小于10 m，洞外風機距隧道洞口15～20 m，每100 m風管漏風率≤1%，瓦斯施工工區(qū)應保證24 h連續(xù)送風[9]。

通風系統(tǒng)采用雙電源與雙設備模式。通風管材具備阻燃、抗靜電特征。隧道內(nèi)二襯拱頂、臺車及坍腔等瓦斯積聚區(qū)域應增設局部風扇，風扇內(nèi)采用防爆型風機，并提高監(jiān)測頻率。二襯臺車位置處加設增壓風機，局部風機采用三專和閉鎖設備。

5.2 鉆爆作業(yè)方面

瓦斯施工工區(qū)內(nèi)鉆爆作業(yè)應堅持“少裝藥-多打眼-短進尺-快錨噴-強支護-勤檢測”的施工原則，建立健全“一炮三檢”制度和“三人連鎖放炮”制度[10]。瓦斯工區(qū)采用煤礦許用炸藥，炸藥等級隨瓦斯?jié)舛炔煌{(diào)整。選用毫秒瞬發(fā)雷管或毫秒延期電雷管。選取柔軟性與絕緣性較好的銅制電纜，采取隨用隨掛方式敷設起爆線。提升隧道支護結構強度及施作質(zhì)量，采用全斷面徑向注漿、添加氣密劑及涂抹密封膏方式阻止瓦斯氣體逸入隧道。

5.3 電器設備與作業(yè)機械

瓦斯隧道工區(qū)掌子面照明采用EXD1型防爆礦燈，二次襯砌段施工采用EXD2型防爆燈，現(xiàn)場施工人員移動照明應采用礦用燈具。隧道內(nèi)瓦斯監(jiān)控設備應與所有非本質(zhì)安全型電器設備連接，實現(xiàn)風-電閉鎖和瓦斯-電閉鎖功能。施工方盡可能購置本質(zhì)安全型機械與設備。

隧道內(nèi)所有電器設備與作業(yè)機械均應采用防爆型號。瓦斯隧道工區(qū)內(nèi)嚴禁焊接作業(yè)，構造筋、連接筋采用現(xiàn)場綁扎方式進行固定，受力主筋采用套筒方式進行連接。在隧道外部加工鋼拱架時應設置鎖腳錨桿鋼板，洞內(nèi)施工時采用螺栓進行連接固定。

5.4 瓦斯預測及監(jiān)測方面

瓦斯隧道采用超前鉆孔和瞬變電磁法進行地質(zhì)預報。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，設計超前水平鉆孔位置及數(shù)量，結合實際情況加大部分鉆爆孔深度進行超前預報。

建立洞內(nèi)設備24 h不間斷監(jiān)測與瓦檢人員現(xiàn)場監(jiān)測相結合的雙監(jiān)控制度，并制定相互校檢、監(jiān)測及報告制度。洞內(nèi)瓦斯監(jiān)測設備應垂直懸掛于拱頂風流穩(wěn)定區(qū)域，距隧道側(cè)壁≤20 cm，距拱頂≤30 cm。瓦斯檢測人員必須跟班檢測，尤其是特殊作業(yè)、盲區(qū)作業(yè)，保證工作區(qū)、回流風區(qū)及洞外排放氣體中瓦斯含量不超標[11]。

5.5 施工管理方面

建立健全以項目經(jīng)理為首的隧道瓦斯管理機構，完善通風管理制度，同時定期對現(xiàn)場施工、技術及管理人員進行安全教育與培訓。培訓內(nèi)容應突出重點，內(nèi)容全面，針對性及系統(tǒng)性強，充分提高人員的安全意識，并定期對施工人員進行體檢。隧道內(nèi)油庫、電器設備存放點需配備足量砂箱、防火鍬及滅火器。此外，實現(xiàn)瓦斯隧道施工工長、安全員、瓦檢員“三員”同時在崗制的管理方案。

6 結論

①從人員、環(huán)境、設備（生產(chǎn)事故三要素）及管理角度出發(fā)，建立包含管理人員素質(zhì)、技術人員素質(zhì)等9項內(nèi)容，篩選出管理人員平均受教育年限、管理人員參與類似工程年限等55項指標層的風險評價體系。

②經(jīng)L隧道現(xiàn)場測試與計算，瓦斯絕對涌出量為1.79 m3/min，判定為高瓦斯隧道，隧道處于危險狀態(tài)。瓦斯涌出估算量為2.63 m3/min，屬高瓦斯隧道，L隧道處于危險狀態(tài)，評判結果與隧道現(xiàn)場情況相符。

③針對L隧道現(xiàn)場瓦斯病害及筆者現(xiàn)場施工經(jīng)驗，從施工通風、鉆爆作業(yè)、電器設備與作業(yè)機械、瓦斯預測及監(jiān)測方面給出相應的處置建議。

參考文獻：

[1]韓永勝，趙文峰，高國紅，等.公路隧道施工中瓦斯危害性評價體系[J].土木工程與管理學報，2020（6）：57-63.

[2]朵生君.鐵路高瓦斯隧道油氣評價及處置技術研究[J].鐵道標準設計，2020（11）：122-128.

[3]王子超，雷克江，楊霜，等.基于模糊層次分析法的瓦斯隧道施工安全風險評估[J].武漢工程大學學報，2019（6）：573-579.

[4]武磊.瓦斯隧道危險性評價及防治技術分析[J].公路，2019（8）：230-234.

[5]張小林，蔡建華，廖煙開.成都地鐵龍泉山隧道瓦斯賦存特征分析與預測評價[J].現(xiàn)代隧道技術，2019（3）：25-30.

[6]朱啟榮，堯林，陳柳柳.山區(qū)瓦斯隧道相關問題及評價研究[J].公路交通技術，2019（2）：118-124.

[7]張江山，高世強，劉偉，等.基于AHP模糊綜合方法的長大公路瓦斯隧道通風系統(tǒng)評價研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2016（4）：778-782.

[8]熊建明，陳沅江，劉波，等.瓦斯隧道施工期風險等級的FDA法評價[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017（2）：17-23.

[9]邱成虎，陳壽根，譚信榮，等.基于模糊層次分析法的瓦斯隧道施工風險評價[J].地下空間與工程學報，2015（3）：774-780.

[10]汪金育.施工隧道瓦斯突出安全風險分析及預警[J].中外公路，2014（4）：225-231.

[11]楊德智.高速公路隧道瓦斯賦存運移及氣固耦合作用的分析研究[D].成都：西南交通大學，2014：8.

3813500338210