何家坡高瓦斯隧道安全施工的“防”與“治”★

黃小亮

(中交二公局萌興工程有限公司，陜西 西安 710119)

我國中西部地區地形起伏頗大，隧道建設是中西部高速公路修建中必不可少的環節。另一方面，據資料統計云貴川等西南地區煤炭資源分布廣泛[1]。同時，西南地區長期受到地質構造作用，形成了豐富的煤層氣資源，據統計西南地區高瓦斯礦井占比高達89%以上[2]。由此可知，我國西南地區大量公路隧道不可避免地穿越高瓦斯煤系地層，給隧道施工安全帶來了巨大挑戰。

鑒于瓦斯隧道施工環境復雜、瓦斯危害嚴重等特征，瓦斯隧道施工必須采取有效的防治措施。戎有龍[3]針對該高瓦斯公路隧道穿越薄煤層群的特殊工況，結合實際煤層群分布特征及煤層瓦斯參數，提出了一套完善的安全施工技術并進行了工程實踐。胡科敏[4]從工法選擇、爆破設計及瓦斯控制措施等方面對龍泉山瓦斯隧道進行了管控設計。任青陽等[5]采用水力壓裂增透技術對正習高速公路天城壩隧道的瓦斯進行了抽放。龍港等[6]通過加密抽放鉆孔的方式對隧道穿越構造煤層的瓦斯抽放技術進行了研究。另有文獻從瓦斯隧道通風[7]、瓦斯涌出預測[8]、隧道揭煤技術[9]與設備防爆改裝[10]等方面對瓦斯隧道的防治措施進行了研究。以上研究分別為各自的依托工程安全施工提供了有力的理論與技術支撐，形成了一系列有針對性的瓦斯隧道安全施工防治技術。然而，隨著瓦斯隧道的煤層地質條件與瓦斯參數特征的改變，需要有針對性的制定防治措施。本文以何家坡高瓦斯隧道為工程依托，針對該瓦斯隧道的特殊工況提出了防控手段與治理措施。

1 何家坡高瓦斯隧道安全施工概況

1.1 工程概況

何家坡隧道位于貴州省貴陽市修文縣小箐鎮水沖灣，采用分離式設計。左洞起訖樁號ZK40+965～ZK42+633，長1 668 m；右洞起訖樁號YK40+940～YK42+585，長1 645 m。隧道設計時速100 km/h，建筑限界凈寬14.5 m、凈高5.0 m，設計荷載為公路為Ⅰ級。

地勘資料顯示，隧道將在ZK41+355～ZK42+005(YK41+325～YK41+955)段穿過M1～M4共4層煤，其中M1煤層厚度為1.3 m～1.7 m，屬于可采煤層。根據鄰近煤礦資料顯示，M1煤層礦井CH4絕對涌出量約為1.51 m3/min～8.42 m3/min，CO2絕對涌出量約為0.29 m3/min～6.08 m3/min。何家坡隧道M1煤層與礦井所采煤層屬于同一煤層，因此設計何家坡隧道ZK41+355～ZK42+005 (YK41+325～ YK41+955)段為高瓦斯工區，如圖1所示。另外，何家坡隧道穿煤段內存在采空區、巖溶、涌水與淺埋等復雜地質條件，給隧道穿越煤系地層施工帶來了巨大挑戰。

1.2 隧道瓦斯危害

隧道瓦斯是指從賦存地層中逸出的烷烴類氣體，其成分以甲烷(CH4)為主，含有少量一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫等混合氣體的總稱叫做瓦斯。瓦斯氣體在賦存地層中主要以兩種形態存在：游離態瓦斯和吸附態瓦斯。其中，游離態瓦斯能在裂隙或孔隙中自由流動，一般占瓦斯總量的10%～20%；吸附態瓦斯又分為吸著態和吸收態，一般該狀態瓦斯總量較高，且不能自由流動，如圖2所示。

在隧道挖掘擾動下，隧道圍巖產生損傷裂隙。游離態瓦斯會沿著裂隙滲流并涌入隧道掌子面，同時吸附態瓦斯解析為游離態也涌入隧道空間。當大量瓦斯氣體涌入后，隧洞內的氧分壓降低，可能造成人員窒息危害，當瓦斯中有含硫成分時還會造成人員中毒。以甲烷為主的瓦斯氣體是一種極易燃燒的物質，在空氣中氧氣含量充足且具有火源的情況下會發生劇烈的燃燒甚至造成爆炸。另一方面，在隧道炮掘施工過程中，大量的煤、巖與瓦斯氣體瞬間拋向隧道空間，沖毀隧道結構、施工臺車與施工設備，并掩埋施工人員，這種危害稱為煤與瓦斯突出。根據事故統計，在瓦斯隧道施工中，瓦斯爆炸事故出現的頻次最多，例如董家山隧道瓦斯爆炸、七扇巖隧道瓦斯爆炸等事故。

2 何家坡高瓦斯隧道安全預防措施

鑒于瓦斯隧道施工中潛在的窒息、爆炸及煤與瓦斯突出等風險，何家坡高瓦斯隧道擬采取以防為主、防治結合的安全施工措施開展瓦斯工區施工。據國內外典型瓦斯隧道事故調查報告，90%以上的瓦斯隧道事故均存在施工預防管控不得當的情況。由此可見，防控工作是高瓦斯隧道安全施工的關鍵環節。何家坡高瓦斯隧道擬從五個方面著手，進行瓦斯工區的防控工作，如圖3所示。

2.1 思想站位

項目進場后，首先選派技術骨干及相關管理人員赴重遵線黃家溝高瓦斯隧道、桐梓隧道以及桐新線建林巖高瓦斯隧道、新疆天山順利隧道等地學習瓦斯隧道及不良地質隧道的施工經驗，充分認識瓦斯隧道施工的重點與難點。其次，項目施工方多次邀請瓦斯隧道專家開展專題培訓，并組織管理人員、施工班組以及相關人員學習研討，全方位提高隧道管理與作業人員的思想站位。在此基礎上，組織項目全體管理人員編制《何家坡高瓦斯隧道專項施工方案》并完成專家評審工作。

2.2 資金投入

必要的安全專項資金投入對于瓦斯隧道安全施工具有極其重要的作用。何家坡隧道作為項目控制性工程，項目方高度重視隧道施工的安全專項資金投入。截止目前，項目方已從隧道專項方案評審、現場觀摩培訓、隧道信息化監控系統、設備防爆改裝等方面投入約550萬元。另一方面，項目方設置了何家坡瓦斯隧道科學研究及咨詢服務經費，并邀請國內高校隧道瓦斯治理團隊開展科研與咨詢服務，確保隧道施工安全。

2.3 管理制度

為滿足何家坡高瓦斯隧道的施工安全，項目方建立了一套完整的高瓦斯隧道施工管理制度，具體包括高瓦斯隧道進洞管理制度、高瓦斯隧道儀器設備管理制度、高瓦斯隧道超前地質預報管理制度、高瓦斯隧道爆破安全管理制度、高瓦斯隧道防火防爆管理制度、高瓦斯隧道通風管理制度、高瓦斯隧道瓦斯監控與檢測等14項制度，做到實施有標準，操作有程序。

2.4 人員配置

針對何家坡高瓦斯隧道，項目方成立了以項目經理為組長，其他班子及部門負責人等相關人員為組員的高瓦斯隧道管理領導小組，不定期進行瓦斯隧道施工安全檢查及風險評估工作。在此基礎上，聘請具有資質的特種作業人員成立瓦斯監測組、通風管理組、進洞管理組、施工爆破管理組等專項管理機構或班組，在項目經理部的直接領導下加強對高瓦斯隧道施工的安全管控。

2.5 過程監控

項目方重視何家坡瓦斯隧道施工的過程監控，分別從隧道洞口管理、門禁系統、供配電系統、瓦斯自動監測與人工復檢、通風管理、爆破作業、動火作業等方面進行過程管控。做到嚴控進洞人員、確保通風要求、嚴管爆破動火，極大提高隧道施工的安全性。

3 何家坡高瓦斯隧道瓦斯治理技術

在預防為主的安全管理措施基礎上，項目方采用七方面的治理技術來確保何家坡瓦斯隧道的安全施工，見圖4。

3.1 超前地質預報

根據交通部《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》等規范指南編制了《何家坡隧道超前探測專項施工方案》，規定采用物探粗探與鉆孔精探相結合的方式開展超前煤層探測。根據超前鉆孔數據，采用Python語言開發了一套隧道煤層產狀分析軟件，可快速計算出煤層的真厚度、視厚度、傾角以及與隧道軸向的夾角等參數，并實現隧道與煤層的三維可視化顯示，如圖5所示。

3.2 隧道安全通風

為確保何家坡瓦斯隧道在瓦斯工區施工期間的通風可靠性，依據相關規范指南編制《何家坡隧道通風專項施工方案》，規定采用“雙風機雙風管”的通風布局，兩趟風管均接至掌子面10 m以內，一趟使用一趟備用，必要時同時啟用，具體通風布局如圖6所示。當隧道主電源停電后，備用電源需在10 min內啟動并開啟風機，實行24 h不間斷通風。瓦斯工區施工過程中，任何風機情況下風機停止，則作業動力設備必須立即停止工作。同時，建立通風監控機制，指派專人指揮風機系統，負責風量、風速等技術參數的檢測工作，全程跟蹤記錄并簽認操控流程。

3.3 防爆選型改裝

首先編制《何家坡隧道供電專項施工方案》與《何家坡隧道設備防爆改裝方案》，考慮到何家坡隧道瓦斯絕對瓦斯涌出量較大，在隧道施工距離低瓦斯工區200 m前，選取防爆的電氣設備(包括電纜、用電設備、電氣開關等)。另一方面，對隧道內作業的機械設備進行防爆改裝，主要包括挖掘機、出渣車等設備，并組織開展了防爆改裝性能驗收。

3.4 監測監控預警

編制《何家坡隧道監控專項施工方案》，方案采取自動監控系統與人工瓦檢相結合的方式來進行瓦斯監測。其中，自動監控系統是在普通隧道安全監控系統基礎上，增加了有毒有害氣體(如甲烷、硫化氫、一氧化碳等)實時監控，并按預警報警臨界值自動向電器設備傳遞指令，保證系統實現風電閉鎖、瓦電閉鎖功能。人工瓦檢采取三班倒的工序，切實執行“一炮三檢”的瓦檢規定，通過人工監測來檢驗修正自動監測系統。兩者相互驗證，共同對隧道瓦斯進行監測，提高瓦斯監測的可靠性。

3.5 煤層瓦斯抽排

何家坡隧道秉持“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位”的十六字瓦斯治理方針，首先基于超前鉆探的煤層賦存特征、煤層瓦斯參數與隧道圍巖構造等特征，開展煤層瓦斯抽(排)放適用性論證，選取適合何家坡隧道M1煤層的瓦斯抽放或者排放方案。在此基礎上，選取適當的抽放半徑進行抽(排)放鉆孔布局設計，并編制相應的瓦斯抽(排)方案。

在瓦斯抽(排)鉆孔施工及抽排瓦斯期間，加強隧道通風監測與管理。若采用排放瓦斯，則需要根據計算所需的分量和通風方式進行通風，確保隧道內的最大瓦斯含量濃度能被稀釋降低至臨界值(通常取體積濃度0.5%)以下。瓦斯抽(排)放完畢后需進行效果檢驗，待檢驗指標(如瓦斯濃度、抽采率、抽排量、瓦斯含量等)達標后方能開展揭煤施工。

3.6 隧道揭煤防突

按照規定，當隧道穿越的煤層厚度大于0.3 m時需要開展煤層突出危險性預測。根據地勘資料，何家坡隧道將穿越的M1煤層厚度為1.3 m～1.7 m，因此首先需開展突出危險性預測，并依據《防治煤與瓦斯突出細則》與《煤礦安全規程》等文件的規定，嚴格按照區域瓦斯防治的“四位一體”方針編制了《何家坡高瓦斯隧道揭煤專項施工方案》。

3.7 應急救援預案

針對何家坡隧道瓦斯工區施工中潛在的瓦斯超限、瓦斯燃燒、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、煤層自燃與煤塵爆炸等風險因素，依據GB/T 29639—2020生產經營單位生產安全事故應急預案編制導則等文件的規定編制了《何家坡高瓦斯隧道應急救援預案》，并依照AQ/T 9007—2019生產安全事故應急演練基本規范的規定進行了應急演練，從演練中找到預案的不足之處并反饋予以修正，形成最終的應急救援預案。

4 結語

本文總結了何家坡高瓦斯隧道穿越煤層、巖溶與采空區等不良地質環境過程中的預防管控措施和瓦斯防治技術。其中，預防措施分別從思想站位、資金投入、管理制度、人員配置與過程監控五方面進行管控；瓦斯防治主要從超前預報技術、安全通風技術、防爆改裝技術、監測監控技術、瓦斯抽排技術、揭煤防突技術與應急救援預案七方面進行治理。最終，為何家坡高瓦斯隧道提供了一套預防為主、防治結合的安全管理及技術措施，可為瓦斯隧道施工提供一定的管理經驗和技術支撐。