基于瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的軟巖隧道施工技術研究

姚鐵亮

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

瓦斯隧道施工相對而言比較復雜，除了需要關注開挖段圍巖地質特點、排查因為圍巖不穩(wěn)定、底層軟弱失衡等帶來的隱患之外，還應該重點加強對隧道瓦斯含量的監(jiān)測，動態(tài)掌握瓦斯賦存情況，提前制定事故應對預案并加強事故處置應急演練[1]。此外，在獲知瓦斯含量的基礎上，應對隧道施工技術方法進行適應性改進，加強通風措施建設，這樣才能在保證施工安全的基礎上，實現(xiàn)施工質量、工期與成本控制目標的完全統(tǒng)一[2]。本文根據(jù)寧纏隧道施工的實際情況，研究利用智能化瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，同時對施工技術中最常用的軟巖變形技術進行適應性改進，相關成果有助于提高高瓦斯隧道的施工技術水平。

1 工程概況

1.1 基本情況

寧纏隧道是國道569曼德拉至大通公路寧纏埡口至克圖段公路NK-SG1標段中的關鍵部分，位于青海省海北州門源縣仙米鄉(xiāng)討拉溝村，雙線共計5980m。隧道地質環(huán)境復雜，洞口段為冰雪堆積層碎石，圍巖穩(wěn)定性很差，淺埋段距離長，偏壓嚴重，事故安全風險極大，另外具有V級圍巖4211m，IV級圍巖1709m。隧址區(qū)內主要地層為第四系冰水洪積堆積層、石炭系下統(tǒng)炭質頁巖（夾煤線）與砂巖互層及泥盆系砂巖、炭質頁巖夾砂巖，同時富含基巖裂隙水，對隧道的施工影響較大。此外，該段隧道穿越煤層高瓦斯段，伴隨有高濃度硫化氫氣體，瓦斯硫化氫雙伴隨最高峰值集中在距離掌子面3m位置處，利用手持ADSK-4型便攜式氣體檢測儀進行觀測發(fā)現(xiàn)硫化氫氣體濃度可達21ppm、瓦斯?jié)舛冗_0.3%。無論是地質水文條件，還是瓦斯硫化氫雙伴隨氣體環(huán)境，都給施工帶來了很多困難。

1.2 施工方案

隧道所處地層為第四系冰水洪積堆積層，母巖以砂礫為主，粉黏粒含量較高，遇水擾動變成泥，夾雜卵石、碎石，自穩(wěn)性極差且涌水量大，開挖后易變形、突泥涌水、冒頂及塌方。硫化氫瓦斯雙伴隨氣體環(huán)境不僅限制了很多易產生靜電、運行中火花爆炸現(xiàn)象突出的機械設備的應用，還給施工人員的人身健康及生命安全帶來了潛在的威脅。針對這種特殊環(huán)境帶來的施工困難，在制定施工方案時重點從以下幾點入手：

（1）對常規(guī)施工方案進行改進，尤其針對隧道進口冰水洪積層富水堆積體碎石土段等環(huán)境，采用三臺階臨時仰拱+加大鎖腳施工工法，減小該段圍巖脫落的風險。另外，在富水或氣體濃度高的地段實施超前帷幕注漿或徑向注漿封堵措施，降低地下水或減少有毒有害氣體的溢出。

（2）重點做好瓦斯等有害氣體的監(jiān)測，積極部署應用瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，這是本文研究的重點。

（3）增強硫化氫、瓦斯等有毒有害氣體的超前預排放措施，采用物探法查明前方地下水情況，避免瓦斯、硫化氫有毒有害氣體和富含硫化氫的地下水涌出，濃度高的孔中可注堿性溶液中和，超前探孔采用氣體防突裝置。

（4）針對瓦斯、硫化氫等氣體含量動態(tài)變化的實際，在選擇機械設備、雷管等炸藥時，必須選用不會產生靜電和火花、煤礦許用的延時電雷管、等級不低于三級的煤礦許用炸藥等產品。另外，在確定開挖方式時，考慮到雷管延時不允許超過130ms的要求，結合現(xiàn)場實際情況合理確定炮眼布置和開挖斷面尺寸。

另外，為了取得預期的施工效果，需要嚴格按照圖紙設計，加強支護參數(shù)的正確設置，嚴格依據(jù)“短進尺、快支護、仰拱二襯及時跟進”的原則進行施工，保證施工安全和施工質量。重點需要加強瓦斯監(jiān)測，對通用隧道施工技術進行適應性改進，最大限度發(fā)揮技術優(yōu)勢，最終獲得理想的施工效果。

2 瓦斯監(jiān)測體系設計

2.1 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)

隧道瓦斯含量監(jiān)測是一個系統(tǒng)工程，需要在工程項目準備階段進行體系框架的規(guī)劃，在隧道項目開工前建成，當監(jiān)測到的瓦斯含量在一段時間內保持穩(wěn)定且符合進洞施工要求時，才能組織人員進入隧道開始施工[3]。在整個隧道施工過程中，監(jiān)測系統(tǒng)必須保證全天候運行，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯含量超標即刻報警，迅速組織人員撤離或者采取應急處理措施。待施工完成后，可以根據(jù)進度安排有序組織監(jiān)測體系的拆除[4-5]。

進行隧道瓦斯含量檢測系統(tǒng)的總體設計，需要考慮隧道所在地的地質水文條件，同時結合工程項目預算采取自動監(jiān)測與人工監(jiān)測相結合的方法進行。在寧纏隧道施工過程中，為了最大限度減小人工投入，采取融合傳感器、聲光報警和智能數(shù)據(jù)分析等多種功能于一體的瓦斯含量自動監(jiān)測分析平臺。另外，采用冗余監(jiān)測與控制理念，將瓦斯含量監(jiān)測納入施工安全管理人員的職責內，定期組織施工安全人員利用手持設備對隧道瓦斯含量進行檢測，現(xiàn)場督促通風措施的落實。寧纏隧道瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)體系框架如圖1所示。

圖1 寧纏隧道瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)體系框架

2.2 自動監(jiān)測分析平臺技術應用

寧纏隧道瓦斯含量自動監(jiān)測分析平臺是在改進KJ90NA瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。KJ90NA瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)在很多國內隧道工程施工中被廣泛應用，集成了瓦斯監(jiān)測、可視化顯示、災情預警等功能，具有運行穩(wěn)定可靠、操作使用方便的優(yōu)點。但是，該系統(tǒng)在實際使用過程中，存在智能化程度不高等缺陷，本文結合最新科學技術發(fā)展成果，對該系統(tǒng)進行改進和升級，形成智能化瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 智能化瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)整體布局

寧纏隧道在項目籌劃階段，選擇在隧道入口開闊地帶籌建隧道安全施工管理辦公室，在其中布設有智能化瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設有中心機柜，機柜內集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實時顯示、智能對比等功能。其中數(shù)據(jù)采集主要是利用1553總線將分布在隧道內的各種傳感器連接起來，利用基于神經網絡的數(shù)據(jù)融合算法將不同型號的傳感器數(shù)據(jù)進行歸一化，之后納入數(shù)據(jù)分析模塊進行對比分析；數(shù)據(jù)分析模塊基于服務器型CPU實現(xiàn)，增加了多核并行運算功能，確保數(shù)據(jù)處理能力有所提升，得到在線顯示與報警的功能，避免因為較長時間的延遲導致瓦斯泄露警情升級；實時顯示功能由串聯(lián)起來的計算機屏幕和指揮顯示大屏幕實現(xiàn)，同一內容可以在這兩個屏幕上同時顯示、也可以分屏顯示，確保監(jiān)測人員和指揮人員可以同時辦公；智能對比功能主要在數(shù)據(jù)融合處理的基礎上將冗余數(shù)據(jù)與主用數(shù)據(jù)進行區(qū)分，對主用數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)進行比較，當兩者結果一致時判定數(shù)據(jù)有效，否則重新進行監(jiān)測。

除了中心機柜之外，智能化瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)設計有多種監(jiān)測終端，包括各種類型的瓦斯含量監(jiān)測傳感器，比如懸掛式甲烷傳感器、管道抽放用瓦斯傳感器，同時預留了手持式瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)接口，這些終端接口通過1553總線實現(xiàn)與中心機柜的指令通信與數(shù)據(jù)傳輸；隧道內每間隔2m（轉彎處根據(jù)轉彎半徑進行適當考慮）設置有聲光報警裝置，一旦出現(xiàn)瓦斯含量超標或者其他險情可以第一時間進行報警。另外，隧道內瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)供電采用壁掛式電力轉接盒實現(xiàn)，在隧道安全施工管理辦公室內設置有配電機柜和電力分配管理系統(tǒng)。

2.3 瓦斯監(jiān)測結果分析

寧纏隧道成功部署智能化瓦斯含量監(jiān)測系統(tǒng)之后，在整個工程實施期間對隧道內的瓦斯含量實現(xiàn)了全天候的監(jiān)測，部分監(jiān)測結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在監(jiān)測時間段內，會出現(xiàn)瓦斯超過警戒線的情況，此時智能監(jiān)測系統(tǒng)及時啟動聲光報警裝置，向隧道內施工人員進行預警，并組織采取應急措施。另外，由圖3可以看出，瓦斯含量曲線變化幅度不大，較長時間域符合施工要求，瓦斯含量的變化并沒有對施工進度造成太大的影響。

圖3 寧纏隧道瓦斯監(jiān)測結果示意圖

當瓦斯變化幅度較大或出現(xiàn)整體或局部位置超限情況時，需停止作業(yè)，采取瓦斯超限處理措施（見表1），以防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

表1 瓦斯超限應對措施

3 軟巖變形施工技術優(yōu)化

3.1 優(yōu)化開挖工法

通過對寧纏隧道內瓦斯含量進行監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)隧道掌子面是瓦斯氣體的易聚集區(qū)域，因此采用軟巖變形施工技術進行隧道開挖時，需要對該段的施工技術進行適應性改進。為了確保在瓦斯含量增加時依然能夠取得較好的施工效果，在開挖階段加強對圍巖振動干擾的監(jiān)測。根據(jù)上臺階開挖時圍巖受到振動擾動的影響較大這一實際情況，采取三臺階加臨時仰拱的方法改善局部支護效果，同時減小下沉量。除傳統(tǒng)的豎向支撐方法外，增設臨時仰拱支護措施，采用工字鋼對仰拱進行加強支護。在對圍巖擾動情況進行監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)受力形變超過施工標準值，就立即對圍巖支護效果進行檢查，確保不會影響開挖進度。

在開挖過程中，寧纏隧道采用臨時仰拱和臨時隔壁相結合的措施，將整個施工空間劃分為小的封閉環(huán)狀空間，各個空間之間保留有足夠的通風條件，達到減小振動干擾的效果。

3.2 優(yōu)化預加固措施

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，寧纏隧道圍巖由于受到瓦斯中腐蝕性氣體的侵蝕，脫落現(xiàn)象比較嚴重。因此為了確保施工效果，同時避免因為再次受到瓦斯中腐蝕性氣體的侵蝕，采用玻璃纖維錨桿預加固，利用超前大管棚、預應力樹脂錨桿、鋼拱架和鎖腳錨桿等聯(lián)合變形控制技術，對玻璃纖維錨桿加固密度和加固長度進行優(yōu)化分析，玻璃纖維錨桿間距設置為0.6m，每一環(huán)施作錨桿不超過6m，搭接長度不超過3m，合理的布置方式有效地減少圍巖的脫落，確保了施工質量。

4 結束語

高瓦斯隧道施工是一項比較復雜的系統(tǒng)工程，為了確保工程建設的施工工期、質量和安全，需要加強對瓦斯含量進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測值動態(tài)優(yōu)化施工方法，以此達到預期的建設效果。本文結合寧纏隧道工程特點，研究了智能瓦斯監(jiān)測體系，并實現(xiàn)了工程化部署，選擇應用廣泛的軟巖變形技術進行適應性改進。另外，高瓦斯隧道施工洞內設備全部為防爆型，施工人員需穿戴防靜電服、佩戴防毒面罩和自救器進入隧道進行施工，建立瓦斯隧道管理制度，加強超前地質預報探測，以超前探孔、地質雷達為主要探測手段，多種探測方法相結合進行綜合預報。通風采用雙風機雙風管壓入式通風，保證隧道內對新鮮空氣的需求。總之，該工程通過采取合理的措施，最終實現(xiàn)了高瓦斯隧道的安全施工。