長大低瓦斯隧道施工技術及防治要點探析

曾泳太

摘要 為在長大低瓦斯隧道施工建設中，確保施工操作的安全性，建立可靠的瓦斯隧道綜合防治體系，文章結合某工程項目，以及長大低瓦斯隧道的特點，分析了該類隧道項目的施工技術要點，提出具體的瓦斯防治措施。借此通過瓦斯監測、施工安全管理、通風設計等方式，減少長大低瓦斯隧道施工中的安全風險，保障瓦斯隧道施工質量。

關鍵詞 長大隧道；低瓦斯；施工技術

中圖分類號 U455.49文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0120-03

0 引言

隨著公路和鐵路建設環境的日漸復雜，瓦斯隧道成為新時期較為常見的隧道類型。相較于普通隧道，長大低瓦斯隧道施工中的瓦斯涌出風險較大，瓦斯防治和隧道施工技術難度增加。因此，需要結合長大低瓦斯隧道的特點，提前制定瓦斯防治方案和隧道施工技術方案，控制好瓦斯涌出風險，建立可靠的瓦斯監測體系，使隧道建設項目如期竣工。

1 工程概況

某長大低瓦斯隧道項目，左線樁號LZK0+237～LZK2+258，長2 021 m；右線樁號 LK0+193～LK2+238，長2 045 m。隧道分左、右線，且均為單向上坡，左線坡度為 0.5%/2 021 m，右線縱坡分別為2.4%/171.801 m、0.85%/

1 356.922 m和0.5%/516.268 m。隧道設計為雙向四車道，行車速度設計為80 km/h。隧道進口區域設計為“削竹式洞門”，出口區域設計為“端墻式洞門”，進出口洞門的最大埋深為508 m。該隧道建設區域的地質復雜，設計線路需要穿越1條斷層帶，并且隧道洞身處于瓦斯地層，屬于低瓦斯隧道。設計線路內存在斷層破碎帶、巖溶、大變形軟巖、瓦斯等不良地質和特殊巖土層，圍巖主要以強～中風化粉砂質泥巖夾煤線、炭質灰巖和泥質巖為主，采用新奧法復合式襯砌。

2 長大低瓦斯隧道特點分析

該隧道項目穿越瓦斯地層為低瓦斯隧道，隧道有害氣體主要是原煤伴生天然氣，蘊藏在孔隙較多的地下巖層內，上述隧道項目中地層內瓦斯的比重為0.65。瓦斯的重量比空氣輕，無色、無味、無毒，生長過程中會留存在巖石坑道上方，具有滲透性，容易擴散。再者，瓦斯本身具有爆炸性、不穩定性、滲透性、水溶性及窒息性，瓦斯濃度過高、隧道內存在引火源以及氧氣過于充足都會導致瓦斯爆炸。因此，相較于普通隧道項目，長大低瓦斯隧道施工中伴隨著瓦斯涌出和瓦斯爆炸的情況，整體施工難度較大，且施工期間的安全風險較為突出。

3 長大低瓦斯隧道施工技術要點

根據該項目施工情況來看，有關長大低瓦斯隧道施工技術要點主要包含隧道施工設計、隧道開挖、隧道鉆爆、隧道支護和隧道襯砌五方面。施工人員需結合施工項目實況，掌握施工技術要點，嚴格把控施工質量，有序施工，保證隧道施工順利開展。以下內容對此項目施工技術要點進行詳細論述。

3.1 隧道施工設計

長大低瓦斯隧道施工方案設計需基于《公路隧道施工技術規范》《煤礦安全規程》。為維護施工安全，應堅持加強施工管理、消除隱患、嚴格檢測，隨時掌握瓦斯含量，動態調整施工工藝、加強通風、嚴管火源、降低瓦斯濃度等原則。隧道施工區域內的Ⅳ級圍巖采用大拱腳臺階法開挖，每循環進尺1.6～2 m；Ⅴ級圍巖開挖時需要在預留核心土的基礎上，應用臺階法開挖，每次開挖時循環進尺0.6～0.8 m，開挖面不大，可以有效地控制瓦斯溢出量，安全支護開挖結構[1]。

3.2 隧道開挖

隧道開挖所采用的方法為臺階法。開挖過程中需要用到炸藥，炸藥一般為煤礦許用炸藥，對于低瓦斯隧道，煤礦專用炸藥的安全等級應大于1級。開挖后可通過“電力起爆”的方式引爆炸藥，并采用水炮泥和黏土炮泥封堵。

爆破時設備的連線、網絡連接為串聯，接頭需要擰緊，明線區域提前用絕緣材料包裹住并將其懸空。母線、電纜、電線、信號線等關鍵線路設置在隧道兩側，特殊情況要設置在同側時，電纜和母線的間距應大于30 cm[2]。

隧道正式開挖和鉆孔前，相關人員要基于地質分析理論，詳細地采集、記錄現場地質信息，并通過相關的試驗，測定隧道開挖區域的地質特點，檢測鉆孔區域的瓦斯濃度，尤其是鉆孔內、掌子面周圍20 m范圍處、隧道孔洞內、頂部以及隧道頂端隅角處的瓦斯濃度。當超前鉆孔孔口處實測瓦斯壓力大于0.15 MPa且小于0.74 MPa 時，提前安裝通風設備，加強通風。實測瓦斯壓力大于0.74 MPa，且每1 min單孔瓦斯涌出量大于5 L時停止鉆孔和隧道開挖作業，立即采取措施降低瓦斯壓力。若24 h內瓦斯壓力值未降低，應封孔上報監理、業主及設計院另行處理，同時增加瓦斯涌出口的鉆孔量，提前將瓦斯和相關氣體釋放出來，以降低瓦斯濃度。

3.3 隧道鉆爆

由于長大低瓦斯隧道施工中伴有瓦斯涌出和爆炸風險，在鉆爆作業時應重視以下內容：

（1）瓦斯施工區域內，鉆孔作業采用濕式鉆孔，鉆孔區域約20 m范圍內的瓦斯濃度大于1%時，停止鉆孔，及時做好降低瓦斯濃度等相關工作，確保施工安全。

（2）隧道爆破開挖采用延時毫秒雷管，通過“一炮三檢”的監測模式，分別在裝藥前、爆破前、爆破后對雷管進行檢測，重點檢查爆破區域內的瓦斯濃度，避免在瓦斯濃度達到1%時作業。開挖過程中需基于“開挖必探、存疑必探、有掘先探”原則，做好開挖前和掘進前的探測工作，并在發現異常問題后及時探測，排除異常風險后開始作業。

（3）低瓦斯隧道項目進行裝藥和爆破作業時，爆破區域的20 m范圍內，風流中的瓦斯濃度同樣不宜過高，以濃度不超過1%為準。另外，爆破區域中礦車、碎石和煤渣的阻塞開挖斷面應控制在1/3以內。施工區域的通風設計中，相關人員應確保風量、風向的穩定性，局部設置循環風和無循環風，保障鉆爆過程中的隧道通風性能，為后續施工活動奠定基礎[3]。

3.4 隧道支護

長大低瓦斯隧道支護施工中，初期支護可運用濕噴混凝土技術。混凝土攪拌時，應先干拌水泥和氣密劑，拌合時間為1.5～2 min，之后倒入碎石和水，再次攪拌2 min。攪拌完畢后，濕噴混凝土。為避免隧道中的巖體結構開始松弛，施工人員需要在隧道開挖作業結束后立即濕噴混凝土。濕噴方法為自下而上的分片、分段噴射，初噴厚度約50～60 cm，復噴時，隧道拱頂厚度應控制在100 mm以內，邊墻區域不超過150 mm。

布設鋼筋、鋼架等支護工具時，用鋼絲和螺絲將其緊緊地綁扎住，盡量避免用電焊、氣焊等方式固定連接支護構件。因特殊情況下不得不焊接和切割時，還應制定安全措施，設專人監督，并及時清理作業點周圍，確保作業區域20 m范圍內沒有易燃和可燃物質，且風流中的瓦斯濃度低于0.5%，巷道頂和支護區域沒有集聚的瓦斯。同時，提前設置滅火器、供水閥門和局部扇風機，焊接、切割完畢后檢查施工區域，核查有無殘火，確認無殘火后澆水噴灑，并觀察作業區域。觀察時間為1 h。因作業要求需用火時，還應提前申請，審批后方可動火。在此過程中，瓦檢員應加強巡查，積極履行自身職責，以便能夠及時發現隧道瓦斯濃度的異常現象，尋根追源，降低隧道瓦斯濃度，保障隧道運營安全，協助瓦斯隧道施工風險的防控和管理。

3.5 隧道襯砌

為加強低瓦斯隧道施工中的防治力度，還應在隧道襯砌作業中設置水汽隔離層。通過分段排水和水汽分離的方式，弱化瓦斯的滲透性。襯砌方法是每隔4.5～6 m間距布設Φ50環向盲溝，邊墻下布設Φ100縱向盲溝和橫向排水管。隔離層所用的混凝土一般為氣密性混凝土，由普通混凝土和氣密劑配制而成，能夠改善混凝土性能，增強其抗氣密性。襯砌作業中，需要重點做好混凝土材料選配、混凝土澆筑、振搗等工作[4]。

4 長大低瓦斯隧道綜合防治措施

對于長大低瓦斯隧道而言，由于其地形復雜等特點，在對其進行防治時，要從瓦斯監測、通風設計等工作入手，保障隧道施工安全性，為隧道后期運營安全奠定基礎。

4.1 加強隧道施工區的瓦斯監測

上述隧道項目屬于長大低瓦斯隧道，防治瓦斯風險時采用便攜式瓦斯檢測儀、光干涉瓦檢儀及KJ101自動瓦斯監控系統監測隧道施工區域內的瓦斯濃度，系統具有監控、斷電和報警功能。該系統的核心結構由便攜式瓦斯檢測儀和光干涉瓦檢儀，以及洞外監控中心、洞內分站、甲烷傳感器、CO和H2S傳感設備、風速傳感設備、智能斷電儀、智能報警器組成，基本原理如圖1所示，能夠獲取詳細、準確的瓦斯監測數據。該系統的主要監測內容包括：隧道施工環境、隧道內的瓦斯濃度、風流中的瓦斯濃度，以及隧道內的風速、CO、H2S、CH4、CO（一氧化碳）、H2S（硫化氫）等氣體的濃度。

為確保該項目瓦斯監測的可靠性，該系統在運行過程中啟動了自動瓦斯監控方案，即在隧道進出洞口、左右洞口分別配置KJ-101型瓦斯監測儀器。該儀器的運行過程中會嵌入式地安裝在瓦斯監控系統內，并采用分布式網絡化結構，由紅外遙控裝置和主機進行連接，由系統主機遠程控制。KJ101自動瓦斯監控系統的斷電結構設計為三級，同時具有異地交叉斷電能力，可以促進遠程計算機系統對低瓦斯隧道施工的集中控制和安全管理。

隧道進出口位置的自動瓦斯監測系統包含2臺主機，1臺為常用主機，1臺為備用主機。系統由2個監控分站、多個甲烷和CO、H2S傳感器，以及風速傳感器、報警器、電源以及1臺備用電源組成。各類傳感器的數據共享、信息采集功能相同，可以在超限狀況下起到采集隧道內氣體信息和獲取低瓦斯濃度信息的能力。瓦斯洞口主風機處設有風電閉鎖設備，主風機因各種原因故障后，該設備可自動地切斷隧道洞內的電源，保障隧道內部相關設備安全，降低事故范圍。

洞口自動瓦斯監測系統的瓦斯監測范圍為0%～4%CH4，每次檢測速率小于30 m/s。隧道內風速的監測范圍為0.3～15 m/s，同時具有洞內監測和洞外報警的功能。

高瓦斯施工區域、巖（煤）施工區域、瓦斯突出工區的監控系統由專用變壓器、專用開關、專用線路、風電閉鎖和甲烷閉鎖組成。整體的監控工作堅持人工監測與設備監測相結合的監測模式，更全面地保障瓦斯隧道施工區域的安全性。

4.2 重視關鍵工序的瓦斯檢測

低瓦斯隧道施工中，鑿眼、放炮作業后是瓦斯含量增長幅度較大的關鍵時期，最大的原因是炮眼會連接隧道和瓦斯層，導致作業期間存在瓦斯泄露風險。且放炮之后，隧道內會揭露出大面積新鮮巖層，一些封閉的瓦斯地層可能會暴露出來，繼而導致瓦斯從新鮮巖層的縫隙和表面涌出。因此，隧道施工工程中，相關人員應在鑿眼、裝藥和放炮前后，做好所有區域的瓦斯監測工作，發現風流內瓦斯濃度過高時嚴禁鉆眼和放炮，瓦斯濃度超過1.5%時，要停止施工并及時組織人員撤出，并切斷隧道內的電源[5]。

注意加強重點部位的瓦斯檢測。瓦斯比空氣輕，容易擴散，但是在隧道中風速小于0.25 m/s時，瓦斯會進入游離狀態，聚集在隧道頂層和各個死角。局部聚集后可能會誘發瓦斯爆炸風險。所以一些易于集聚瓦斯的區域是瓦斯檢測的重點。主要檢測區域包括：

（1）隧道開挖區域的風流內，包括隧道的回風流。

（2）電氣開關周圍10 m處的風流中。

（3）隧道施工作業區域的風流中，包括臺車、施工設備、電動機附近20 m內的風流。

（4）隧道頂部、支護結構頂部、超挖孔洞內。

（5）隧道中的變電所、水泵站、水倉等洞室和斷面變化處。

4.3 完善瓦斯隧道內通風設計

在長大低瓦斯隧道施工中，還應完善隧道內的通風設計，采用連續通風模式，預防施工風險。通風設計的關鍵在于風量設計、風機選型和通風檢測。在此過程中需要做好以下幾點。

（1）隧道洞口可設置壓入式通風管道，通風機為大功率軸流式通風機。布設通風裝備前，還應結合隧道建設技術標準，以及施工作業面瓦斯最大涌出量、最低風速、工作面需風量確定隧道的風量設計值。

（2）選擇通風機時，需要結合項目實況，重點分析通風機的工作參數，如工作風量Q和全風壓、風機運行模式等，選定后將一定數量的風機設置在隧道內。

（3）隧道施工期間，還應重視通風檢測，由專業人員實時監測隧道內的通風情況，包括風速、風量等重要參數，同時配備專業人員定期維護和管理通風設備，培訓通風機組管理人員，積極引進新型管理理念與管理技術，提高隧道通風機組的管理質量，確保隧道通風正常，建立通風臺賬，落實責任到個人，確保隧道通風性能。

5 結語

綜上所述，為在長大低瓦斯隧道施工時，減少因瓦斯滲漏和涌出產生的安全風險，該文結合具體的工程案例，總結了該類隧道工程施工技術要點，以及施工期間瓦斯的防治措施，突出了瓦斯監測、施工段隔離層設置和改善掘進方法的重要性，使相關人員能夠更全面地控制長大低瓦斯隧道施工中的安全風險，促進瓦斯隧道施工技術體系的進一步完善。

參考文獻

[1]馮濤. 長大隧道煤系地層瓦斯段揭煤施工控制技術[J]. 建筑技術開發， 2020（3）： 2-5.

[2]胥陽安. 高瓦斯長大隧道施工中瓦斯防治技術與安全管理對策[J]. 工程技術研究， 2021（3）： 188-189.

[3]戴剛. 低瓦斯隧道施工安全風險與施工管理[J]. 智能城市， 2021（7）： 2-8.

[4]秦健平. 高速公路低瓦斯隧道施工工藝初探[J]. 交通科技與管理， 2021（1）： 1-2.

[5]項海燕. 超長瓦斯隧道斜井-單通道組合式通風技術研究[J]. 交通世界， 2021（19）： 3-6.