新疆長距離輸水隧洞施工安全設施布置研究

魏香鴻

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,烏魯木齊 830000)

0 前 言

長距離隧洞工程施工安全存在很強的不確定性和未知性,特別是長距離深埋隧洞,一旦發生安全事故,破壞規模極大,施救人員非常困難,大大降低了人員生還幾率。經查閱[1-10],水利水電工程相關設計規范中并未涉及施工安全措施設置的具體規定,其他相關行業如交通、鐵路、煤炭、金屬非金屬等設計、施工規范中對施工安全措施設置部分有詳細規定及相關說明,如《鐵路隧道施工搶險救援指導意見》中明確在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖地段預先設置逃生管道;TB 10020-2017《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》規定不同長度下設置緊急出口、避難所或相互聯絡橫通道;《煤礦安全規程》規定井下設置避難洞室;GB 50215-2015《煤炭工業礦井設計規范》中關于具備應急逃生出口或采用2個安全出入口的相關規定等。

對比公路、鐵路、煤炭、冶金行業與水利行業地下隧洞綜合比較,從隧洞布置方面對比,區別在于公路、鐵路行業車道數通常為雙向兩條隧洞,且兩條隧洞間距較小,增加應急通道僅在雙通道之間設置連接通道即可滿足要求,煤炭、冶金行業根據行業的規范要求,其作業通道本身已具備雙通道的要求,而水利工程隧洞通常以長距離單隧洞為主,特別是深埋長距離隧洞,增加通道工期長、費用高,因此以節約工程造價為基礎的情況下施工通道數量較少,無法參照相關行業規范雙通道的要求。

水利工程輸水隧洞與公路、鐵路、煤炭及冶金行業的隧洞從運行工況方面對比,區別在于公路鐵路及煤炭冶金行業為長期有人類從事交通或生產活動,人員流動周期長、密度大,因此無論是交通安全還是施工安全重視程度較高,水利工程輸水隧洞僅在施工期有人員作業,待工程建成后隧洞內無人員活動,如參照相關行業規范規定布置安全措施,其標準過高,且臨建工程投資占比較大,最直接反應就是施工安全措施費遠遠不足,如不考慮安全措施,長距離輸水隧洞同為地下工程[11-15],總長度及單工作面長度均比較長,特別是長距離深埋輸水隧洞根據施工分段規劃單個分段內僅設置單個施工通道且工作面較長,一旦發生坍塌、施工通道發生火災、塌方造成“斷后路”等事故,施工救援和人員逃生避險難度極大,如何采取有效安全措施避免產生人員傷亡且經濟對輸水隧洞施工安全具有重要意義。本文以新疆某輸水工程為例,研究提出長距離輸水隧洞施工安全設施布置方案,為類似工程施工安全提供經驗。

1 工程概況

新疆某輸水工程全線共長516.53 km,其中TBM掘進長度達405.94 km。全線共設置45條施工通道,其中緩斜井34條,豎井及通風井11條。緩斜井最長6.4 km,最短90 m。工程為線性輸水工程,最大單工作面距離19.9 km,最大深埋792.5 m,掘進工期34月,具有隧洞長、埋深大、工作面眾多、投入設備及人員數量多,分布分散等施工特點。本項目施工項目單一,主要施工內容為輸水隧洞工程,施工過程中可能發生威脅到施工人員安全的危險源主要分為兩類,一是由于地質原因產生的危險源;二是由于施工活動產生的危險源。由于地質原因產生的危險源主要有破碎巖體塌方、涌水、巖爆、軟巖變形、高地溫、放射性、有害氣體、活斷層等;由于施工活動產生的危險源主要為火災、交通事故、觸電、高空墜亡、炸藥庫、爆破施工等。

2 隧洞施工安全設施種類、適用性及布置

根據相關行業對安全設施的相關要求及規定,安全設施主要可分為避難場所、逃生通道(緊急出口)、逃生管道等主要措施加以監測監控、人員定位、壓風自救、供水施救、通信聯絡等輔助設施實現緊急避險逃生措施。針對地下洞室施工中無法預測且可能造成嚴重后果的不良地質條件和施工活動危險源制定相應安全設施,其常見安全措施及適用情況統計詳見表1。

表1 常見安全措施及適用情況統計表

表2 豎井內罐道和井梁布置的最小間隙 單位:mm

3 安全設施布置

3.1 逃生通道

根據工程總體布置,逃生通道設置在施工通道相距遠的TBM掘進洞段。根據逃生通道的適用性,通道設置按照預防“坐以待斃”原則,將逃生通道設置在危險源與施工掌子面之間,以保證發生“斷后路”事故時施工人員可通過逃生通道通往地面。逃生通道型式可分為斜井、緩斜井及豎井三種方式,考慮快速施工、安全可靠、工期保證率高及經濟合理等因素,逃生通道采用豎井的通道型式。豎井式逃生通道的優點一是施工工期較短,二是斷面布置緊湊,相比平洞及斜井投資小,三是可與通風結合布置,一井兩用。

根據機械化快速施工最小斷面擬定,逃生豎井井筒斷面為圓形,直徑4.5 m。豎井井內布置梯子間和單罐籠。參照GB l6423-2020《金屬非金屬礦山安全規程》中的規定,提升容器之間、提升容器與井壁或罐道梁之間的最小間隙應滿足下表中的要求。

圖1 井筒橫斷面內逃生設施布置 單位:mm

豎井內設置兩種逃生設施,一是梯子間作為應急安全出口;二是罐籠做為人員撤離提升設備。經復核,井筒內布置的梯子間和罐籠的尺寸滿足規范要求。

梯子間由爬梯、梯子鋼梁、休息平臺和梯子間外側防護網組成,平面尺寸為1.94 m×1.2 m(長×寬),層間距4.0 m。梯子大梁選用I25工字鋼,兩端采用M27樹脂錨桿固定,梯子結構小梁采用2根14號工字鋼,一端采用M27樹脂錨桿與井壁固定,另一端與梯子間結構大梁連接,梯子平臺采用6 mm厚花紋鋼板;梯子間外側采用鐵絲編制成的金屬網防護。

罐籠尺寸2.5 m×1.5 m×2.5 m(長×寬×高),采用鋼絲繩罐道,鋼絲繩罐道采用四角布置,使用30 mm密封鋼絲繩,采用液壓螺桿拉緊式裝置拉緊。采用鑿井提升機JKZ-2.8×2.2提升。

逃生豎井布置在主洞側面,豎井中心線與主洞中心線間距20 m,兩者之間由連接洞室相連。

豎井井口布置鑿井井架及提升機房,井架內設置箕斗卸載裝置。

圖2 井底連接洞室平面 單位:mm

圖3 Ⅲ型鑿井井架

無事故發生時,罐籠懸空出井口,豎井作為通風井使用,一旦發生塌方、突涌水、巖爆等事故造成施工人員無法從施工通道撤離時,施工人員可通過梯子間迅速撤出主洞范圍,在休息平臺等待,罐籠作為上下人“電梯”使用,迅速將施工人員提升至地面。

3.2 逃生管道

隧洞施工無論是TBM掘進洞段還是鉆爆洞段,掌子面施工人數最多,鉆爆段施工掌子面人數一般不超過9人,TBM掘進洞段施工人數為20～28人,其施工人數占該工作面施工人數90%以上,因此,確保掌子面施工人員安全等同于避免重大安全事故發生。

逃生管道不僅適用于TBM掘進洞段,也適用于鉆爆洞段,其優點是經濟實用,可隨掌子面移動跟進。逃生管道布置部位、材料、連接方式等布置形式參照《鐵路隧道施工搶險救援指導意見》中搶險救援預案中相關規定進行布置。

鉆爆洞段隧洞斷面為平底馬蹄型,開挖洞徑為7.75～8.15 m,TBM施工洞段為圓型,開挖洞徑為7.8 m。逃生管道內徑不宜小于0.8 m,布置在隧洞右側,貼洞壁擺放。逃生管道用工字鋼架離地面40 cm。

圖4 鉆爆法施工洞段逃生管道布置 單位:mm

逃生管道已廣泛應用至公路、鐵路隧道施工中,并有相關的規范要求。

3.3 避難洞室

避難洞室設置原則參考《煤礦安全規程》中關于避難洞室設置的相關規定。根據避難洞室適用性,避難洞室主要功能為發生火災、塌方、巖爆、有毒有害氣體及涌水事故時人員避險。按照工作面施工人數,以單工作面為例,掘進、運輸、皮帶班、綜合保障等施工小組施工人數為24人,考慮1.1的備用系數,設計避難人數為27人。根據每人應有不低于0.9 m2有效使用面積的原則,避難洞室生存室設計洞長7 m,有效使用面積為28 m2。

圖5 TBM施工洞段逃生管道布置 單位:mm

避難主要設置部位為主支洞交叉口、不良地質段于掌子面之間。洞室分為過渡室、生存室。避難洞室采用120°城門洞型,斷面尺寸為寸4.00 m×2.96 m(寬×高),底板高程高于主洞底板高程0.5 m。

避難洞室安全出口應采用向外開啟的兩道門結構。外側第一道門采用既能抵擋一定強度的沖擊波,又能阻擋有毒有害氣體的防護密閉門;第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門。兩道門之間為過渡室,密閉門之內為避難生存室。防護密閉門密封計抗沖擊壓力參照《煤礦安全規程》相關要求執行。

避難洞室均采用40 cm鋼筋混凝土二次襯砌,一次支護采用噴C25混凝土厚20 cm,16號鋼拱架,榀距1.0 m,直徑8 mm鋼筋網(200 mm×200 mm),設直徑25 mm砂漿錨桿(L=3.0 m,間排距1.5 m)。避難洞室均布置在主支洞交匯口附近,目前均已開挖完成。避難洞室選擇在已揭露無水洞段,如施工過程中如遇線性出水情況,采用固結灌漿方式堵水。如預防危險源為涌水時應設置連接洞,使生存室底板高于主洞底板3.5 m以上。

圖6 避難洞室典型平面布置 單位:mm

避難洞室內除人員臨時避險外應布置應急通風管道及應急通訊設施,事故發生時確保洞內施工人員生存供氧充足且可向外聯系,使洞外人員徐速了解災情,以便有針對性組織救援。

3.3.1應急通風布置

避難洞室布置在主洞支洞交匯口處,施工支洞為鉆爆洞,根據施工方案,隧洞內布置有壓風管道,避難洞室供風采用由機械壓風管道連接三通管道,埋入式布置將供風管道接入避難洞室內。

如在主洞段設置避難洞室,應急通風也可在洞頂設置至地面的通氣孔,孔徑200 mm。按照避難洞室建設標準,供風量不低于0.3 m3/min·人。本避難洞室設計避難人數為24人,洞頂設置VY-9/7-c柴油移動式空壓機,排氣量3 m3/min。

3.3.2應急通訊布置

為使洞內施工人員保持通訊通暢,隧洞內布置應急通訊系統。通訊系統主要由通訊線纜、通訊電話及穿線管道構成。通訊線纜布置在隧洞一側,采用地埋式布置,接入避難洞室內。

3.4 自救器

自救器是井下發生火災、有毒有害氣體時防止施工人員中毒或缺氧窒息的一種隨身攜帶的呼吸保護器具。當事故發生時,掌子面施工人員、沿洞線施工人員及安全員、巡檢員距安全設施較遠,需配自救器供人員安全抵達避難洞室或逃生通道。由于自救器安全使用時間為40 min,因此在主洞施工工作面每2 km設置一個自救器存放站,可于洞內微型消防站、洞內通訊設施聯合布置成為固定應急救援站。

3.5 救生艙

救生艙最大優點是作為移動式避難場所隨時跟隨在施工掌子面附近,如發生“斷后路”事故,施工人員可快速避險,等待救援。救生艙應按以下原則配置:

(1) TBM設備后配套中必須設置救生艙,救生艙應能滿足一個工作班制的工作人員臨時避難。

(2) 移動救生艙應具備安全防護、氧氣供給保障、空氣凈化與溫濕度調節、環境監測、通訊、照明、動力供應、人員生存保障等基本功能,額定防護時間不低于96 h。

(3) 在整個額定防護時間內,移動救生避難艙中含氧量應在18.5%～23.0%,艙內穩定不應高于35℃,濕度不應大于85%,保證緊急避險設施內始終處于不低于100帕的正壓狀態。

救生艙及配套臺車布置如圖7所示:

圖7 救生艙及配套臺車布置

救生艙配置應能容納掌子面施工人員。救生艙尺寸為9.5 m×1.2 m×2.2 m(長×寬×高),一節救生艙容量為20人。移動救生艙可與TBM一體定制,不占用單獨空間,距作業面距離近,緊急避險速度快。但移動救生艙屬于被動應急避險裝置,如遇短期內無法解決的安全事故,施工人員首選采用其他安全設置第一時間撤離地面,主動避險。

4 結 語

隨著我國基礎建設的快速發展,人們越來越重視施工安全,安全生產工作應當以人為本。雖然現場施工管理過程中已進行常態化安全教育,但施工人員安全意識仍然相對薄弱,一旦發生安全事故,對施工人員及其家庭都會帶來巨大傷害。作為長距離深埋輸水隧洞工程,應在規劃階針對工程特點段進行安全措施專項設計,指定適用于本工程實際的危險源辨識及評價,如針對于塌方、涌水、巖爆等不良地質條件造成的危險源以及如火災、交通事故等因施工活動造成的危險源等,劃分其危險源等級,并應對重大危險源設計經濟實用且適用的安全措施并在工程施工過程中實施,如文中提出的綜合安全井、逃生管道、避難洞室等。

除上述措施外在施工過程中根據工程設置的安全設施,應組織施工人員進行逃生應急演練,對安全事故進行分級分類,施工人員熟知在何種情況下首選哪類設施進行避險,提高事故發生時施工人員生還幾率。安全綜合井、避難洞室、逃生管道、自救器及微型消防站均已在本工程中投入使用。