高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術研究

李勝任

摘要：針對高速公路隧道施工常出現瓦斯最大涌出量過大，嚴重影響施工安全性的問題，開展高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術研究。通過隧道施工瓦斯檢測、瓦斯隧道出口通風方案設計、車輛防爆改裝、瓦斯段鉆孔爆破作業施工，提出一種新的瓦斯防治施工工藝技術，分別從瓦斯最大涌出量控制和防御危險情況發生兩方面展開研究。通過實例證明，新的工藝技術應用可以實現對瓦斯最大涌出量的有效控制，保障高速公路隧道施工的安全性。

關鍵詞：隧道；防治；瓦斯；公路；施工工藝

0? ?引言

隨著國家交通基礎設施建設的不斷推進，高速公路隧道工程日益增多。然而在隧道施工過程中，瓦斯災害問題也隨之凸顯。瓦斯是一種易燃易爆的氣體，如不加以妥善防治，極易引發安全事故[1]。因此開展高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術研究，具有重要的現實意義和理論價值。

近年來，國內外學者針對高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術開展了大量研究。在瓦斯監測方面，研究者們提出了多種監測方法，如氣體成分分析法、紅外線法、光纖傳感法等[2]。在瓦斯治理方面，則主要集中在瓦斯抽放、局部通風、防火滅火等方面。當前的研究仍存在一些問題：一是理論研究與實際應用脫節，研究成果難以轉化為實際工程應用；二是缺乏對不同地質條件下瓦斯防治施工工藝技術的系統研究；三是對于新型材料和工藝在瓦斯防治領域的應用研究尚不充分。本文旨在探討高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術，以實現對瓦斯最大涌出量的有效控制，提高施工安全性。

1? ?隧道施工瓦斯檢測

1.1? ?瓦斯濃度爆炸界限

隧道施工中瓦斯段內的混合氣體中還含有CO、CO2、H2S、NO等有害氣體。當這些有害氣體濃度達到一定值時，工作人員進入該地區就可能發生窒息等瓦斯事故。表1為瓦斯濃度爆炸界限表。

1.2? ?隧道施工瓦斯檢測體系

可通過對隧道各施工地點的連續監測和重點檢測，有效防止施工過程中有毒有害氣體超限，確保隧道施工安全。根據監測數據的大小，采取針對性的有效措施。圖1為隧道施工瓦斯檢測體系。

1.3? ?瓦斯檢測方法

目前在隧道施工過程中，瓦斯檢測方法有兩種，一種是采用監控系統進行自動監測；另一種就是利用檢測設備，定期的進行人工檢測。前者可以實現連續性的自動化監測，但是只能對探頭位置的瓦斯濃度進行檢測。而人工檢測能實現對任何地點的檢測，但是卻不能實現連續性檢測。在瓦斯隧道施工過程中，必須采取人工檢測與自動監測相結合的方式進行瓦斯檢測，以確保檢測的可靠性。

2? ?瓦斯隧道出口通風方案設計

2.1? ?控制瓦斯最大涌出量方法

控制瓦斯最大涌出量可從應下列幾個方面著手：一是采取機械不間斷的通風方式；第二，對于高瓦斯區，在2km以下的區域，可以使用壓入法。第三，在瓦斯洞施工之前，要對各個施工區段的風量進行調節；在掘進結束后，要進行通風系統的調試，并對各個施工區域的瓦斯濃度進行監測，以避免瓦斯超限[3]。第四，在局部瓦斯積聚的地方，最小風速應該取1m/秒，且整個巷道的風速不能低于0.25m/秒。第五按照稀釋瓦斯所需，確定風量。風量計算如下：

（1）

式中：Q瓦斯表示稀釋瓦斯所需風量；K表示實現相關系數，取值為2；A表示絕對瓦斯涌出量；C1表示送風瓦斯濃度；C0表示隧道內允許瓦斯濃度。

2.2? ?不同通風方式特點分析

隧道通風的方式有自然通風和機械通風兩類。自然通風是利用洞室內的溫差或風壓差來實現通風的一種形式，一般僅限于短直隧道。該種通風方式受洞外的氣候條件的影響極大，因此該種通風方式在隧道上不適用。機械式通風是通過設置一系列的通風機械，將新鮮空氣送入隧道中來達到置換污濁空氣的目的。

根據主要通風機工作方式的不同，機械式通風方式可以分為壓入式、抽出式和壓抽混合式。根據風道類型和通風機安裝位置的不同，可以分為風管式、巷道式和風墻式3種。

2.3? ?通風措施

在隧道掌子面開挖臺架頂部前方兩側安裝2臺5.5kW移動式防爆型通風機，向掌子面供風，防止局部瓦斯聚集。在二襯臺車頂部前方操作平臺中間安裝1臺5.5kW移動式防爆型通風機，將模板臺車頂部、死角位置的瓦斯引出。在防水板鋪設臺架頂部前方中間位置配備1臺5.5kW移動式防爆型通風機，防止局部瓦斯聚集。

隧道采用抗靜電阻燃型直徑1.8m風筒，風筒采用雙反邊接頭，建議設置2個獨立風筒，互為備用，確保連續通風。

目前隧道采用的風機型號為SDF-No11.5，風量為1170～2285m3/min，風壓為1450～9250Pa。在隧道掘進后期，該風機風量不能滿足隧道通風需求，因此采用2×132kW軸流風機與Φ1800mm風管供風，以滿足隧道進口風量及風壓要求。并在隧道各進口附近30m外，裝設SDDF-Ⅲ13型對轉三速軸流風機2臺，1個運行一個備用。

3? ?隧道施工設備防御措施

在施工現場，經常會使用很多諸如輸送泵、挖掘機、裝載機、運輸機車等大型施工設備。在有瓦斯的情況下，需要采取相應的措施，以避免此類設備在瓦斯超限情況下發生火花，進而引發瓦斯爆炸[4]。隧道大型施工設備防御措施分為兩種：主動防御和被動防御。

主動防護是在車上加裝氣體監測裝置，以對車輛周邊大氣中的氣體含量進行實時檢測。在檢測到氣體含量超過警戒值0.3%時，檢測裝置會發出聲音來提醒駕駛員立刻停機。若駕駛員未對警報進行及時處理，當氣體濃度達到停電限制值0.5%時，控制器會控制電子熄火設備自動熄火，并切斷設備電源。

被動防護的方法重點是對機械設備的進氣系統、排氣系統、冷卻系統、電氣系統作適當改造。其主要作用及特征如下：①安裝后，機車功率等性能不會發生變化；②安裝迅速、維修方便、防振、防水性好、工作平穩、可靠；③設備先啟后停，有一定的安全處置時間間隔；④燃氣超限報警、斷氣閾值可根據使用情況進行動態設置；⑤氣體參數超出報警極限時，具有聲光報警功能；⑥在燃氣參數超出停電限制時，能自動發出切斷控制信號[5]。

某監控裝置安裝如圖2所示。該保護裝置的工作電壓為DC18～36V，工作電流為≤1000mA，工作溫度為-20～+80℃，甲烷監測范圍為0～4%。該裝置以車載甲烷斷流器為主機，配合瓦斯傳感器，實現了對其工作環境中瓦斯濃度的實時監控。

4? ?瓦斯段鉆孔爆破作業要點

在瓦斯段施工時，要求在開挖面20m范圍內的氣體含量不能超過0.5%。在施工過程中，先開水，再通風，再通電，最后開孔。工作完成后，先關水，再關風口，最后斷電。

炮眼的深度不能少于0.6m，如欠掘，炮眼深度低于0.6m，則要做好防護措施，并用炮泥封堵。嚴禁在露天進行爆破作業，且在作業過程中，要將作業機具的電源斷開。

放炮母線、連接線、雷管腳線等各連接點必須擰緊，不能虛接，明線部位要用絕緣材料覆蓋并懸掛起來。禁止在放炮母線上采用裸線，且不允許有明接點。爆炸母線與電纜、電線及信號線應分別懸掛于巷道兩端，如需并列，則母線應吊于電纜之下，且懸吊間隔應大于0.3m。順發電雷管和毫秒電雷管不能共用一個網路。

在爆破前，將爆破母線拉到指定的位置，然后用電爆網路安全阻抗裝置對爆破網路的安全電阻進行檢測。嚴格遵循“一炮三檢”制度，爆破前、爆破后均要對爆破點周圍的氣體進行檢測，若瓦斯濃度大于0.5%，則不得進行爆破。

實行“三人聯動放炮制”，在爆破結束后15min內，爆破工、瓦工、工長要先到爆破現場進行檢查，檢查通風、瓦斯、煤塵、支護、瞎炮、殘炮等，發現有危險時要及時處置。當瓦斯含量低于1%、CO2含量低于1.5%時，才能解除警報開展掘進作業。

5? ?實例應用分析

本文依托宜賓至畢節高速公路威信至鎮雄段TJ-2標段施工項目，利用上述施工工藝技術對其進行施工。

5.1? ?工程概況

宜賓至畢節高速公路威信至鎮雄段TJ-2標段扎西勝利隧道，位于云南省鎮雄縣龍里村境內。隧道采用分離式設計，左線起訖樁號ZK35+325～ZK38+925，總長3600m；右線起訖樁號K35+315～K38+930，總長3615m。

設計為分離式雙向四車道，設計時速80km/h，洞內設計為具有防排水功能的復合鋼筋混凝土襯砌。隧道左線最大埋深約389m，右線最大埋深約407m，屬于特長隧道。

根據本次超前鉆孔中采取的瓦斯樣分析，礦區瓦斯成份以N2為主，CH4其次。其中可燃氣體成分含量為0.94%～34.09%。表2為扎西勝利隧道超前鉆孔瓦斯成分測試分析一覽表。

隧道場地主要包括隧道民工營區、濕噴站及鋼筋加工場、空壓機房、變壓器場地。臨建布局要求合理緊湊，滿足施工并符合相關規定要求。

5.2? ?應用效果分析

利用本文上述提出的施工工藝技術對其進行施工，并結合下述公式計算得出5個不同分段絕對瓦斯涌出量：

Q絕=QC/100? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Q絕表示絕對瓦斯涌出量；Q表示隧道回風量；C表示隧道風流中瓦斯濃度。

根據該項目安全要求，各個分段單日瓦斯最大涌出量不得超過0.1814m3/min。將計算結果繪制成表3所示。

從表3中可以看出，各個分段單日瓦斯最大涌出量均能控制在0.025m3/min以內，充分滿足上述規定要求的不超過0.1814m3/min的標準。通過得到的結果可以看出，應用本文提出的施工工藝技術可以實現對瓦斯涌出量的有效控制，促進施工安全性提高。

6? ?結束語

為了提高施工安全性，本文對高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術展開研究。同時，結合具體工程案例和實地調查數據，分析不同地質條件下瓦斯防治施工工藝技術的應用效果。研究結果表明，合理的瓦斯監測和防御措施，能夠有效降低高速公路隧道瓦斯事故發生的風險。未來研究方向應集中在以下幾個方面：一是加強理論研究與實際應用的銜接；二是開展不同地質條件下瓦斯防治施工工藝技術的系統研究；三是探索新型材料和工藝在瓦斯防治領域的應用前景。

參考文獻

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[5] 傅璇.高風險長大頁巖氣隧道瓦斯涌出量預測及防治措施[J].鐵道建筑技術，2022（9）：189-192+197.