魏二劍，文 坤

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610000)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、交通量的增加，隧道在現(xiàn)代交通中發(fā)揮著越來越大的作用。有關(guān)資料顯示［1］，我國在鐵路、公路、水利水電等領(lǐng)域已經(jīng)建成近萬座隧道，總長超過7 000 km。隧道建設(shè)過程中不可避免地要穿越瓦斯富集區(qū)地層，在這種情況下施工除了要注意常規(guī)操作控制要點以外，瓦斯防治工作將顯得尤為重要［2-3］。

目前，我國在瓦斯條件下進行地下工程施工所能執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)條款還不完善，許多方面直接引用煤礦行業(yè)的相關(guān)標準和規(guī)范［4-5］。因此，在瓦斯隧道施工過程中大多存在要么完全照搬煤礦行業(yè)的標準及工法，要么就直接按照一般隧道進行施工和管理。前者雖然在一定程度上保證了施工安全，但卻增加了許多不必要的投入，嚴重影響了成本和工期;后者則很難保證施工安全。

本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某一具體工程實踐，通過對瓦斯隧道施工安全控制措施各個要素進行分析探討，得出一套系統(tǒng)性的瓦斯隧道安全管理方法，希望可為類似瓦斯隧道的施工和安全管理提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

某隧道位于四川盆地東北部的廣元市元壩區(qū)鴛溪鎮(zhèn)，線路在鴛溪鎮(zhèn)三岔口進入該隧道，隧道起訖里程D1K642+090—D1K647+275，全長 5 185m，內(nèi)設(shè)人字坡，洞身最大埋深165m，線路走向近南北向。

本隧道為單洞雙線隧道，按設(shè)計時速200 km/h且滿足開行雙層集裝箱列車的客貨共線標準設(shè)計，洞內(nèi)采用重型軌道碎石道床，鋪設(shè)Ⅲ型軌枕(2.6 m)及60 kg/m鋼軌，軌道結(jié)構(gòu)高度77 cm。

隧區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組紫紅色泥巖、砂巖不等厚互層，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)軟易坍，裂隙中可能有有害氣體賦存。地下水主要以孔隙水和裂隙水兩種形式存在。據(jù)預(yù)測，隧道內(nèi)的正常涌水量為2 000m3/d，最大總涌水量為2 600m3/d，但地下水對混凝土無侵蝕性。

該隧道附近5 km范圍內(nèi)分布有兩口天然氣井，天然氣等有害氣體可能順著巖層構(gòu)造裂隙上逸，并在隧道洞身范圍基巖裂隙或縫隙中局部游散富集，形成氣囊，具有隨機性和不均勻性，危及隧道施工。據(jù)勘測，該隧道單孔瓦斯最高濃度為8 730 ppm，瓦斯含量為10 719 m3，瓦斯壓力為0.2 kPa，瓦斯絕對涌出量為3.03 m3/min。

2 瓦斯隧道界定和劃分

2.1 瓦斯隧道界定

圍巖內(nèi)含有瓦斯的隧道即為瓦斯隧道，也就是說，在隧道內(nèi)任何地點、任何時間只要有一次發(fā)現(xiàn)瓦斯，那么就將該隧道界定為瓦斯隧道。

2.2 瓦斯隧道的劃分

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)，將瓦斯隧道劃分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道、瓦斯突出隧道3種，瓦斯隧道的類型按照隧道內(nèi)瓦斯工區(qū)的最高級別來確定。

瓦斯隧道工區(qū)劃分為非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)及瓦斯突出工區(qū)共4類。

瓦斯隧道工區(qū)按照絕對瓦斯涌出量來判定［6］:當全工區(qū)的瓦斯涌出量＜0.5m3/min時，為低瓦斯工區(qū);當全工區(qū)的瓦斯涌出量≥0.5m3/min時，為高瓦斯工區(qū);當瓦斯壓力p≥0.74 MPa、鉆孔瓦斯放散初速度Δv≥10或者單孔瓦斯涌出量q≥4 L/min、巖體堅固性系數(shù)f≤0.5時為瓦斯突出工區(qū)。

因該隧道瓦斯絕對涌出量為3.03 m3/min，所以設(shè)計中將該隧道定為高瓦斯隧道。

3 瓦斯的危害

1)瓦斯窒息

瓦斯的主要成份是甲烷(CH4)。它是一種無毒、無味、無色、可燃燒的氣體。在常態(tài)下，空氣中氧氣的濃度接近21%，也就是說這是最適合人類生存的氧氣濃度。當空氣中瓦斯?jié)舛容^高時，氧氣的濃度就會相應(yīng)降低。當瓦斯?jié)舛冗_到43%時，氧氣濃度將降至12%，人會有呼吸困難的感覺;當瓦斯?jié)舛冗_到57%時，氧氣濃度就會降到9%，此時短時間內(nèi)會讓人窒息而亡。

2)瓦斯爆炸

引起瓦斯爆炸必須同時具備以下條件:①瓦斯聚集到一定的濃度，瓦斯爆炸濃度為5% ～16%，當瓦斯?jié)舛葹?.5%時，其爆炸威力最強(氧氣和瓦斯完全反應(yīng))。②足夠的氧氣濃度。③一定的引火溫度。瓦斯的引火溫度一般認為是650℃ ～750℃。明火、吸煙、放炮、架線火花，甚至撞擊和摩擦產(chǎn)生的火花等都足以引燃瓦斯。

瓦斯爆炸產(chǎn)生的瞬間溫度可高達1 850℃～2 650℃，壓力可達到初壓的9倍，爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易使人傷亡和破壞器材設(shè)施。爆炸后將會生成大量的CO2、CO等有毒有害氣體，使人中毒和窒息。

3)煤(巖)與瓦斯突出

煤(巖)與瓦斯突出事故是指隧道或者煤巷在掘進過程中，在地應(yīng)力、瓦斯壓力共同作用下，發(fā)生大量煤(巖)與瓦斯瞬間向采掘空間拋出的異常動力現(xiàn)象。其表現(xiàn)為幾噸至數(shù)千噸甚至上萬噸以上的破碎巖土在瞬間向采掘空間拋出，機械和人員被掩埋，同時伴有大量瓦斯涌出，造成人員窒息，危害極為嚴重。

4 瓦斯隧道施工安全控制措施

瓦斯事故一般都會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，可謂相當?shù)目膳?。但是如果我們能夠掌握好瓦斯的一些?guī)律并積極采取相應(yīng)的措施，那么瓦斯事故還是可以防止和避免的。要防止瓦斯事故，應(yīng)做到以下幾點。

4.1 加強通風(fēng)管理

控制瓦斯?jié)舛仁亲钣行У姆乐雇咚贡ǖ募夹g(shù)措施。通過有效的通風(fēng)手段稀釋瓦斯，將其控制在爆炸界限以下，即使出現(xiàn)火花等引燃源，也不會導(dǎo)致瓦斯爆炸。可見，通風(fēng)效果的好壞將直接決定是否會發(fā)生瓦斯爆炸。

1)通風(fēng)方式的選擇

隧道通風(fēng)的基本方式主要有壓入式、抽出式、送排混合式和巷道式等。根據(jù)絕大多數(shù)隧道無軌運輸施工特點，采用壓入式通風(fēng)可以使工作面的污染度最小，空氣質(zhì)量最好。通風(fēng)機不需經(jīng)常移動，且壓入式的有效射程比吸入式的有效吸程大得多，利于工作面設(shè)備布置和作業(yè)，管理上也方便，因而更宜于機械化作業(yè)。故獨頭掘進長度＜2 km的瓦斯隧道多采用壓入式通風(fēng)，是目前隧道施工通風(fēng)的主要方式。因此，該隧道采用壓入式通風(fēng)。

2)風(fēng)機選型

風(fēng)機根據(jù)構(gòu)造可分為3類:離心式通風(fēng)機、軸流式通風(fēng)機和射流式通風(fēng)機。

該隧道采用2臺規(guī)格型號為SDZ-12.5的軸流式通風(fēng)機，額定功率為135 kW，通風(fēng)能力為1 650～2 800m3/min。通風(fēng)機必須實行雙風(fēng)機雙電源供風(fēng)，并裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。當一臺主通風(fēng)機發(fā)生故障時，備用風(fēng)機必須在10min內(nèi)啟動;當一路電源停止供電時，另一路電源必須在10min內(nèi)啟動，保證風(fēng)機的運轉(zhuǎn)。加強風(fēng)筒管理，通風(fēng)管選用抗靜電阻燃風(fēng)管，直徑為1.8 m，模板臺車至風(fēng)室的風(fēng)管每節(jié)100m，二襯至掌子面風(fēng)管每個節(jié)段為5～30m不等。為保證風(fēng)管順直，根據(jù)現(xiàn)有模板臺車結(jié)構(gòu)，在模板臺車上設(shè)置鋼筒，風(fēng)筒從鋼筒中通過，風(fēng)筒必須跟進掌子面5m以內(nèi)。

4.2 加強瓦斯預(yù)測、檢測

該隧道瓦斯預(yù)測和檢測工作主要是通過人工檢測和利用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)檢測來實現(xiàn)的。

對于人工檢測，瓦斯檢查員必須經(jīng)過培訓(xùn)并持證上崗，要嚴格按確定的地點、頻率、檢查方法進行檢查，嚴禁空班、漏檢和假檢。并嚴格執(zhí)行和落實“一炮三檢”制度。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)接口、監(jiān)控分站、各類傳感器(如瓦斯傳感器、一氧化碳傳感器、開停傳感器、硫化氫傳感器等)、電纜、接線盒等設(shè)備組成。如圖1所示。

瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)使用瓦斯斷電裝置連續(xù)監(jiān)測，隧道自動斷電報警系統(tǒng)為聲、光連動形式。在瓦斯?jié)舛龋?.5%時報警，瓦斯?jié)舛龋?%時切斷電源實行瓦電閉鎖。

圖1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦和瓦斯隧道安全管理起到了十分重要的作用。隨著電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了 KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000 和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)。本著安全、可靠、經(jīng)濟的原則，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)特點和隧道的具體情況，本隧道選用KJ101瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3 施工設(shè)備防爆改型

目前隧道施工所使用的施工機電設(shè)備基本是通用型設(shè)備，這類設(shè)備不具防爆性能，只能用于無瓦斯的隧道。而瓦斯隧道就需要防爆型機電設(shè)備，將通用型機電設(shè)備改造為防爆型機電設(shè)備。

本隧道主要對變壓器、接線盒、電纜、控制器、燈具、插銷開關(guān)、裝載機、挖掘機、自卸汽車、混凝土輸送泵、混凝土攪拌運輸車等機電設(shè)備做了防爆改型。

4.4 加強超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報主要有地質(zhì)分析法、物理探測法和鉆孔探測法3種。其中，物理探測法主要有紅外線探測、地震波探測、地質(zhì)雷達探測、瞬變電磁法等。

該高瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報優(yōu)先采用鉆孔法，這是因為鉆孔法不僅能直觀有效地反映前方圍巖地質(zhì)情況，而且還能及時了解前方瓦斯的賦存情況;其次采用地震波探測法作為輔助方法。

4.5 加強日常安全管理工作

該隧道日常安全管理工作主要有以下幾個方面:①建立健全各項規(guī)章制度;②做好進洞人員安檢工作，以防止將火源帶進洞內(nèi);③嚴格執(zhí)行風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖;④加強對員工的教育培訓(xùn);⑤做好應(yīng)急救援工作。

5 實施效果

將該隧道進口12個月的瓦斯?jié)舛茸畲笾道L成曲線，見圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛茸畲笾底兓€

由圖2可知，該隧道進口在12個月中瓦斯?jié)舛然径荚?.35%以下，處于《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的0.5%安全線下，并且該隧道自開工至今尚未出現(xiàn)過一起事故。由此可見，采取上述各項安全控制措施，有效地保證了隧道的安全掘進。

6 結(jié)語

瓦斯的危害主要有瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤(巖)與瓦斯突出等，針對這些危害發(fā)生的誘因，及時采取措施，可防止瓦斯事故的發(fā)生。

瓦斯隧道施工安全控制措施主要包括加強通風(fēng)管理、加強瓦斯?jié)舛葯z測、機電設(shè)備防爆改型、超前地質(zhì)預(yù)報及加強日常安全管理工作等。

該隧道1年內(nèi)的瓦斯?jié)舛戎碉@示，采取本文所述各項安全控制措施后，該瓦斯隧道安全管控到位，處于可控狀態(tài)?？傊?，瓦斯防治是個系統(tǒng)工程，運用系統(tǒng)論的觀點、理論和方法控制好瓦斯隧道安全管理措施中各組成要素，可以減少或避免瓦斯事故的發(fā)生。

［1］唐小兵，許模.我國瓦斯隧道建設(shè)現(xiàn)狀綜述［J］.人民長江，2011(3):30-33.

［2］張立坤，馬福民，高峰.隧道施工高瓦斯防治指南［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］趙階勇.鐵路瓦斯隧道施工特點及問題探討［J］.隧道建設(shè)，2011(1):82-87.

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［5］茍彪.瓦斯隧道施工控制及防治措施探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(2):22-27.

［6］郝俊鎖，沈殿臣，王會軍.梅嶺關(guān)瓦斯隧道施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(2):141-143.