楊本偉 馮 森 鄭恩樹 江中勇 趙天偉 劉金興

(1.中鐵建重慶投資集團(tuán)有限公司，重慶 400700; 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶鐵發(fā)建新高速公路有限公司,重慶 404100； 4.中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400010)

1 公路瓦斯隧道發(fā)展?fàn)顩r

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，隧道建設(shè)面臨的地質(zhì)情況更加復(fù)雜多變，隧道建設(shè)規(guī)模越來越大，不同等級公路在選線時，需要考慮多方面的因素，常優(yōu)選隧道方案，既有利于線路布局，又保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時我國山地眾多且地形地貌復(fù)雜多變，在進(jìn)行公路隧道選線時，雖然盡可能避免穿越瓦斯地層，但往往代價巨大，有時不得不穿越含瓦斯地層[1-3]。因而在公路隧道建設(shè)中，必然會遇到瓦斯隧道的勘察、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營管理等問題。隨著我國隧道施工技術(shù)水平的大力發(fā)展，瓦斯隧道修建逐漸向特長、深埋、大跨度等方向發(fā)展[5]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明[6-12]，截至2010年，我國已建及在建的瓦斯隧道共計(jì)94座。瓦斯隧道按照埋深及長度進(jìn)行分類，如圖1，圖2所示。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

目前國外對于公路瓦斯隧道分級指標(biāo)的研究較少。大多數(shù)國家對于瓦斯工區(qū)分級僅參照煤礦瓦斯作業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，沒有形成系統(tǒng)的公路隧道瓦斯工區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)，同時對于瓦斯工區(qū)分級也存在許多局限性。其中國外幾個主要國家對于瓦斯分級所采用的指標(biāo)如下[13-17]：

1)原蘇聯(lián)、波蘭、德國、印度等國家僅采用噸煤瓦斯含量(即相對瓦斯涌出量)作為瓦斯等級劃分指標(biāo)；

2)日本把回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛茸鳛榈V井瓦斯等級的劃分指標(biāo)，將瓦斯等級分為甲種瓦斯和乙種瓦斯，其實(shí)質(zhì)是把通風(fēng)管理因素引入礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)；

3)英國、澳大利亞等國家均無明確的礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)對瓦斯等級進(jìn)行判斷[2];

4)美國一般對于礦井瓦斯的開采較少，對于瓦斯的治理成本的投資也比較保守，不愿承擔(dān)一定的風(fēng)險，因此認(rèn)為所有煤層皆為瓦斯煤層。

實(shí)際施工過程中，隧道發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故的主要原因是由于隧道穿越煤系地層的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，在煤系地層中一般巖層受到構(gòu)造作用的影響較大，且煤化程度也較高，使得巖層完整性較差，爆破作業(yè)對周圍巖層會產(chǎn)生較大的擾動，進(jìn)而使得煤巖裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化，從而出現(xiàn)賦存在煤巖內(nèi)的瓦斯氣體從內(nèi)向外以一定的規(guī)律發(fā)生移動和擴(kuò)散，移動和積聚的瓦斯在明火和充足的氧氣條件下導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生。因此對于大斷面瓦斯隧道建設(shè)，隧道圍巖中瓦斯?jié)B流、分布及擴(kuò)散規(guī)律對于隧道瓦斯災(zāi)害防治的研究，具有非常重要的理論意義。國外幾個主要國家對礦井瓦斯等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)均不同，具體劃分指標(biāo)見表1。

表1 國外礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國公路瓦斯隧道建設(shè)參照瓦斯礦井掘進(jìn)作業(yè)相關(guān)規(guī)范以及《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行瓦斯分級設(shè)計(jì)，基于瓦斯隧道分級標(biāo)準(zhǔn)采取相應(yīng)的瓦斯災(zāi)害防治措施。我國礦井瓦斯等級劃分共經(jīng)歷三個階段(如表2所示)。

表2 我國礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

在1980年以前，借鑒原蘇聯(lián)的劃分指標(biāo)，以相對瓦斯涌出量(即噸煤瓦斯涌出量)作為分級標(biāo)準(zhǔn)，將礦井瓦斯等級劃分為Ⅰ級瓦斯礦井、Ⅱ級瓦斯礦井、Ⅲ級瓦斯礦井和超級瓦斯礦井；1980年—2001年間，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》在已有分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將Ⅰ級瓦斯礦井和Ⅱ級瓦斯礦井合并為低瓦斯礦井，Ⅲ級瓦斯礦井和超級瓦斯礦井合并為高瓦斯礦井，有突出情況即為煤與瓦斯突出礦井。2001年至今，在進(jìn)行礦井開采中發(fā)現(xiàn)僅采用相對瓦斯涌出量作為分級標(biāo)準(zhǔn)時，在礦井生產(chǎn)中面臨許多問題，造成通風(fēng)設(shè)計(jì)不能滿足生產(chǎn)需要。故提出采用礦井相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量一起作為礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

3 公路隧道分級指標(biāo)

3.1 瓦斯隧道等級定義

公路隧道瓦斯工區(qū)定義是在瓦斯隧道掘進(jìn)過程中，隧道施工區(qū)段內(nèi)檢測有瓦斯時，則洞口至開挖掌子面這一區(qū)間為瓦斯工區(qū)，瓦斯工區(qū)的類別劃分指標(biāo)由絕對瓦斯涌出量決定。瓦斯隧道在進(jìn)行施工作業(yè)時，隨著掌子面的推進(jìn)，在一個施工區(qū)段內(nèi)可能一次或多次穿越瓦斯地層，因此瓦斯工區(qū)與非瓦斯工區(qū)是一個動態(tài)變化的過程(如圖3所示)。同時在進(jìn)行隧道施工時應(yīng)根據(jù)隧道瓦斯工區(qū)的類別進(jìn)行相應(yīng)的施工組織設(shè)計(jì)，并采用配套的施工機(jī)械與設(shè)備。同時瓦斯隧道施工過程中應(yīng)該時刻對瓦斯工區(qū)內(nèi)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)隧道瓦斯工區(qū)動態(tài)管理。

3.2 勘察期瓦斯涌出量的計(jì)算方法

勘察期瓦斯涌出量為掘進(jìn)隧道煤壁瓦斯涌出量Q1與掘進(jìn)隧道落煤的瓦斯涌出量Q2兩者之和。即勘察期瓦斯涌出量的計(jì)算如式(1)所示。

Q絕=Q1+Q2

(1)

掘進(jìn)隧道煤壁瓦斯涌出量Q1：

Q1=D·v·q0[2(L/v)1/2-1]

(2)

其中，Q1掘進(jìn)隧道煤壁瓦斯涌出量,m3/min；D為隧道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長度，m；v為隧道平均掘進(jìn)速度,m/min；L為未施作噴射混凝土段隧道長度,m；q0為煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/(m2·min)，無實(shí)測值可參考式(3)計(jì)算。

q0=0.026[0.000 4(Vad)2+0.16]W0

(3)

其中，q0為煤壁瓦斯涌出初速度,m3/(m2·min)；Vad為煤中揮發(fā)分含量,%；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。落煤的瓦斯涌出量Q2采用式(4)計(jì)算：

Q2=S·v·ρ·(W0-WC)

(4)

其中，Q2為落煤的瓦斯涌出量,m3/min；S為掘進(jìn)隧道斷面面積,m2；ρ為煤的密度,t/m3；WC為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量,m3/t，如無實(shí)測值可按表3選取或計(jì)算。

表3 純煤的殘存瓦斯含量取值表

3.3 施工階段瓦斯工區(qū)分級指標(biāo)確定

瓦斯隧道采用絕對瓦斯涌出量作為分級指標(biāo)劃分瓦斯工區(qū)等級，對于瓦斯隧道中通風(fēng)風(fēng)速及瓦斯?jié)舛鹊囊?guī)定是有一定要求的，常采用最小通風(fēng)風(fēng)速和最高瓦斯?jié)舛茸鳛椴煌燃壨咚构^(qū)分級指標(biāo)控制值，如表4所示。

表4 瓦斯工區(qū)任一處風(fēng)速及濃度判定指標(biāo)

根據(jù)《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術(shù)指南(試行)》《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)技術(shù)指南(試行)》[3，4]，公路隧道等級按照瓦斯工區(qū)的最高等級確定，瓦斯工區(qū)分級指標(biāo)根據(jù)絕對瓦斯涌出量可劃分為非瓦斯工區(qū)、微瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)四級。公路隧道瓦斯工區(qū)以絕對瓦斯涌出量作為分級指標(biāo)，其計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

其中，QCH4為絕對瓦斯涌出量,m3/min；QS為隧道回風(fēng)流內(nèi)通風(fēng)量,m3/min；ω為允許的最高瓦斯?jié)舛?微瓦斯取0.25%，低瓦斯取0.5%);α為瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，取1.5～2.0；撫順煤炭研究分院建議取1.6，兩車道公路隧道取1.5，三車道公路隧道取2.0；v為隧道回風(fēng)流內(nèi)最低風(fēng)速(微瓦斯取0.15 m/s，低瓦斯取0.25 m/s);A為隧道回風(fēng)流斷面面積(兩車道取70 m2，三車道取105 m2)；K為安全系數(shù)，一般取2。

根據(jù)式(5)可以計(jì)算得到公路隧道不同瓦斯工區(qū)等級指標(biāo)的分界值[5]，如表5所示。對于不同等級的瓦斯工區(qū)需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備與電氣化設(shè)施的改裝，使其滿足瓦斯隧道施工作業(yè)要求等。

表5 公路隧道瓦斯工區(qū)等級判定指標(biāo)

3.4 穩(wěn)定回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測

對于瓦斯隧道而言，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測是不可或缺的，在施工過程中需要時刻監(jiān)測瓦斯?jié)舛仁欠癯蓿坏┌l(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛扔谐薜那闆r，需要及時采取措施來降低瓦斯?jié)舛取τ诓煌咚沟燃壍耐咚顾淼啦扇〉耐咚贡O(jiān)測方法不同，對于微瓦斯隧道常采用人工檢測的方式進(jìn)行瓦斯檢測，對于低瓦斯隧道宜采用人工檢測與自動化監(jiān)測相結(jié)合的方式，對于高瓦斯隧道瓦斯檢測的要求比較嚴(yán)格，必須采用人工檢測與自動化監(jiān)測相結(jié)合的方式。瓦斯隧道建設(shè)中，瓦斯?jié)舛鹊臋z測工作需要制定一定的實(shí)施方案，同時在檢測前需要對相應(yīng)的檢測設(shè)備進(jìn)行鑒定，以確保在檢測過程中能夠正常開展檢測工作，使得檢測的數(shù)據(jù)更加真實(shí)合理，瓦斯人工檢測工作開展流程如圖4所示。

4 瓦斯隧道濃度現(xiàn)場檢測

4.1 工程概況

石柱至黔江高速路七曜山隧道進(jìn)口位于重慶市石柱縣三匯鄉(xiāng)苦草壩境內(nèi)(高龍洞煤礦北側(cè)坡腳)，出口位于重慶市石柱縣龍?zhí)多l(xiāng)楊家河壩境內(nèi)。全長5 400 m，隧道最大埋深約661 m，屬特長隧道。隧址區(qū)主要屬渝東南七耀山強(qiáng)巖溶化溶蝕構(gòu)造中低山地貌，東接鄂西山地，西北隅向盆地過渡，以北東向山脈與縱向河谷相間，由于碳酸鹽巖分布較廣，巖溶發(fā)育。隧道穿越煤系地層，距洞頂200 m以上的位置處有遺留的采空區(qū)巷道，掘進(jìn)巷道高于隧道洞頂45 m以上，但尚未到達(dá)煤層、未進(jìn)行煤礦開采。因洞頂圍巖距離巷道厚度較小，礦坑滲水可能對隧道存在一定影響。

4.2 數(shù)據(jù)處理及分析

對七曜山隧道施工過程進(jìn)行瓦斯?jié)舛龋捎霉飧缮鎯x與風(fēng)速計(jì)分別對隧道工區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛扰c通風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行檢測，并配有便攜式瓦斯?jié)舛葓缶鲿r刻監(jiān)測瓦斯?jié)舛仁欠癯?。對于瓦斯檢測斷面位置的選擇常結(jié)合隧道通風(fēng)方式及施工工藝進(jìn)行綜合考慮，一般測定斷面布置位置在距離通風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口20 m～30 m位置處，其瓦斯?jié)舛葯z測斷面與通風(fēng)斷面宜設(shè)定在同一斷面，其檢測斷面及測點(diǎn)的布置方式見圖5，圖6。

由于掌子面風(fēng)流紊亂，所以選擇在回風(fēng)流中距離風(fēng)筒口20 m處測定風(fēng)速及風(fēng)流中瓦斯?jié)舛取y點(diǎn)分別置于拱頂、左下角、下部中間、右下角處，對隧道穩(wěn)定回流中瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速進(jìn)行測定，采用每個測點(diǎn)檢測3次取平均值的方式，最后通過式(6)即可得到絕對瓦斯涌出量的值見表6。

QCH4=60×s×v均×ωmax

(6)

其中，QCH4為瓦斯工區(qū)內(nèi)絕對瓦斯涌出量,m3/min；s為隧道斷面面積,m2;Q為隧道通風(fēng)量,m3/min;v均為隧道斷面平均風(fēng)速；ωmax為穩(wěn)定回風(fēng)流中實(shí)測最大瓦斯?jié)舛?%。

表6 各測點(diǎn)絕對瓦斯涌出量表

通過對隧道瓦斯工區(qū)穩(wěn)定回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛燃巴L(fēng)風(fēng)速的測定，并通過計(jì)算得到最大絕對瓦斯涌出量為1.729 m3/min，按照瓦斯工區(qū)等級劃分表，可得到該工區(qū)劃分為高瓦斯工區(qū)。

5 結(jié)論與探討

1)通過對瓦斯隧道瓦斯工區(qū)等級劃分指標(biāo)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對于公路隧道瓦斯工區(qū)指標(biāo)值的計(jì)算中對于瓦斯涌出不均衡系數(shù)ɑ的確定基于礦井采掘作業(yè)相關(guān)建議值，缺乏具體的理論研究。2)基于實(shí)測分析，目前采用絕對瓦斯涌出量作為瓦斯工區(qū)分級指標(biāo)是合理的，利用該指標(biāo)指導(dǎo)瓦斯隧道建設(shè)能夠適應(yīng)現(xiàn)有施工條件下的施工機(jī)械與電器設(shè)備改裝性能要求。3)瓦斯隧道對于瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上結(jié)合人工智能等技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)對隧道建設(shè)整個工期瓦斯?jié)舛葎討B(tài)監(jiān)測，保障施工安全性能。