楊永斌 樊永強(qiáng) 高偉政 王慶 肖偉

摘 要：從人員、設(shè)備、環(huán)境及管理角度出發(fā)，建立瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。依托乘法原理與可拓層次模型，確定L隧道瓦斯風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。研究得出：L隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)判結(jié)果為1.56，瓦斯涌出估算量為2.63 m3/min，瓦斯絕對(duì)涌出量為1.79 m3/min，隧道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。最后，從施工通風(fēng)、鉆爆作業(yè)、電器設(shè)備與作業(yè)機(jī)械、瓦斯預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)方面給出危險(xiǎn)處置建議。

關(guān)鍵詞：瓦斯隧道;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);組合賦權(quán);層次可拓模型;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-04

Abstract： From the perspective of personnel， equipment， environment and management， the risk evaluation system of gas tunnel construction is established. The gas risk level of L? tunnel is determined based on the multiplication principle and extension hierarchy model. The results show that the risk grade evaluation result of L tunnel is 1.56， the estimated gas emission is 2.63 m3/min， the absolute gas emission is 1.79 m3/min， and the tunnel is in a dangerous state. Suggestions on disease treatment are given from the aspects of construction ventilation， drilling and blasting operation， electrical equipment and operation machinery， gas prediction and monitoring.

Keywords： gas tunnel;risk assessment;combination weighting;hierarchical extension model;field test

瓦斯氣體可致隧道施工人員中毒、窒息，甚至發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。

1 工程概述

本研究以成（都）簡(jiǎn)（陽）快速路L隧道為依托，隧道起止里程為ZK05+625～ZK10+630，長(zhǎng)度為5 005 m，最大埋深為384 m。隧址區(qū)呈非對(duì)稱狀背斜，軸部平緩開闊，兩端傾伏，出露第四系地層為Q2～Q3黏砂土、黏土及砂礫石層[1-3]。地質(zhì)勘探結(jié)果表明：隧址區(qū)分布多套非均質(zhì)侏羅系淺層天然氣藏，瓦斯逸出和涌出呈現(xiàn)隨機(jī)性和不均勻性，極易發(fā)生瓦斯爆炸、瓦斯燃燒等災(zāi)害，現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)較高，屬重難點(diǎn)施工工程。

2 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究基于人員、設(shè)備、環(huán)境（事故三要素）及管理因素構(gòu)建瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，具體如表1所示[4]。

3 建立指標(biāo)權(quán)重計(jì)算體系

3.1 組合賦權(quán)

采用德爾菲法（主觀）和改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法（半客觀）對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)?；谑剑?）乘法原理確定各指標(biāo)最終權(quán)重ωzj[5]：

式中：αj、βj分別為基于德爾菲法、改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算權(quán)重。指標(biāo)層組合賦權(quán)的仿真對(duì)比結(jié)果，如圖1所示。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化

對(duì)于值越大越不易引發(fā)隧道瓦斯災(zāi)害的指標(biāo)，歸一化處理算法為：

對(duì)于值越大越易引發(fā)瓦斯災(zāi)害的指標(biāo)，歸一化處理算法為：

3.3 層次可拓計(jì)算

瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系第j項(xiàng)事物同征物元Rj的經(jīng)典域可用式（4）表示[6]：

式中：Nj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)等級(jí);ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo);Vij為Nj關(guān)于ci的量值范圍，即經(jīng)典域。

待評(píng)價(jià)瓦斯隧道節(jié)域P可表示為：

式中：ViP為P關(guān)于ci的量值范圍，即P的節(jié)域。

Vij與ViP之間關(guān)系為：

通過式（7）計(jì)算待評(píng)價(jià)隧道瓦斯災(zāi)害物元等級(jí)關(guān)聯(lián)函數(shù)：

ρ（Vi，Vij）按式（8）進(jìn)行計(jì)算：

Vij按式（9）進(jìn)行計(jì)算：

ρ（Vi，ViP）按式（10）計(jì)算：

每項(xiàng)指標(biāo)考慮5階段安全等級(jí)，見表2。

待評(píng)價(jià)物元風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)矩陣向量Kj（P）按式（11）進(jìn)行計(jì)算：

物元P的安全等級(jí)按式（12）進(jìn)行確定：

則此時(shí)可評(píng)定物元P安全等級(jí)為j0。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算

4.1 瓦斯含量測(cè)算

據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》PB51/T 2243—2016中朗格繆爾公式測(cè)算，瓦斯含量W為（單位為m3/t）：

式中：a、b為吸附常數(shù)，單位分別為cm3/g、MPa-1;P為瓦斯壓強(qiáng)，單位為MPa;Mad、Aad為煤的水分、灰分，單位均為%;F為孔隙率;γ為視密度，單位為g/cm3。

4.2 瓦斯絕對(duì)涌出量

據(jù)瓦斯絕對(duì)涌出量QG評(píng)定瓦斯隧道安全等級(jí)，按式（14）進(jìn)行計(jì)算[7]：

式中：Q為施工通風(fēng)風(fēng)量，單位為m3/min;v為風(fēng)速，單位為m/s;c為風(fēng)流中瓦斯平均濃度，單位為%;D為風(fēng)筒直徑，單位為m。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，L隧道掌子面上方1.5～2.0 m處左、中、右位置處瓦斯?jié)舛戎捣謩e為0.89%、0.63%、0.59%，瓦斯平均濃度為0.703%。通風(fēng)風(fēng)速v為240 m/min，風(fēng)筒直徑D為1.5 m，瓦斯絕對(duì)涌出量QG=1.79 m3/min>1.5 m3/min，依據(jù)規(guī)范判定L瓦斯隧道處于中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4.3 天然氣溢出量估算

天然氣溢出量是評(píng)價(jià)瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的重要參數(shù)，按式（15）估算天然氣溢出量Qy，按式（16）估算瓦斯涌出量Gyo[8]。

式中：Ag為含氣面積，單位為m2;h為儲(chǔ)層平均有效厚度，單位為m;φ為平均有效孔隙度;Cp為天然氣濃度值;Bgi為地層天然氣體積系數(shù)。

L隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料表明：h值為20 m，Cp值為15%，Bgi考慮取1，φ為4.7%。天然氣影響寬度按200 m考慮，甲烷體積分?jǐn)?shù)為82.11%?？捎?jì)算天然氣溢出量為141 141 m3/min，瓦斯涌出量為2.63 m3/min>1.50 m3/min，屬高瓦斯隧道。

4.4 驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

表3為組合賦權(quán)-層次可拓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果、規(guī)范計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況?？梢?，各算法結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況吻合度較好，驗(yàn)證了本研究評(píng)價(jià)體系的可靠性。

5 瓦斯隧道處治措施

5.1 施工通風(fēng)方面

隧道內(nèi)煙塵及有害氣體可通過加強(qiáng)通風(fēng)進(jìn)行稀釋，基于隧道瓦斯涌出量、爆破煙塵及施工作業(yè)要求進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。采用壓入式通風(fēng)，隧道內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)小于1 m/s，風(fēng)筒口距掌子面距離應(yīng)小于10 m，洞外風(fēng)機(jī)距隧道洞口15～20 m，每100 m風(fēng)管漏風(fēng)率≤1%，瓦斯施工工區(qū)應(yīng)保證24 h連續(xù)送風(fēng)[9]。

通風(fēng)系統(tǒng)采用雙電源與雙設(shè)備模式。通風(fēng)管材具備阻燃、抗靜電特征。隧道內(nèi)二襯拱頂、臺(tái)車及坍腔等瓦斯積聚區(qū)域應(yīng)增設(shè)局部風(fēng)扇，風(fēng)扇內(nèi)采用防爆型風(fēng)機(jī)，并提高監(jiān)測(cè)頻率。二襯臺(tái)車位置處加設(shè)增壓風(fēng)機(jī)，局部風(fēng)機(jī)采用三專和閉鎖設(shè)備。

5.2 鉆爆作業(yè)方面

瓦斯施工工區(qū)內(nèi)鉆爆作業(yè)應(yīng)堅(jiān)持“少裝藥-多打眼-短進(jìn)尺-快錨噴-強(qiáng)支護(hù)-勤檢測(cè)”的施工原則，建立健全“一炮三檢”制度和“三人連鎖放炮”制度[10]。瓦斯工區(qū)采用煤礦許用炸藥，炸藥等級(jí)隨瓦斯?jié)舛炔煌{(diào)整。選用毫秒瞬發(fā)雷管或毫秒延期電雷管。選取柔軟性與絕緣性較好的銅制電纜，采取隨用隨掛方式敷設(shè)起爆線。提升隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及施作質(zhì)量，采用全斷面徑向注漿、添加氣密劑及涂抹密封膏方式阻止瓦斯氣體逸入隧道。

5.3 電器設(shè)備與作業(yè)機(jī)械

瓦斯隧道工區(qū)掌子面照明采用EXD1型防爆礦燈，二次襯砌段施工采用EXD2型防爆燈，現(xiàn)場(chǎng)施工人員移動(dòng)照明應(yīng)采用礦用燈具。隧道內(nèi)瓦斯監(jiān)控設(shè)備應(yīng)與所有非本質(zhì)安全型電器設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)-電閉鎖和瓦斯-電閉鎖功能。施工方盡可能購置本質(zhì)安全型機(jī)械與設(shè)備。

隧道內(nèi)所有電器設(shè)備與作業(yè)機(jī)械均應(yīng)采用防爆型號(hào)。瓦斯隧道工區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁焊接作業(yè)，構(gòu)造筋、連接筋采用現(xiàn)場(chǎng)綁扎方式進(jìn)行固定，受力主筋采用套筒方式進(jìn)行連接。在隧道外部加工鋼拱架時(shí)應(yīng)設(shè)置鎖腳錨桿鋼板，洞內(nèi)施工時(shí)采用螺栓進(jìn)行連接固定。

5.4 瓦斯預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)方面

瓦斯隧道采用超前鉆孔和瞬變電磁法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)超前水平鉆孔位置及數(shù)量，結(jié)合實(shí)際情況加大部分鉆爆孔深度進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

建立洞內(nèi)設(shè)備24 h不間斷監(jiān)測(cè)與瓦檢人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的雙監(jiān)控制度，并制定相互校檢、監(jiān)測(cè)及報(bào)告制度。洞內(nèi)瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)垂直懸掛于拱頂風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)域，距隧道側(cè)壁≤20 cm，距拱頂≤30 cm。瓦斯檢測(cè)人員必須跟班檢測(cè)，尤其是特殊作業(yè)、盲區(qū)作業(yè)，保證工作區(qū)、回流風(fēng)區(qū)及洞外排放氣體中瓦斯含量不超標(biāo)[11]。

5.5 施工管理方面

建立健全以項(xiàng)目經(jīng)理為首的隧道瓦斯管理機(jī)構(gòu)，完善通風(fēng)管理制度，同時(shí)定期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工、技術(shù)及管理人員進(jìn)行安全教育與培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)突出重點(diǎn)，內(nèi)容全面，針對(duì)性及系統(tǒng)性強(qiáng)，充分提高人員的安全意識(shí)，并定期對(duì)施工人員進(jìn)行體檢。隧道內(nèi)油庫、電器設(shè)備存放點(diǎn)需配備足量砂箱、防火鍬及滅火器。此外，實(shí)現(xiàn)瓦斯隧道施工工長(zhǎng)、安全員、瓦檢員“三員”同時(shí)在崗制的管理方案。

6 結(jié)論

①從人員、環(huán)境、設(shè)備（生產(chǎn)事故三要素）及管理角度出發(fā)，建立包含管理人員素質(zhì)、技術(shù)人員素質(zhì)等9項(xiàng)內(nèi)容，篩選出管理人員平均受教育年限、管理人員參與類似工程年限等55項(xiàng)指標(biāo)層的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

②經(jīng)L隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與計(jì)算，瓦斯絕對(duì)涌出量為1.79 m3/min，判定為高瓦斯隧道，隧道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。瓦斯涌出估算量為2.63 m3/min，屬高瓦斯隧道，L隧道處于危險(xiǎn)狀態(tài)，評(píng)判結(jié)果與隧道現(xiàn)場(chǎng)情況相符。

③針對(duì)L隧道現(xiàn)場(chǎng)瓦斯病害及筆者現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，從施工通風(fēng)、鉆爆作業(yè)、電器設(shè)備與作業(yè)機(jī)械、瓦斯預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)方面給出相應(yīng)的處置建議。

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