張曉利，宋家利，石志強(qiáng)

(中建七局第一建筑有限公司，北京 100162)

0 引 言

目前，我國公路隧道建設(shè)工程在實施中遇到的瓦斯隧道越來越多，因此，加大對此類工程項目施工中的瓦斯安全風(fēng)險控制、完善隧道中瓦斯?jié)舛葯z測方法、建立施工作業(yè)安全保障體系與管控模式等工作的重要性越發(fā)顯著[1]。為了盡快推進(jìn)此項工作，提高含有高濃度瓦斯隧道施工的安全性，本文將對施工中的安全風(fēng)險控制策略展開進(jìn)一步的探討。

1 瓦斯的性質(zhì)與防治難點(diǎn)

瓦斯氣體主要是指在井下，以甲烷氣體為主要成分的有毒、有害氣體，對瓦斯氣體的性質(zhì)見表1。

表1 瓦斯氣體性質(zhì)

完成上述表1對瓦斯氣體性質(zhì)的分析后，考慮到此類氣體的相對密度較低，因此，可以認(rèn)為瓦斯氣體質(zhì)量<空氣質(zhì)量，在隧道中，瓦斯氣體大多匯聚在隧道頂部、上部斷面位置，當(dāng)隧道內(nèi)氣體流通性較大或風(fēng)量供應(yīng)力不足時，隧道中的瓦斯氣體會形成一個中流層，大量瓦斯匯聚在一起形成高濃度瓦斯，這也是大部分隧道工程在施工作業(yè)時需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

交通運(yùn)輸部《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3374—2020)中，明確規(guī)定了含有高濃度瓦斯的隧道，在施工中回流風(fēng)速至少應(yīng)>1.0 m/s[2]。施工過程中，部分工程監(jiān)理人員與工程技術(shù)人員缺少高瓦斯隧道施工經(jīng)驗，施工中他們無法對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行精準(zhǔn)判斷與預(yù)測，為了避免工程實施中出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故，施工前通常會采用對隧道高速送風(fēng)的方式，對隧道中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行稀釋，但此種做法是十分不科學(xué)[3]的。綜上所述，此類工程在實施中最大的防治難點(diǎn)為技術(shù)難點(diǎn)與認(rèn)知挑戰(zhàn)。

2 高瓦斯的危害

瓦斯氣體本身是不具備毒性的，但環(huán)境中瓦斯氣體濃度超出標(biāo)準(zhǔn)后，空氣中氧氣的濃度將呈現(xiàn)一種下降趨勢。在環(huán)境壓力穩(wěn)定不變的條件下，不同瓦斯?jié)舛鹊奈：θ鐖D1所示。

圖1 不同瓦斯?jié)舛鹊奈：γ枋?/p>

當(dāng)環(huán)境中瓦斯氣體達(dá)到一定濃度后，遇到高溫環(huán)境或遇到火源將發(fā)生爆炸風(fēng)險，瓦斯氣體發(fā)生爆炸的條件如圖2所示。

圖2 瓦斯氣體發(fā)生爆炸的條件

綜上所述，高瓦斯在滿足條件下的危險性與危害性是較高的。

3 高瓦斯隧道施工安全風(fēng)險控制方法

3.1 隧道施工中瓦斯?jié)舛劝踩L(fēng)險預(yù)測與檢測

針對上述高瓦斯隧道施工中存在的危害問題，為了確保對安全風(fēng)險的控制，針對其風(fēng)險情況進(jìn)行預(yù)測和檢測。在實際實施過程中，采用3個長度均為25 m的T89型號超前探孔，對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測。探孔的終點(diǎn)位置在隧道開挖結(jié)構(gòu)輪廓線之外的2.5～5.5 m，并同時輔以加深炮眼，超前探明施工前方位置瓦斯?jié)舛群恳约巴咚箖Υ媲闆r[4]。一旦從探孔當(dāng)中檢測到前方施工區(qū)域內(nèi)存在大量瓦斯，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步增加超前探孔的設(shè)置密度，同時強(qiáng)化對瓦斯含量的檢測，并確保良好的通風(fēng)條件。同時，在隧道施工現(xiàn)場，還需要對瓦斯?jié)舛葯z測裝置和報警裝置進(jìn)行安裝，并確保兩種裝置相互之間具有連接，能夠在檢測裝置檢測到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，第一時間通過報警裝置進(jìn)行預(yù)警[5]。除此之外，針對其他相關(guān)檢測裝置的安裝應(yīng)當(dāng)按照圖3所示內(nèi)容完成。

圖3 高瓦斯隧道施工內(nèi)部檢測設(shè)備及管線布置示意圖

圖3中，編號A～I(xiàn)分別表示：防暴高壓電纜、防暴照明電纜、防暴動力電纜、瓦斯檢測與通信線路、通風(fēng)管道、瓦斯油排放管道、污水排放管道、高壓水管、高壓風(fēng)管。根據(jù)圖3中所示的內(nèi)容完成對內(nèi)部檢測設(shè)備及各個管線的布置后，能夠為實現(xiàn)瓦斯?jié)舛刃畔⒒瘷z測提供基礎(chǔ)硬件條件。同時，在預(yù)測和檢測的過程中，還可引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)針對不同的安全風(fēng)險問題，采用建立安全風(fēng)險數(shù)據(jù)挖掘模型的方式，對施工中行為進(jìn)行安全預(yù)警，從而提高施工作業(yè)行為的規(guī)范性[6]。在構(gòu)建模型時，可利用以往相似施工項目的歷史數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并利用模型進(jìn)行預(yù)測，形成知識庫，利用知識庫當(dāng)中的規(guī)則對施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，從而實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊陌踩A(yù)測。

3.2 控制施工中火源、氧氣濃度及瓦斯?jié)舛?/h3>

在按照上述內(nèi)容完成對隧道施工中瓦斯?jié)舛劝踩L(fēng)險預(yù)測與檢測后，為了確保避免安全風(fēng)險事故的發(fā)生，或在已經(jīng)發(fā)生事故的情況下，將危害降低到最小，還需要在施工過程中對火源、氧氣濃度及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實時控制。首先，針對施工現(xiàn)場的火源進(jìn)行控制，在選擇施工設(shè)備時，盡可能選用帶有防爆屬性的設(shè)備，并加強(qiáng)對防爆電氣設(shè)備的維護(hù)。同時，由于經(jīng)過防爆改裝后的設(shè)備不具備安全可行性，因此針對現(xiàn)有施工設(shè)備不可對其進(jìn)行防爆處理。在實際施工時，盡可能避免出現(xiàn)放水板、鋼筋焊接等動火作業(yè)施工，以防止周圍瓦斯氣體被點(diǎn)燃出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。

根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》可知，瓦斯的濃度超過12%是瓦斯爆炸的必要條件，因此針對這一特點(diǎn)，通過對施工區(qū)域內(nèi)氧氣和瓦斯?jié)舛鹊目刂茖崿F(xiàn)對安全風(fēng)險的控制。在對氣體濃度進(jìn)行控制時，可選擇在施工現(xiàn)場安裝氣體濃度控制器的方式實現(xiàn)控制。該控制器當(dāng)中主要包含傳感器、數(shù)碼管、控制電路以及A/D轉(zhuǎn)換器等結(jié)構(gòu)，使用控制器中的傳感裝置，對接施工現(xiàn)場環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境中瓦斯氣體濃度及其變化趨勢等信息的獲取，將獲取的信息通過計算機(jī)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使信息以電信號的方式在傳感器設(shè)備中傳輸?？紤]到此種信號在終端顯示屏上是以連續(xù)變化模擬信號的方式呈現(xiàn)的，因此，還需要在上述操作的基礎(chǔ)上，輔助使用A/D轉(zhuǎn)換器，對信號進(jìn)行離散化處理，從而將其發(fā)送到控制機(jī)構(gòu)中。將控制電路作為對兩種氣體控制的核心構(gòu)件，針對上述裝置采集獲取到的數(shù)字信號對其進(jìn)行處理和判斷，并結(jié)合相應(yīng)的濃度計算公式，對兩種氣體的成分以及濃度發(fā)送到數(shù)碼管當(dāng)中并完成顯示。一旦出現(xiàn)檢測到的氣體濃度超出設(shè)定限值時，則立即通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動，啟動排氣風(fēng)扇，完成對隧道內(nèi)部施工現(xiàn)場的氣體置換，從而確保瓦斯?jié)舛鹊陀诎踩瞪舷?，以此實現(xiàn)對氧氣濃度和瓦斯?jié)舛鹊目刂啤?/p>

3.3 施工現(xiàn)場安全風(fēng)險管控與施工

完善上述措施后，需要進(jìn)行施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險管控與施工約束，針對此項工作，提出下述三個方面的對策。

第一，健全隧道施工現(xiàn)場的安全管理體系與各項安全施工行為約束制度，通過規(guī)范化的制度對施工行為進(jìn)行約束，以確保隧道施工順利通過瓦斯地層[7]。同時，在進(jìn)行施工前，施工單位應(yīng)編制隧道工程施工階段安全風(fēng)險評估報告、高瓦斯防治方案、突發(fā)事件應(yīng)急方案，確保方案有針對性，且可操作性強(qiáng)。建立隧道施工入洞人員的實名登記制度、隧道通風(fēng)排氣制度、隧道瓦斯檢查制度、隧道動火作業(yè)審批制度、施工人員安全培訓(xùn)制度等各項安全管理制度，并在施工前和施工中，委托專業(yè)的檢測單位或聘用專業(yè)的檢測技術(shù)人員，借助先進(jìn)的檢測儀器，進(jìn)行隧道瓦斯氣體濃度的檢測與實時監(jiān)控管理，將施工中的安全風(fēng)險發(fā)生概率降至最低。

第二，做好對隧道施工過程中出渣的安全處理，在隧道中進(jìn)行施工材料運(yùn)輸時，應(yīng)避免裝有煤渣、碎屑的運(yùn)輸車輛與金屬作業(yè)器械發(fā)生碰撞。對于施工中一些不可避免的碰撞現(xiàn)象，可采用在碰撞點(diǎn)或碰撞位置增加絕緣包裹層的方式，對其進(jìn)行安全處理[8]。在隧道施工出渣前，需要將所有的隧道渣體與隧道開挖中的暴露面進(jìn)行灑水潤濕處理，避免由于運(yùn)輸摩擦或碰撞產(chǎn)生火花。并在隧道內(nèi)所有機(jī)電作業(yè)設(shè)備上安設(shè)警告標(biāo)識，降低所有可能造成風(fēng)險的因素。

第三，做好瓦斯工區(qū)鉆爆作業(yè)管理。高瓦斯工區(qū)和煤(巖)與瓦斯突出工區(qū)必須采用煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管，且煤礦許用炸藥的安全等級不低于3級，瓦斯突出工區(qū)采用安全等級不低于3級的煤礦許用含水炸藥。起爆電源必須使用防爆型起爆器。每次爆破前，至少通風(fēng)30 min，之后瓦檢員、放炮員、安全員一同進(jìn)入工作面進(jìn)行驗炮工作，確認(rèn)無瓦斯、殘炮、瞎炮后進(jìn)行通風(fēng)，確認(rèn)甲烷濃度小于0.5%、二氧化碳濃度小于1.5%后，方可通知電工送電，才可允許施工作業(yè)人員進(jìn)入開挖面作業(yè)。

第四，在隧道施工時，可通過優(yōu)化隧道內(nèi)砌塊結(jié)構(gòu)氣密性的方式，進(jìn)行施工安全風(fēng)險的管控。例如，在隧道中噴射混凝土氣密試劑，噴射厚度控制在15.0 cm左右，通過此種方式將隧道內(nèi)壁的防水等級提升到S10。同時，在施工縫內(nèi)使用雙層結(jié)構(gòu)的止水帶，對氣體進(jìn)行密封處理，確保砌體結(jié)構(gòu)的氣密性>本體結(jié)構(gòu)的氣密性。通過此種方式，實現(xiàn)對隧道施工中安全風(fēng)險的管控。

4 安全風(fēng)險控制方法應(yīng)用效果

為了進(jìn)一步驗證本文上述提出的控制方法在真實高瓦斯隧道施工項目當(dāng)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對其安全風(fēng)險的有效控制，選擇以某隧道施工作為本文控制方法應(yīng)用的項目，該工程整體施工結(jié)構(gòu)為分離式長隧道結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)最大深度可達(dá)200 m以上，隧道整體結(jié)構(gòu)完全穿過二疊系煤系地層，煤層厚度在0.25～4.16 m不等，具有沒有瓦斯突出危險，屬于典型的高瓦斯隧道施工類型。為了確保隧道施工的安全，引入本文上述提出的控制方法。針對該隧道施工中不同分區(qū)的需風(fēng)量進(jìn)行計算，并通過傳感器對實際隧道中的通風(fēng)量進(jìn)行測量，并將二者進(jìn)行比較。若通風(fēng)量大于或等于需風(fēng)量，則說明施工過程中不具備安全風(fēng)險或安全風(fēng)險?。环粗?，若通風(fēng)量小于需風(fēng)量，則說明施工過程中所在區(qū)域內(nèi)已經(jīng)存在安全風(fēng)險問題，現(xiàn)場施工人員需要及時撤離，以確保施工安全。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過二者的比較也能夠?qū)崿F(xiàn)對本文控制方法應(yīng)用效果的對比，需風(fēng)量的計算公式為：

(1)

式中：Q為高瓦斯隧道施工分段需風(fēng)量；q為瓦斯絕對涌出量；K為瓦斯在涌出時的不均勻系數(shù)，通常K的計算取值在1.25～2.20；C為隧道內(nèi)部瓦斯允許濃度值。根據(jù)上述公式，對5個不同隧道施工分段的需風(fēng)量進(jìn)行計算，并將其與實際通風(fēng)量對比，得到如表2所示的控制效果記錄表。

表2 控制方法的控制效果記錄表

從表2中數(shù)據(jù)對比可以得出，在本文上述提出的控制方法應(yīng)用下，各個隧道施工分區(qū)的實際通風(fēng)量均超過了需風(fēng)量設(shè)定上限，因此證明了各個分區(qū)的安全風(fēng)險得到有效控制，本文控制方法具有可行性。

5 結(jié)束語

針對瓦斯氣體的性質(zhì)、防治難點(diǎn)與危害，提出三個方面的安全風(fēng)險控制措施。并在完成對措施的研究后，選擇以某隧道施工作為本文控制方法應(yīng)用的項目，開展應(yīng)用實驗。實驗結(jié)果證明，本文提出的控制方法在應(yīng)用中可以保證隧道在施工中具有較高的通風(fēng)量，能提升隧道施工的安全性與可靠性。因此，可在后續(xù)的研究中，通過對設(shè)計方法在市場內(nèi)的推廣，提升高瓦斯隧道工程的經(jīng)濟(jì)效益與市場收益。綜上所述，完成對本文此次課題的研究，實現(xiàn)對安全施工方案的全面優(yōu)化。