阮小勇

(中國水利水電第七工程局有限公司 四川成都 611134)

都江堰至四姑娘山山地軌道交通是四川省川西高原交通體系首個(gè)落地的建設(shè)項(xiàng)目，是四川著力建設(shè)的軌道交通旅游觀光試點(diǎn)工程，也是國內(nèi)首條山地軌道交通工程。觀音坪隧道位于都四山地軌道工程的都江堰市區(qū)內(nèi)，緊鄰都江堰風(fēng)景區(qū)。隧道穿越煤系地層，該地層自穩(wěn)性差、節(jié)理發(fā)育，且富含烴源巖，瓦斯含量高。在該地層條件下修建隧道，將面臨瓦斯泄露危害人員安全的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國內(nèi)已有許多學(xué)者對(duì)此類工程有過研究，匡亮等人[1]通過研究國外礦山、公路和地鐵隧道的瓦斯等級(jí)分類，根據(jù)隧道斷面規(guī)模、需風(fēng)量和有害氣體含量等因素指標(biāo)給出鐵路瓦斯隧道級(jí)別分類指標(biāo)。韓永勝等人[2]以高速公路隧道所經(jīng)過的煤礦采空區(qū)為研究對(duì)象，制定了采空區(qū)瓦斯危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)體系。胡開保[3]針對(duì)施工期間的花崗巖隧道瓦斯監(jiān)測(cè)及關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了研究。武文娟[4]針對(duì)瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)問題，闡述了不同類型瓦斯隧道的通風(fēng)方案選用原則。解小偉[5]以實(shí)際瓦斯隧道施工為例，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)防措施進(jìn)行了分析，然后對(duì)具體的施工主要技術(shù)進(jìn)行研究。許丹丹[6]詳細(xì)闡述了穿越煤層長瓦斯隧道施工通風(fēng)的特點(diǎn)及方法。該文以實(shí)際工程為依托，從BIM 技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)源預(yù)測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)控制等方面出發(fā)，研究煤系地層高瓦斯隧道的安全施工技術(shù)。

1 工程概況

觀音坪隧道位于都江堰市龍池鎮(zhèn)，其隧道全長4 575 m，穿越富含烴源巖的煤層或煤線，隧址區(qū)砂巖為低孔-低滲儲(chǔ)層，瓦斯氣體主要通過節(jié)理、斷層進(jìn)行轉(zhuǎn)移。隧道瓦斯?jié)舛茸畲?.18%，估算瓦斯涌出速度為2.26 m3/min，且穿越的煤系地層巖性較差，屬于五級(jí)圍巖。傳統(tǒng)的隧道施工方法必然不能滿足施工安全及施工質(zhì)量，需根據(jù)隧道工程實(shí)際制訂針對(duì)煤系地層的施工方案和系統(tǒng)性的瓦斯監(jiān)測(cè)方案。

2 BIM技術(shù)指導(dǎo)施工

針對(duì)隧道工程與圍巖地質(zhì)情況密切相關(guān)的特點(diǎn)，在隧道工程中廣泛運(yùn)用了BIM 技術(shù)，將通過測(cè)繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)的隧道地貌建模和隧道主體模擬結(jié)合，得以真實(shí)把握掌子面及周邊區(qū)域內(nèi)的圍巖地質(zhì)狀況、埋深等狀況，為工程規(guī)劃的編制建立了可信的技術(shù)基礎(chǔ)，確保了工程安全；數(shù)據(jù)化隧道BIM模式，極大地增強(qiáng)了工程量計(jì)算能力、預(yù)算管理能力、預(yù)算的真實(shí)性，降低了數(shù)據(jù)偶然性帶來的錯(cuò)誤，提升了施工效率。

2.1 地質(zhì)BIM模型指導(dǎo)施工

將處理完畢的不同層級(jí)地質(zhì)信息，以及該區(qū)域所存在的煤系地層信息整合為一體，形成隧道地質(zhì)BIM模型，如圖1所示。實(shí)施中通過查詢精確的地質(zhì)模型，即時(shí)掌控掌子面周邊區(qū)域內(nèi)的建筑區(qū)域地質(zhì)情況、埋深等數(shù)據(jù)，為施工計(jì)劃的科學(xué)制訂建立良好的基礎(chǔ)，確保建筑質(zhì)量與工程進(jìn)度，同時(shí)將工程建設(shè)信息反饋至BIM平臺(tái)，可視化呈現(xiàn)。

圖1 隧道地質(zhì)BIM模型

2.2 工程量管理與施工組織優(yōu)化

參數(shù)化隧道BIM模式中，能按照不同的襯砌段數(shù)、樁號(hào)制作工程量報(bào)告，并以常見的圖表方式傳遞，極大地增強(qiáng)了工程量計(jì)算、成本分析、估算等的精確度，從而降低了數(shù)據(jù)偶然性所造成的誤差、提升效率。結(jié)合BIM 和信息化技術(shù)，通過施工虛擬、工法轉(zhuǎn)換分析、施工組織調(diào)度、工期預(yù)估等功能，為實(shí)現(xiàn)施工材料的合理配置、施工組織優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)管理、投資及安全控制等方面的功能奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 煤系地層隧道施工風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

通過三元素法，對(duì)觀音坪高瓦斯隧道建設(shè)過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)源進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估與分類，計(jì)算公式如下。

式（1）中，D為最終計(jì)算所得風(fēng)險(xiǎn)值；L為發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故的概率值；E為人在風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中暴露的頻次；C為風(fēng)險(xiǎn)事故引發(fā)的災(zāi)害嚴(yán)重程度。

基于上述3個(gè)要素，查表選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)，具體見表1、表2，并分析得出所有風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值D，最后確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并選擇風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

表1 L及E值選用參數(shù)表

表2 C及D值選用參數(shù)表

根據(jù)觀音坪隧道施工的特點(diǎn)，采用三元素法對(duì)隧道危險(xiǎn)源辨識(shí)分析的結(jié)果見表3。

表3 觀音坪隧道危險(xiǎn)源清單

4 隧道智能化瓦斯監(jiān)測(cè)體系

結(jié)合前文風(fēng)險(xiǎn)源預(yù)測(cè)分析，高瓦斯問題是觀音坪隧道所存在的特別重大問題，因此按照隧道實(shí)施中對(duì)瓦斯泄漏控制的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)輔助坑道的特性，以自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主，輔以人工檢測(cè)，并在瓦斯容易集聚的部位如掌子面及模板臺(tái)車上部位置安裝監(jiān)測(cè)報(bào)警儀器，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛取?.3%時(shí)，自動(dòng)報(bào)警；瓦斯?jié)舛取?.5%時(shí)，斷開作業(yè)線供電，暫停施工，并安排工作人員撤離。

4.1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

隧道瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是KJ90NA 自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，該探頭安裝位置可以實(shí)時(shí)反映隧道風(fēng)流中的最高瓦斯?jié)舛取．?dāng)監(jiān)測(cè)到瓦斯?jié)舛取?.3%時(shí)立即報(bào)警，隧道自動(dòng)報(bào)警裝置采用聲、光連動(dòng)形式設(shè)計(jì)，在瓦斯?jié)舛取?.5%后斷開電源并進(jìn)行瓦電閉鎖。

4.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體見圖2，地面中心站作為自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要進(jìn)行管理，并即時(shí)提供和保存隧道施工的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)。其一般由控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)測(cè)控制軟件、數(shù)據(jù)交互接口以及其他的周邊輔助設(shè)備等構(gòu)成，還包括了防爆裝置；分站主要負(fù)責(zé)給傳感器供應(yīng)電力和收集傳感器信息，同時(shí)也將數(shù)據(jù)信息傳遞給地面計(jì)算機(jī)；傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)隧道的施工環(huán)境，傳感器的類型多樣，包括甲烷吸附量、一氧化碳、風(fēng)流速度、風(fēng)壓、溫濕度、啟停、饋電等；控制器主要執(zhí)行系統(tǒng)斷電，在瓦斯超限時(shí)可以接收由分站發(fā)出的斷電指令，斷開對(duì)隧道施工供電，從而避免意外事故的出現(xiàn)。

圖2 隧道施工環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.2 系統(tǒng)工作原理

該文所述的系統(tǒng)，主要是通過收集隧道的甲烷含量、一氧化碳含量及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，在地面機(jī)房實(shí)現(xiàn)24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)；并在上述參數(shù)超限的情況下自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并斷開工作電源，從而實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)安全施工的目的。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理具體見圖3。

圖3 有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

4.1.3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行與管理

根據(jù)隧道的施工實(shí)際和通風(fēng)方法，甲烷傳感器的安設(shè)部位是動(dòng)態(tài)變化的，瓦斯監(jiān)測(cè)人員在隧道施工前進(jìn)過程中，在通風(fēng)方法不同的情形下，進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理、維修，以及甲烷傳感器、風(fēng)速傳感器等的校驗(yàn)、更新等技術(shù)業(yè)務(wù)。另外，為對(duì)隧道內(nèi)的瓦斯情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，瓦斯監(jiān)測(cè)人員24 小時(shí)不間斷上崗工作，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施護(hù)理以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理、收集、統(tǒng)計(jì)分析等，從而為施工現(xiàn)場(chǎng)的安全工作提供可信的瓦斯參數(shù)依據(jù)。

4.2 人工檢測(cè)

人工檢測(cè)人員使用便攜式的瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀和防爆光學(xué)甲烷測(cè)定儀。防爆光學(xué)甲烷測(cè)定儀由專職的瓦斯檢測(cè)員使用，檢測(cè)作業(yè)人員以及安檢員、工班長進(jìn)洞時(shí)隨身攜帶便攜式瓦檢儀。為避免人工檢測(cè)時(shí)發(fā)生意外，瓦斯檢測(cè)人員應(yīng)在開挖工作面的各種風(fēng)流、回風(fēng)流10～20 m內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)局部塌方冒頂處、掌子面頂部等瓦斯易聚集部位進(jìn)行檢測(cè)。

在隧道中對(duì)瓦斯等有害氣體進(jìn)行人工檢測(cè)的頻次，在一般施工作業(yè)地區(qū)的各檢測(cè)點(diǎn)每班至少檢測(cè)3次，對(duì)電焊作業(yè)、防水板焊接作業(yè)、塌方冒頂?shù)忍厥夤ば蚴┕ず椭攸c(diǎn)防控部位，應(yīng)當(dāng)做好全過程監(jiān)測(cè)；對(duì)所有通風(fēng)死角的檢測(cè)點(diǎn)每班入洞保證檢測(cè)一遍，對(duì)瓦斯?jié)舛却笥?.3%的部位，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)檢測(cè)，瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定應(yīng)在隧道風(fēng)流的上部。對(duì)瓦檢人員應(yīng)當(dāng)做到“一炮三檢制”“三人連鎖放炮制”。

5 瓦斯和其他有害氣體的超限處理

5.1 瓦斯?jié)舛认拗?/h3>

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[7]的相關(guān)規(guī)定，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛认拗导疤幚泶胧?yīng)符合表4規(guī)定。

表4 隧道瓦斯?jié)舛认拗当?/p>

5.2 瓦斯?jié)舛瘸尢幚?/h3>

瓦斯超限將會(huì)帶來嚴(yán)重的事故后果，為了確保瓦斯超限時(shí)能夠自主快速處理，并采取有效預(yù)案，防止發(fā)生進(jìn)一步的事故，現(xiàn)場(chǎng)制定了一套嚴(yán)格的瓦斯?jié)舛忍幚砹鞒?，隧道?nèi)瓦斯?jié)舛纫坏┏蓿F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員將馬上上報(bào)負(fù)責(zé)人并啟動(dòng)瓦斯應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)在超限現(xiàn)場(chǎng)組織撤離人員、人員救護(hù)、工程檢修，當(dāng)安全技術(shù)人員確定現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)完全排除后，方才進(jìn)行復(fù)工。瓦斯超限時(shí)按制定的排放瓦斯安全措施分級(jí)進(jìn)行排放瓦斯工作。

其他地點(diǎn)瓦斯?jié)舛取?.5%時(shí)，由架子隊(duì)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)組織排放瓦斯工作。隧道內(nèi)作業(yè)范圍內(nèi)瓦斯超限濃度在0.8%～3%時(shí)，由架子隊(duì)主任現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)排放瓦斯工作。隧道內(nèi)作業(yè)范圍內(nèi)瓦斯超限濃度超過3%時(shí)，由礦山救援隊(duì)進(jìn)行瓦斯排放工作。

6 結(jié)語

煤系地層隧道施工面臨著嚴(yán)峻的高瓦斯問題，為保障施工安全，該文闡述了相關(guān)的施工技術(shù)，包括地質(zhì)BIM模型指導(dǎo)施工、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析、瓦斯監(jiān)測(cè)體系以及瓦斯超限處理流程，形成了較為完整的瓦斯隧道安全控制體系，相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供參考。