淺談低瓦斯隧道施工管理

李 國

（中鐵隧道局集團(tuán)三處有限公司興泉鐵路XQNQ-5標(biāo)段項(xiàng)目經(jīng)理部， 福建 三明 366100）

伴隨著隧道及地下工程的修建，大量的地質(zhì)災(zāi)害接踵而至，造成了嚴(yán)重的生命和財產(chǎn)損失，教訓(xùn)慘痛。人們在改造自然的過程中，也在不斷地認(rèn)識自然，探索自然規(guī)律，防止災(zāi)害放生。瓦斯事故是隧道及地下工程中一個重要的地質(zhì)災(zāi)害，給建設(shè)者們帶來了巨大的威脅。只有加強(qiáng)瓦斯隧道施工過程中的安全管理和防治，方可減小瓦斯事故帶來的傷害。本文結(jié)合“興泉鐵路寧化至泉州段”工程中的控制性工程—三陽隧道的施工管理和施工防護(hù)技術(shù)對低瓦斯隧道的施工管理及防治進(jìn)行研究。論述了三陽隧道的工程概況、水文地質(zhì)及隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計情況并分析了瓦斯隧道存在的風(fēng)險，對應(yīng)并提出了安全防治方案。隨后總結(jié)了安全方案及現(xiàn)場管理的制度。

1 三陽隧道2#斜井工程概況

就已開工的三陽隧道2#斜井為例對低瓦斯隧道管理及防治進(jìn)行分析總結(jié)。三陽隧道2#斜井設(shè)計屬低瓦斯工區(qū)，斜井隧址區(qū)位于閩西南地區(qū)，地形復(fù)雜，地勢陡緩多變。斜井斜長889米，斜井位于線路左側(cè)，與線路小里程方向平面夾角37°25′25″，采用無軌運(yùn)輸雙車道斷面，凈空斷面尺寸7.5m(寬）×6.2米（高），斜井綜合坡度為 10.1%，最大坡度 12%。斜井進(jìn)口地表覆蓋為粉質(zhì)粘土，下伏基巖主要巖層為砂巖、泥巖夾煤層，巖體完整性一般,層狀、塊石結(jié)構(gòu)。

2 低瓦斯隧道施工管理

2.1 瓦斯段施工作業(yè)流程

瓦斯段及存在有害氣體段施工作業(yè)流程見圖2.1。

圖2.1 瓦斯段落施工作業(yè)流程圖

2.2 超前探測

隧道正洞及輔助坑道進(jìn)行全斷面探測，超前探孔孔徑一般為75mm，單孔長度為30m，搭接長度不小于5m，以檢測是否有有害氣體涌出。若探測到有有害氣體，應(yīng)根據(jù)記錄確定有害氣體涌出位置。

2.3 開挖支護(hù)

2.3.1 開挖支護(hù)總體施工方案

三陽隧道2#斜井采用大型機(jī)械化配套方案，三臂鑿巖臺車鉆眼開挖；其余工點(diǎn)采用開挖臺架、人工手持風(fēng)鉆鉆爆法開挖。人工安裝錨桿，架設(shè)鋼架，采用機(jī)械手進(jìn)行噴射砼施工。

2.3.2 瓦斯段開挖施工方案

對正洞煤層瓦斯地段采用煤礦許用炸藥，煤礦許用電雷管起爆。使用煤礦許用毫秒延期電雷管時，最后一段的延期時間不得大于130ms。

2.3.2.1 鉆爆與支護(hù)參數(shù)

采用煤礦許用炸藥，有突出地段采用安全等級不低于 3級的煤礦許用的含水炸藥。使用煤礦許用毫秒延期電雷管起爆，最后一段的延期時間不得大于130ms。

揭煤前，先做好已開挖部位的系統(tǒng)錨桿、鋼架、噴射砼等初期支護(hù)及超前支護(hù)等防護(hù)措施。要求平導(dǎo)與正洞各部不得同時揭煤。進(jìn)入煤系地層段后，必須采用濕式鉆孔，煤破作業(yè)采用煤礦許用炸藥，并采用煤礦礦許用電雷管電力起爆。其中，炸藥安全等級不低于三級的煤礦許用含水炸藥。

隧道采用震動放炮一次揭煤，每次只能揭一層煤，不得同時多層揭煤。隧道內(nèi)采用分部揭煤，各部逐一揭煤，當(dāng)一層煤揭完后方可準(zhǔn)備下一層煤揭煤工作。揭煤前，工作面與煤層之間要留足安全巖柱，石門工作面距煤層的垂距不得小于2m，若圍巖松散破碎，還應(yīng)適當(dāng)增加。當(dāng)石門揭穿后，在半巖半煤中掘進(jìn)，各掘進(jìn)工作面始終保持前方安全區(qū)不得小于 5m。正洞各分部斷面應(yīng)盡量一次揭開煤層，不能一次揭開煤層全厚時，在施工剩余部分時，也必須采取防突措施。

石門開挖工作面距煤層的最小垂距是：急傾斜煤層 2m，傾斜和緩傾斜煤層1.5m，如果巖層松軟、破碎，再適當(dāng)增加垂距。

不同傾角、厚度的煤層揭煤方法：

a急傾斜和傾斜的薄煤層，一次揭穿煤層全厚。

b急傾斜和傾斜的中厚、厚煤層，一次全斷面揭入煤層深度1～1.3m。

c緩傾斜煤層，一次揭開巖柱。當(dāng)傾角小于 12°，巖柱水平長度大時，刷斜面揭開煤層。每次石門開挖進(jìn)尺為1～1.2m，開挖高度以頂板距煤層1.2～1.5m（垂距）厚度為準(zhǔn)，直至開挖到工作面距煤層1.5～1.8m（水平距）時再揭開煤層。在每次開挖過程中加強(qiáng)頂板臨時支護(hù)，確保1.2～1.5m厚度頂板不坍落。

2.3.2.2 石門震動放炮

石門均采用震動放炮一次揭煤；多鉆孔，多裝藥，一次揭開石門厚度。具體實(shí)施方法：震動放炮的炮眼數(shù)目按照每平方米石門斷面4～5個確定，單位炸藥消耗量按照正常掘進(jìn)量的2～3倍確定，根據(jù)斷面和巖性確定炮眼布置。起爆前撤出人員，用遠(yuǎn)距離電力起爆放炮，利用爆破時強(qiáng)大的震動力，猛然一次揭開具有突出危險性的瓦斯氣層。

按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，石門位置應(yīng)盡量避開地質(zhì)變化區(qū)，掘進(jìn)到距煤層10m以外，就開始向煤層打超前鉆，超前工作面5m，以了解煤層及瓦斯賦存條件。揭開煤層前掘進(jìn)工作面到煤層之間必須留有一定厚度的巖墻,緩傾斜煤層2m, 急傾斜煤層1.5m,本工程根據(jù)設(shè)計巖墻長度選為5m。當(dāng)煤層瓦斯壓力小于1Mpa時，采用震動放炮。（如果大于1Mpa時應(yīng)選降壓）。

2.4 襯砌施工

瓦斯段在排水系統(tǒng)中增設(shè)水氣分離裝置，地下水經(jīng)水氣分離后通過變強(qiáng)泄水管引入洞內(nèi)側(cè)溝排出，分離出的瓦斯氣體采用φ80PVC管引出隧道洞口或1#、2#斜井洞口外在高處排放，φ80PVC管置于拱頂附近（拱頂中線左右50cm）襯砌防排水板背后，自瓦斯溢出起點(diǎn)里程一直延伸到隧道洞外，水氣分離裝置，縱向間距50m一處，環(huán)向盲管與縱向φ80PVC管采用三通連接。

2.5 通風(fēng)施工方案

施工通風(fēng)是低瓦斯隧道施工階段重要的控制措施，通風(fēng)質(zhì)量的好壞決定了隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊母叩?，瓦斯?jié)舛葲Q定了隧道在該段落內(nèi)瓦斯施工風(fēng)險的高低。優(yōu)良的施工通風(fēng)方案及合適的通風(fēng)設(shè)備選型，是保證隧道內(nèi)的通風(fēng)質(zhì)量的基礎(chǔ)。

2.5.1 施工通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

⑴、隧道中氧氣含量按體積百分含量計不得小于20%；

⑵、粉塵最高容許濃度，每立方米空氣中含有 10%以上游離二氧化硅的粉塵為2mg；

⑶、有害氣體最高允許濃度：

一氧化碳最高容許濃度為 30mg/m3。在特殊情況下，施工人員必須進(jìn)入工作面時，濃度可為100mg/m3，但工作時間不得超過30min；二氧化碳，按體積百分含量計不得大于0.5%；氮氧化物（換算成NO2）為5mg/m3以下；隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%。

⑷ 隧道內(nèi)氣溫不得大于28℃。

2.5.2 施工通風(fēng)設(shè)計原則

⑴瓦斯隧道采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管。風(fēng)管口到開挖工作面距離應(yīng)小于5m，風(fēng)管百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于2%。

⑵在隧道斷面凈空允許的情況下，盡可能采用大直徑風(fēng)管配大風(fēng)量通風(fēng)機(jī)，以減少能耗損失。

⑶風(fēng)量計算時考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)。

2.5.3 施工通風(fēng)方式選擇

結(jié)合設(shè)計圖紙，2#斜井采用壓入式通風(fēng)。

2.5.4 斜井風(fēng)量、風(fēng)壓計算和通風(fēng)設(shè)備的選擇

2.5.4.1 施工需風(fēng)量計算依據(jù)

⑴排出炮煙計算工作面風(fēng)量

⑵隧道內(nèi)的最多工作人數(shù)計算風(fēng)量

⑶瓦斯絕對涌出量計算風(fēng)量

⑷允許最低風(fēng)速計算風(fēng)量

需風(fēng)量為以上四項(xiàng)中的最大值。

2.5.4.2 需風(fēng)量計算

風(fēng)管長度L取值：

隧道當(dāng)量直徑D=4A/L1

A為隧道斷面開挖面積

L1為隧道斷面周長。

⑴ 按一次性爆破所需要排除的炮煙量計算

式中：

G—同時爆破炸藥量，kg；

t—通風(fēng)時間，按30min計算；

A—隧道斷面積；

L—通風(fēng)區(qū)段的長度，4x12.82=51.28m；

⑵ 隧道內(nèi)的最多工作人數(shù)計算風(fēng)量

洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)60人計算

式中：q—作業(yè)面每一作業(yè)人員的通風(fēng)量，取3m3/min；

n—作業(yè)面同時作業(yè)的最多人數(shù)，60人。

⑶ 按洞內(nèi)允許最小風(fēng)速0.25m/s計算

式中: —S隧道最大開挖斷面積；

V —洞內(nèi)允許最小風(fēng)速。

⑷ 排出瓦斯計算風(fēng)量

Q瓦=K.QCH4/（Bg-Bg0）

Q瓦—工作面風(fēng)量，m3/min；

QCH4—瓦斯涌出量，m3/min，低瓦斯隧道取值為0.5m3/min；

Bg—工作面允許瓦斯?jié)舛?，?/100；

Bg0—送入工作面的風(fēng)流中瓦斯的濃度，取0；

K—瓦斯涌出不均衡系數(shù)，K取2。

⑸ 需要軸流風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量

① 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

Q風(fēng)機(jī)=P×Q工作面

Q風(fēng)機(jī)——通風(fēng)機(jī)風(fēng)量

Q工作面——開挖工作面所需風(fēng)量

P—風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù),取風(fēng)管百米漏風(fēng)率P100=1.1%；

L—風(fēng)管長度

p=1/【1-(L/100)·P100】

②管道風(fēng)阻

沿程阻力損失

h1——管路沿途壓力損失（Pa）h1=α×（L×U÷S3）×Q工作面；

α——管路摩擦系數(shù)，取2.1×10-4；

L——風(fēng)管管路長度

U——管路截面周長（d=1.5m）

S——管路截面面積

Q工作面——開挖工作面所需風(fēng)量；

③局部阻力損失

h2——管路彎頭（接頭）壓力損，按1000Pa計算。

Ht≥h1+h2

2.5.4.3 通風(fēng)設(shè)備選擇及配置

經(jīng)計算，通風(fēng)管道直徑選用φ1.5m，軸流風(fēng)機(jī)配置情況如下：表2.5-3 主要通風(fēng)設(shè)備參數(shù)表

2.5.4.4 通風(fēng)布置方案

斜井進(jìn)正洞通風(fēng)布置如圖2.5所示，采用壓入式通風(fēng)。

圖2.5 單斜井單正洞雙向掘進(jìn)壓入式通風(fēng)示意圖

洞口風(fēng)機(jī)需要安設(shè)在距離洞口30m以外的上風(fēng)向，避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)；風(fēng)管出風(fēng)口距開挖工作面的距離不超過10m。

因?yàn)樗x擇的風(fēng)管直徑較大，必須保證隧道斷面有足夠的凈空，避免過往車輛和機(jī)械刮破風(fēng)管而影響施工。

3 低瓦斯隧道安全防治措施

結(jié)合低瓦斯隧道特性，做好明火的有效管控及施工通風(fēng)，同時結(jié)合瓦斯?jié)舛葯z測，可有效的抑制瓦斯起火或爆炸等安全風(fēng)險。

3.1 門禁系統(tǒng)的明火管理

3.1.1 氛圍營造

營造瓦斯工區(qū)明火管理的現(xiàn)場氛圍，讓操作人員及外來人員重視低瓦斯隧道明火管理，在工區(qū)周邊設(shè)置各類標(biāo)識、標(biāo)牌及語音告知系統(tǒng)，讓大家了解低瓦斯隧道、明火管理的重要性。

3.1.2 人車分離系統(tǒng)

進(jìn)洞作業(yè)人員及車輛采用人車分流，人員通道入口處設(shè)置更衣室（若瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)則不許穿化纖材質(zhì)衣服），所有進(jìn)洞人員必須把隨身攜帶的打火機(jī)、火柴、點(diǎn)煙器等點(diǎn)火裝置放置在對應(yīng)的更衣柜，不得私自帶入洞內(nèi)。

3.1.3 安檢系統(tǒng)

更衣室出口處增加安檢門，并設(shè)專職安檢人員，如有未將打火機(jī)、點(diǎn)煙器等物品放在更衣室儲蓄柜內(nèi)人員，可自動檢測報警。

3.1.4 安全講評

洞口設(shè)置安全講評臺，專職安全管理人員、現(xiàn)場帶班人員、班組長等，對每班作業(yè)人員進(jìn)行班前安全講話，提醒瓦斯安全管理注意事項(xiàng)、洞內(nèi)作業(yè)安全等。

3.2 瓦斯檢測

三陽隧道地質(zhì)復(fù)雜多變，隧址周邊煤礦較多，為確保瓦斯隧道施工安全，瓦斯檢測采用人工檢測+自動檢測。

3.2.1 人工檢測流程

洞內(nèi)瓦斯人工檢測嚴(yán)格執(zhí)行“一班二檢”、“一炮三檢”制度，瓦檢員嚴(yán)格按照瓦斯檢測制度，對洞內(nèi)瓦斯進(jìn)行檢測，并做好相關(guān)記錄，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到規(guī)定值需上報上級領(lǐng)導(dǎo)。

3.2.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)

因人工檢測頻率及檢測地點(diǎn)限制以及具有隨意性，為確保低瓦斯隧道施工安全，洞內(nèi)采用KJ90瓦斯自動檢測系統(tǒng)，在掌子面附近拱頂、拱腰位置及二襯臺車等位置安裝甲烷傳感器、二氧化碳傳感器、硫化氫傳感器等，自動檢測洞內(nèi)規(guī)定位置的瓦斯等氣體含量，功能豐富，具有甲烷斷電儀及甲烷風(fēng)電閉鎖裝置的全部功能。

3.3 瓦斯超限處理措施

制定瓦斯超限處理措施，瓦斯自動檢測配合人工檢測，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸?，采取相?yīng)措施。

4 小結(jié)

目前，我國鐵路、公路建設(shè)事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，瓦斯隧道施工是所有行業(yè)建設(shè)者難免會遇到的高風(fēng)險作業(yè)項(xiàng)目。如不注重總結(jié)，加強(qiáng)管理，必然會導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故，造成不必要的損失以及惡劣的社會影響。

瓦斯隧道施工安全管理不局限于前文所述的幾個方面，還應(yīng)加強(qiáng)瓦斯隧道相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、施工方案圖紙的培訓(xùn)與交底，加強(qiáng)特種作業(yè)人員及安全質(zhì)量管理人員的取證上崗，加強(qiáng)進(jìn)場機(jī)電設(shè)備尤其是特種設(shè)備的日常管理與維修，加強(qiáng)火災(zāi)爆炸事故的應(yīng)急儲備與響應(yīng)等方方面面的工作。

因此，所有參與瓦斯隧道施工的人員，都必須以高度的責(zé)任心與危機(jī)感，認(rèn)真總結(jié)思考，做好本職工作，確保瓦斯隧道施工安全萬無一失。