長大低瓦斯隧道施工技術(shù)及防治要點(diǎn)探析

曾泳太

摘要 為在長大低瓦斯隧道施工建設(shè)中，確保施工操作的安全性，建立可靠的瓦斯隧道綜合防治體系，文章結(jié)合某工程項(xiàng)目，以及長大低瓦斯隧道的特點(diǎn)，分析了該類隧道項(xiàng)目的施工技術(shù)要點(diǎn)，提出具體的瓦斯防治措施。借此通過瓦斯監(jiān)測、施工安全管理、通風(fēng)設(shè)計(jì)等方式，減少長大低瓦斯隧道施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障瓦斯隧道施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 長大隧道；低瓦斯；施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U455.49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0120-03

0 引言

隨著公路和鐵路建設(shè)環(huán)境的日漸復(fù)雜，瓦斯隧道成為新時(shí)期較為常見的隧道類型。相較于普通隧道，長大低瓦斯隧道施工中的瓦斯涌出風(fēng)險(xiǎn)較大，瓦斯防治和隧道施工技術(shù)難度增加。因此，需要結(jié)合長大低瓦斯隧道的特點(diǎn)，提前制定瓦斯防治方案和隧道施工技術(shù)方案，控制好瓦斯涌出風(fēng)險(xiǎn)，建立可靠的瓦斯監(jiān)測體系，使隧道建設(shè)項(xiàng)目如期竣工。

1 工程概況

某長大低瓦斯隧道項(xiàng)目，左線樁號(hào)LZK0+237～LZK2+258，長2 021 m；右線樁號(hào) LK0+193～LK2+238，長2 045 m。隧道分左、右線，且均為單向上坡，左線坡度為 0.5%/2 021 m，右線縱坡分別為2.4%/171.801 m、0.85%/

1 356.922 m和0.5%/516.268 m。隧道設(shè)計(jì)為雙向四車道，行車速度設(shè)計(jì)為80 km/h。隧道進(jìn)口區(qū)域設(shè)計(jì)為“削竹式洞門”，出口區(qū)域設(shè)計(jì)為“端墻式洞門”，進(jìn)出口洞門的最大埋深為508 m。該隧道建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)線路需要穿越1條斷層帶，并且隧道洞身處于瓦斯地層，屬于低瓦斯隧道。設(shè)計(jì)線路內(nèi)存在斷層破碎帶、巖溶、大變形軟巖、瓦斯等不良地質(zhì)和特殊巖土層，圍巖主要以強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾煤線、炭質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)巖為主，采用新奧法復(fù)合式襯砌。

2 長大低瓦斯隧道特點(diǎn)分析

該隧道項(xiàng)目穿越瓦斯地層為低瓦斯隧道，隧道有害氣體主要是原煤伴生天然氣，蘊(yùn)藏在孔隙較多的地下巖層內(nèi)，上述隧道項(xiàng)目中地層內(nèi)瓦斯的比重為0.65。瓦斯的重量比空氣輕，無色、無味、無毒，生長過程中會(huì)留存在巖石坑道上方，具有滲透性，容易擴(kuò)散。再者，瓦斯本身具有爆炸性、不穩(wěn)定性、滲透性、水溶性及窒息性，瓦斯?jié)舛冗^高、隧道內(nèi)存在引火源以及氧氣過于充足都會(huì)導(dǎo)致瓦斯爆炸。因此，相較于普通隧道項(xiàng)目，長大低瓦斯隧道施工中伴隨著瓦斯涌出和瓦斯爆炸的情況，整體施工難度較大，且施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)較為突出。

3 長大低瓦斯隧道施工技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)該項(xiàng)目施工情況來看，有關(guān)長大低瓦斯隧道施工技術(shù)要點(diǎn)主要包含隧道施工設(shè)計(jì)、隧道開挖、隧道鉆爆、隧道支護(hù)和隧道襯砌五方面。施工人員需結(jié)合施工項(xiàng)目實(shí)況，掌握施工技術(shù)要點(diǎn)，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，有序施工，保證隧道施工順利開展。以下內(nèi)容對(duì)此項(xiàng)目施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1 隧道施工設(shè)計(jì)

長大低瓦斯隧道施工方案設(shè)計(jì)需基于《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》《煤礦安全規(guī)程》。為維護(hù)施工安全，應(yīng)堅(jiān)持加強(qiáng)施工管理、消除隱患、嚴(yán)格檢測，隨時(shí)掌握瓦斯含量，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工工藝、加強(qiáng)通風(fēng)、嚴(yán)管火源、降低瓦斯?jié)舛鹊仍瓌t。隧道施工區(qū)域內(nèi)的Ⅳ級(jí)圍巖采用大拱腳臺(tái)階法開挖，每循環(huán)進(jìn)尺1.6～2 m；Ⅴ級(jí)圍巖開挖時(shí)需要在預(yù)留核心土的基礎(chǔ)上，應(yīng)用臺(tái)階法開挖，每次開挖時(shí)循環(huán)進(jìn)尺0.6～0.8 m，開挖面不大，可以有效地控制瓦斯溢出量，安全支護(hù)開挖結(jié)構(gòu)[1]。

3.2 隧道開挖

隧道開挖所采用的方法為臺(tái)階法。開挖過程中需要用到炸藥，炸藥一般為煤礦許用炸藥，對(duì)于低瓦斯隧道，煤礦專用炸藥的安全等級(jí)應(yīng)大于1級(jí)。開挖后可通過“電力起爆”的方式引爆炸藥，并采用水炮泥和黏土炮泥封堵。

爆破時(shí)設(shè)備的連線、網(wǎng)絡(luò)連接為串聯(lián)，接頭需要擰緊，明線區(qū)域提前用絕緣材料包裹住并將其懸空。母線、電纜、電線、信號(hào)線等關(guān)鍵線路設(shè)置在隧道兩側(cè)，特殊情況要設(shè)置在同側(cè)時(shí)，電纜和母線的間距應(yīng)大于30 cm[2]。

隧道正式開挖和鉆孔前，相關(guān)人員要基于地質(zhì)分析理論，詳細(xì)地采集、記錄現(xiàn)場地質(zhì)信息，并通過相關(guān)的試驗(yàn)，測定隧道開挖區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn)，檢測鉆孔區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，尤其是鉆孔內(nèi)、掌子面周圍20 m范圍處、隧道孔洞內(nèi)、頂部以及隧道頂端隅角處的瓦斯?jié)舛取．?dāng)超前鉆孔孔口處實(shí)測瓦斯壓力大于0.15 MPa且小于0.74 MPa 時(shí)，提前安裝通風(fēng)設(shè)備，加強(qiáng)通風(fēng)。實(shí)測瓦斯壓力大于0.74 MPa，且每1 min單孔瓦斯涌出量大于5 L時(shí)停止鉆孔和隧道開挖作業(yè)，立即采取措施降低瓦斯壓力。若24 h內(nèi)瓦斯壓力值未降低，應(yīng)封孔上報(bào)監(jiān)理、業(yè)主及設(shè)計(jì)院另行處理，同時(shí)增加瓦斯涌出口的鉆孔量，提前將瓦斯和相關(guān)氣體釋放出來，以降低瓦斯?jié)舛取?/p>

3.3 隧道鉆爆

由于長大低瓦斯隧道施工中伴有瓦斯涌出和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，在鉆爆作業(yè)時(shí)應(yīng)重視以下內(nèi)容：

（1）瓦斯施工區(qū)域內(nèi)，鉆孔作業(yè)采用濕式鉆孔，鉆孔區(qū)域約20 m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛却笥?%時(shí)，停止鉆孔，及時(shí)做好降低瓦斯?jié)舛鹊认嚓P(guān)工作，確保施工安全。

（2）隧道爆破開挖采用延時(shí)毫秒雷管，通過“一炮三檢”的監(jiān)測模式，分別在裝藥前、爆破前、爆破后對(duì)雷管進(jìn)行檢測，重點(diǎn)檢查爆破區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，避免在瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)作業(yè)。開挖過程中需基于“開挖必探、存疑必探、有掘先探”原則，做好開挖前和掘進(jìn)前的探測工作，并在發(fā)現(xiàn)異常問題后及時(shí)探測，排除異常風(fēng)險(xiǎn)后開始作業(yè)。

（3）低瓦斯隧道項(xiàng)目進(jìn)行裝藥和爆破作業(yè)時(shí)，爆破區(qū)域的20 m范圍內(nèi)，風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛韧瑯硬灰诉^高，以濃度不超過1%為準(zhǔn)。另外，爆破區(qū)域中礦車、碎石和煤渣的阻塞開挖斷面應(yīng)控制在1/3以內(nèi)。施工區(qū)域的通風(fēng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員應(yīng)確保風(fēng)量、風(fēng)向的穩(wěn)定性，局部設(shè)置循環(huán)風(fēng)和無循環(huán)風(fēng)，保障鉆爆過程中的隧道通風(fēng)性能，為后續(xù)施工活動(dòng)奠定基礎(chǔ)[3]。

3.4 隧道支護(hù)

長大低瓦斯隧道支護(hù)施工中，初期支護(hù)可運(yùn)用濕噴混凝土技術(shù)。混凝土攪拌時(shí)，應(yīng)先干拌水泥和氣密劑，拌合時(shí)間為1.5～2 min，之后倒入碎石和水，再次攪拌2 min。攪拌完畢后，濕噴混凝土。為避免隧道中的巖體結(jié)構(gòu)開始松弛，施工人員需要在隧道開挖作業(yè)結(jié)束后立即濕噴混凝土。濕噴方法為自下而上的分片、分段噴射，初噴厚度約50～60 cm，復(fù)噴時(shí)，隧道拱頂厚度應(yīng)控制在100 mm以內(nèi)，邊墻區(qū)域不超過150 mm。

布設(shè)鋼筋、鋼架等支護(hù)工具時(shí)，用鋼絲和螺絲將其緊緊地綁扎住，盡量避免用電焊、氣焊等方式固定連接支護(hù)構(gòu)件。因特殊情況下不得不焊接和切割時(shí)，還應(yīng)制定安全措施，設(shè)專人監(jiān)督，并及時(shí)清理作業(yè)點(diǎn)周圍，確保作業(yè)區(qū)域20 m范圍內(nèi)沒有易燃和可燃物質(zhì)，且風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%，巷道頂和支護(hù)區(qū)域沒有集聚的瓦斯。同時(shí)，提前設(shè)置滅火器、供水閥門和局部扇風(fēng)機(jī)，焊接、切割完畢后檢查施工區(qū)域，核查有無殘火，確認(rèn)無殘火后澆水噴灑，并觀察作業(yè)區(qū)域。觀察時(shí)間為1 h。因作業(yè)要求需用火時(shí)，還應(yīng)提前申請，審批后方可動(dòng)火。在此過程中，瓦檢員應(yīng)加強(qiáng)巡查，積極履行自身職責(zé)，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道瓦斯?jié)舛鹊漠惓，F(xiàn)象，尋根追源，降低隧道瓦斯?jié)舛?，保障隧道運(yùn)營安全，協(xié)助瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的防控和管理。

3.5 隧道襯砌

為加強(qiáng)低瓦斯隧道施工中的防治力度，還應(yīng)在隧道襯砌作業(yè)中設(shè)置水汽隔離層。通過分段排水和水汽分離的方式，弱化瓦斯的滲透性。襯砌方法是每隔4.5～6 m間距布設(shè)Φ50環(huán)向盲溝，邊墻下布設(shè)Φ100縱向盲溝和橫向排水管。隔離層所用的混凝土一般為氣密性混凝土，由普通混凝土和氣密劑配制而成，能夠改善混凝土性能，增強(qiáng)其抗氣密性。襯砌作業(yè)中，需要重點(diǎn)做好混凝土材料選配、混凝土澆筑、振搗等工作[4]。

4 長大低瓦斯隧道綜合防治措施

對(duì)于長大低瓦斯隧道而言，由于其地形復(fù)雜等特點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行防治時(shí)，要從瓦斯監(jiān)測、通風(fēng)設(shè)計(jì)等工作入手，保障隧道施工安全性，為隧道后期運(yùn)營安全奠定基礎(chǔ)。

4.1 加強(qiáng)隧道施工區(qū)的瓦斯監(jiān)測

上述隧道項(xiàng)目屬于長大低瓦斯隧道，防治瓦斯風(fēng)險(xiǎn)時(shí)采用便攜式瓦斯檢測儀、光干涉瓦檢儀及KJ101自動(dòng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測隧道施工區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，系統(tǒng)具有監(jiān)控、斷電和報(bào)警功能。該系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)由便攜式瓦斯檢測儀和光干涉瓦檢儀，以及洞外監(jiān)控中心、洞內(nèi)分站、甲烷傳感器、CO和H2S傳感設(shè)備、風(fēng)速傳感設(shè)備、智能斷電儀、智能報(bào)警器組成，基本原理如圖1所示，能夠獲取詳細(xì)、準(zhǔn)確的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的主要監(jiān)測內(nèi)容包括：隧道施工環(huán)境、隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛取L(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，以及隧道?nèi)的風(fēng)速、CO、H2S、CH4、CO（一氧化碳）、H2S（硫化氫）等氣體的濃度。

為確保該項(xiàng)目瓦斯監(jiān)測的可靠性，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中啟動(dòng)了自動(dòng)瓦斯監(jiān)控方案，即在隧道進(jìn)出洞口、左右洞口分別配置KJ-101型瓦斯監(jiān)測儀器。該儀器的運(yùn)行過程中會(huì)嵌入式地安裝在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，并采用分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，由紅外遙控裝置和主機(jī)進(jìn)行連接，由系統(tǒng)主機(jī)遠(yuǎn)程控制。KJ101自動(dòng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的斷電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三級(jí)，同時(shí)具有異地交叉斷電能力，可以促進(jìn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)低瓦斯隧道施工的集中控制和安全管理。

隧道進(jìn)出口位置的自動(dòng)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)包含2臺(tái)主機(jī)，1臺(tái)為常用主機(jī)，1臺(tái)為備用主機(jī)。系統(tǒng)由2個(gè)監(jiān)控分站、多個(gè)甲烷和CO、H2S傳感器，以及風(fēng)速傳感器、報(bào)警器、電源以及1臺(tái)備用電源組成。各類傳感器的數(shù)據(jù)共享、信息采集功能相同，可以在超限狀況下起到采集隧道內(nèi)氣體信息和獲取低瓦斯?jié)舛刃畔⒌哪芰?。瓦斯洞口主風(fēng)機(jī)處設(shè)有風(fēng)電閉鎖設(shè)備，主風(fēng)機(jī)因各種原因故障后，該設(shè)備可自動(dòng)地切斷隧道洞內(nèi)的電源，保障隧道內(nèi)部相關(guān)設(shè)備安全，降低事故范圍。

洞口自動(dòng)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測范圍為0%～4%CH4，每次檢測速率小于30 m/s。隧道內(nèi)風(fēng)速的監(jiān)測范圍為0.3～15 m/s，同時(shí)具有洞內(nèi)監(jiān)測和洞外報(bào)警的功能。

高瓦斯施工區(qū)域、巖（煤）施工區(qū)域、瓦斯突出工區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)由專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路、風(fēng)電閉鎖和甲烷閉鎖組成。整體的監(jiān)控工作堅(jiān)持人工監(jiān)測與設(shè)備監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測模式，更全面地保障瓦斯隧道施工區(qū)域的安全性。

4.2 重視關(guān)鍵工序的瓦斯檢測

低瓦斯隧道施工中，鑿眼、放炮作業(yè)后是瓦斯含量增長幅度較大的關(guān)鍵時(shí)期，最大的原因是炮眼會(huì)連接隧道和瓦斯層，導(dǎo)致作業(yè)期間存在瓦斯泄露風(fēng)險(xiǎn)。且放炮之后，隧道內(nèi)會(huì)揭露出大面積新鮮巖層，一些封閉的瓦斯地層可能會(huì)暴露出來，繼而導(dǎo)致瓦斯從新鮮巖層的縫隙和表面涌出。因此，隧道施工工程中，相關(guān)人員應(yīng)在鑿眼、裝藥和放炮前后，做好所有區(qū)域的瓦斯監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)風(fēng)流內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^高時(shí)嚴(yán)禁鉆眼和放炮，瓦斯?jié)舛瘸^1.5%時(shí)，要停止施工并及時(shí)組織人員撤出，并切斷隧道內(nèi)的電源[5]。

注意加強(qiáng)重點(diǎn)部位的瓦斯檢測。瓦斯比空氣輕，容易擴(kuò)散，但是在隧道中風(fēng)速小于0.25 m/s時(shí)，瓦斯會(huì)進(jìn)入游離狀態(tài)，聚集在隧道頂層和各個(gè)死角。局部聚集后可能會(huì)誘發(fā)瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)。所以一些易于集聚瓦斯的區(qū)域是瓦斯檢測的重點(diǎn)。主要檢測區(qū)域包括：

（1）隧道開挖區(qū)域的風(fēng)流內(nèi)，包括隧道的回風(fēng)流。

（2）電氣開關(guān)周圍10 m處的風(fēng)流中。

（3）隧道施工作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流中，包括臺(tái)車、施工設(shè)備、電動(dòng)機(jī)附近20 m內(nèi)的風(fēng)流。

（4）隧道頂部、支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、超挖孔洞內(nèi)。

（5）隧道中的變電所、水泵站、水倉等洞室和斷面變化處。

4.3 完善瓦斯隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)

在長大低瓦斯隧道施工中，還應(yīng)完善隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)計(jì)，采用連續(xù)通風(fēng)模式，預(yù)防施工風(fēng)險(xiǎn)。通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于風(fēng)量設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)檢測。在此過程中需要做好以下幾點(diǎn)。

（1）隧道洞口可設(shè)置壓入式通風(fēng)管道，通風(fēng)機(jī)為大功率軸流式通風(fēng)機(jī)。布設(shè)通風(fēng)裝備前，還應(yīng)結(jié)合隧道建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及施工作業(yè)面瓦斯最大涌出量、最低風(fēng)速、工作面需風(fēng)量確定隧道的風(fēng)量設(shè)計(jì)值。

（2）選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)況，重點(diǎn)分析通風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)，如工作風(fēng)量Q和全風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式等，選定后將一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)設(shè)置在隧道內(nèi)。

（3）隧道施工期間，還應(yīng)重視通風(fēng)檢測，由專業(yè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)的通風(fēng)情況，包括風(fēng)速、風(fēng)量等重要參數(shù)，同時(shí)配備專業(yè)人員定期維護(hù)和管理通風(fēng)設(shè)備，培訓(xùn)通風(fēng)機(jī)組管理人員，積極引進(jìn)新型管理理念與管理技術(shù)，提高隧道通風(fēng)機(jī)組的管理質(zhì)量，確保隧道通風(fēng)正常，建立通風(fēng)臺(tái)賬，落實(shí)責(zé)任到個(gè)人，確保隧道通風(fēng)性能。

5 結(jié)語

綜上所述，為在長大低瓦斯隧道施工時(shí)，減少因瓦斯?jié)B漏和涌出產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，該文結(jié)合具體的工程案例，總結(jié)了該類隧道工程施工技術(shù)要點(diǎn)，以及施工期間瓦斯的防治措施，突出了瓦斯監(jiān)測、施工段隔離層設(shè)置和改善掘進(jìn)方法的重要性，使相關(guān)人員能夠更全面地控制長大低瓦斯隧道施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)瓦斯隧道施工技術(shù)體系的進(jìn)一步完善。

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