高瓦斯隧道非防爆無軌運輸風險防控技術探討與應用
——以渝黔鐵路天坪隧道工程為例

王 棟

(1. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 廣東省隧道結構智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室， 廣東 廣州 511455)

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，修建的瓦斯隧道越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計，1949—1999年，我國修建了18座瓦斯隧道，占全國隧道總數(shù)的0.18%； 但2000—2009年，我國修建的瓦斯隧道已有60余座，其中長度3 km以上的32座，大大超過了2000年以前修建的瓦斯隧道總數(shù)[1]。2010年以來，相繼修建了20多座采用防爆改裝無軌運輸技術施工的公路、鐵路高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道，其中渝黔鐵路新涼風埡隧道、重慶鐵路樞紐東環(huán)線鷂子巖隧道為瓦斯突出隧道。

以往高瓦斯隧道施工運輸均按規(guī)定采用有軌運輸方式，主要是借鑒煤礦生產(chǎn)中防爆型有軌運輸?shù)某晒?jīng)驗與成果，相關規(guī)范也據(jù)此給出了明確規(guī)定?！惰F路瓦斯隧道技術規(guī)范》[2]中11.1.2條規(guī)定“高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)的作業(yè)機械應使用防爆型”，不再專門要求高瓦斯隧道施工必須采用有軌運輸； 《煤礦安全規(guī)程》[3]中第三百九十二條規(guī)定，煤礦開采運輸過程中可采用無軌腳輪車運輸，但要求必須整車防爆。同時，諸多專家學者也對煤礦、公路、鐵路的無軌運輸技術進行了探索和研究。文獻[4-5]分析煤礦無軌運輸設備的發(fā)展及效能，為隧道采用無軌運輸技術提供了一些參考和借鑒； 文獻[6-12]對高瓦斯公路、鐵路隧道采用防爆改裝技術進行了研究和應用，著重闡述了隧道作業(yè)機械的配置、改裝方案、改裝系統(tǒng)及應用情況； 文獻[13]對高瓦斯鐵路隧道采用無軌運輸方案進行了對比和分析，說明了采用無軌運輸?shù)闹仉y點和優(yōu)越性； 文獻[14]對車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的組成、工作過程及應用進行了詳細的闡述，認為有效的瓦斯監(jiān)控手段可保證高瓦斯隧道的施工安全。

研究成果表明，無軌運輸及防爆改裝技術已經(jīng)成熟地應用于高瓦斯隧道的施工過程中，但是由于防爆改裝只是對無軌運輸設備的局部改裝，而作為核心的柴油發(fā)動機無法更換為防爆柴油機，另外啟動方式和剎車等改裝難度很大，也沒有進行改裝，并未實現(xiàn)運輸機械的整機防爆，仍為非防爆設備。因此，本文從高瓦斯隧道非防爆無軌運輸技術的影響因素出發(fā)，分析其可行性，通過應用諸多降低瓦斯含量和涌出量的安全風險防控配套技術，降低瓦斯體積分數(shù)，同時通過對現(xiàn)場的應用效果和綜合效益進行深入的探討和分析，創(chuàng)新性地應用非防爆無軌技術，取得了良好的應用效果，以期為同類工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

渝黔鐵路是連通重慶、貴陽兩地的快速鐵路，全長345 km。其中，天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段，為單洞雙線鐵路隧道。隧道全長13.98 km，設置“1個平導+2座斜井+1個橫洞(主副井)”，劃分為進口和斜井、斜井、橫洞和出口4個工區(qū)。橫洞工區(qū)負責承擔DK128+997～DK124+860段4 137 m正洞、PDK128+240～PDK124+640段3 600 m平導的施工任務。隧道在DK127+710～+850段穿越龍?zhí)督M煤系地層，連續(xù)穿越C6、C5、C3煤層，層厚分別為1.33、2.45、2.6 m，瓦斯含量高、壓力大，施工風險極大，確認橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，天坪隧道為Ⅰ級高風險隧道。天坪隧道及輔助坑道布置示意見圖1。

圖1 天坪隧道及輔助坑道布置示意圖

2 高瓦斯隧道非防爆無軌運輸技術的可行性分析

2.1 安全管理因素

《鐵路隧道施工規(guī)范》(鐵建設﹝2002﹞24號)已于2009年2月25日被廢止，正在實行的TZ 20—2008《鐵路隧道工程施工技術指南》和TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》中也不再明確規(guī)定“高瓦斯和瓦斯突出隧道必須采用有軌運輸”，TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》中也沒有對瓦斯隧道施工運輸方式和運輸設備提出明確要求，只是在12.3.9條中規(guī)定“高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)的電氣設備和作業(yè)機械應使用防爆型。非瓦斯工區(qū)、微瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的行走機械嚴禁駛入高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)”。但由于TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》推行多年，在隧道施工行業(yè)有比較根深蒂固的影響，所以目前大部分設計單位仍然按照以往的慣性思維設計高瓦斯隧道，即采用有軌運輸方式施工。設計如此，作為業(yè)主和監(jiān)理就會要求施工單位按照設計方案進行施工，那么施工單位在高瓦斯和瓦斯突出隧道推行非防爆無軌運輸時就會阻力重重，也直接影響到非防爆無軌運輸在瓦斯隧道施工中的推廣應用。

2.2 技術因素

國內(nèi)外針對無軌內(nèi)燃防爆設備均研制出了合格產(chǎn)品，并在煤礦井下成功應用，但其功率均偏小，不適用于隧道施工，大功率的無軌內(nèi)燃防爆設備必須定制，且不說定制價格高低，其應用可靠性也沒有被驗證。因此，其在煤炭行業(yè)應用實例很少，那么在隧道施工領域沒有被推廣應用也是很正常的。

無軌內(nèi)燃設備防爆的技術原理都是相同的，該技術推動了防爆改裝技術在瓦斯隧道施工中的嘗試和應用，取得了一些初步成果，但沒有形成系統(tǒng)性有說服力的結論。其面臨的最大問題是，防爆改裝只能做到部分防爆，不是整機防爆。雖然從原理上來說是屬于非防爆設備，但是否滿足規(guī)范和施工要求還需要進一步研究。其安全可靠性暫時得不到相關單位和部門的認可，直接影響了非防爆無軌運輸技術在高瓦斯隧道施工領域的推廣應用。

目前，煤礦定制的整機防爆無軌膠輪車有合規(guī)的防爆合格證，但是其防爆改裝的部件與上述內(nèi)容基本相同，并且無軌運輸設備的防爆改裝技術已經(jīng)能有效防范和控制其機械溫度和火花，所以單獨從技術角度，高瓦斯隧道采用非防爆無軌運輸方式施工是可行和可靠的。

2.3 經(jīng)濟因素

雖然有關鐵路隧道各規(guī)范中，均未作出高瓦斯隧道必須用有軌運輸?shù)囊?guī)定，也沒有禁用“無軌運輸”的規(guī)定，但進洞設備必須防爆的要求并沒有任何變化。

對于瓦斯隧道施工來說，無軌運輸若全部配置防爆設備，一次性投入很大。同時，因為同一單位連續(xù)施工多個瓦斯隧道的概率很低，防爆設備可重復利用率較低，耗油高； 另外，由于防爆無軌運輸設備的效率與非防爆設備相比低得多，所以防爆設備基本都是為某個項目量身定制的。防爆設備在項目一次性攤銷，再加上運營和維護費用也比較高，項目成本投入大幅度提高。防爆無軌運輸設備費用及能耗統(tǒng)計見表1。

表1 防爆無軌運輸設備費用及能耗統(tǒng)計

目前隧道的總體造價不高，全部采用防爆設備必然會大幅度提高施工成本，造成施工單位虧損，因此，從經(jīng)濟因素分析更應采用非防爆無軌運輸技術。

3 非防爆無軌運輸技術風險防控管理措施

3.1 隧道瓦斯抽放消突技術

參考《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》、《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》、《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》等技術文件進行抽放方案設計，同時充分考慮隧道施工組織設計及現(xiàn)場實際情況，保證抽放方案的可行性、科學性、經(jīng)濟性。橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，采用了穿層網(wǎng)格預抽煤層瓦斯技術，其原理是利用空氣負壓，通過巷道和鉆孔抽放未受采動影響或未經(jīng)人為松動卸壓的煤層中的瓦斯。隧道穿層預抽煤層瓦斯鉆孔布置示意見圖2。

圖2 隧道穿層預抽煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

通過采用瓦斯抽放消突技術，大幅度降低了煤層中的瓦斯含量和壓力，消除了瓦斯突出的危險。C6煤層瓦斯含量從11.47 m3/t降到5.51 m3/t，C5煤層瓦斯含量從9.87 m3/t降到5.73 m3/t； C3煤層瓦斯含量從13.91 m3/t降到4.44 m3/t，均低于標準要求的8 m3/t的判定值。

3.2 隧道瓦斯涌出量控制技術

3.2.1 煤壁瓦斯涌出量的控制

采取合理的瓦斯抽放措施后，隧道掘進面前方煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力都將相應降低，揭開煤層后，其瓦斯涌出強度也將發(fā)生變化。采用煤壁瓦斯涌出量理論計算模型，對比分析抽放前后的瓦斯涌出強度變化。根據(jù)現(xiàn)場測試及反演計算結果，天坪隧道煤層瓦斯參數(shù)見表2。抽放后瓦斯涌出量變化如圖3所示。

表2 天坪隧道煤層瓦斯參數(shù)

由圖3可知，采取瓦斯抽放措施后，煤層瓦斯強度明顯降低，其初始涌出強度低于未抽放情況下對應數(shù)值的50%。煤壁瓦斯排放過程在理論上是無限的，但實際上經(jīng)歷一定暴露時間后，煤壁瓦斯涌出量下降到可以忽略不計的程度。根據(jù)圖中所示，通風20 min后，煤壁瓦斯涌出強度即可控制在2.0 m3/min以內(nèi)； 通風90 min后，煤壁瓦斯涌出量接近1.0 m3/min。經(jīng)計算，瓦斯體積分數(shù)僅為0.1%。

圖3 抽放瓦斯后瓦斯涌出量變化

初噴混凝土后瓦斯涌出量變化如圖4所示。由圖可知，隧道壁面初噴氣密性混凝土封閉后，煤壁向洞內(nèi)的瓦斯涌出量明顯降低，并可控制在0.4 m3/min以內(nèi)。因此，在開挖爆破并通風一段時間后，對煤壁進行噴漿封閉，可以有效降低煤壁的瓦斯涌出強度，減少瓦斯涌出量。

圖4 初噴混凝土后瓦斯涌出量變化

3.2.2 落煤瓦斯涌出量的控制

天坪隧道瓦斯抽放前后落煤瓦斯涌出量如圖5所示。由圖可知，瓦斯抽放后，落煤瓦斯涌出量明顯降低。由于煤體中大部分游離瓦斯均被抽放排出，所以抽放后，落煤瓦斯涌出量基本上低于未抽放情況的50%。

圖5 天坪隧道瓦斯抽放前后落煤瓦斯涌出量

開挖面積與瓦斯涌出量的關系如圖6所示。由圖可知，隨著開挖面積增加，單位面積瓦斯涌出強度會略有降低，但是單位時間內(nèi)總的瓦斯涌出量呈明顯增大趨勢。可以得出，減小每次開挖的面積對于減小落煤瓦斯涌出量是有顯著效果的。

圖6 開挖面積與瓦斯涌出量的關系

總之，在掌子面爆破排煙后，將暴露的煤巖壁初噴4 cm厚的氣密性混凝土，通過減少開挖進尺來減少煤壁暴露面積，這樣既可穩(wěn)定圍巖和掌子面，又可降低出碴期間瓦斯涌出量，有利于對瓦斯體積分數(shù)的控制。出碴期間作業(yè)面的瓦斯涌出量一般都在0.3 m3/min以下，初期支護完成后，因圍巖噴射氣密性混凝土的厚度達到15 cm以上，瓦斯涌出量更低，經(jīng)計算，通風20 min后現(xiàn)場落煤和煤壁的瓦斯總體積分數(shù)為0.28%，實現(xiàn)了對瓦斯涌出量和體積分數(shù)的有效控制。

3.3 隧道瓦斯自動監(jiān)控及智能化通風技術

正洞C3煤層揭煤時間為2015年4月20日，對此階段揭煤過程中的智能化通風控制系統(tǒng)(布置圖見圖7)進行了測試，對瓦斯自動監(jiān)控數(shù)據(jù)進行了收集，在洞口設置了遠程監(jiān)控平臺(見圖8)。

圖7 天坪隧道正洞揭煤施工節(jié)能控制通風系統(tǒng)布置示意圖

圖8 現(xiàn)場控制平臺

在應用過程中，對揭煤施工循環(huán)工序進行分析。根據(jù)隧道風機智能化控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采集的瓦斯、一氧化碳體積分數(shù)變化繪制成曲線，結果分別如圖9和圖10所示。這個循環(huán)的施工工序是： 23:35放炮—00:25開始出碴—02:15出碴結束、準備立拱—03:25開始立拱—05:45立拱結束、開始噴漿—07:50噴漿結束、準備打鉆、循環(huán)結束。

圖9 瓦斯體積分數(shù)隨時間變化的曲線

圖10 一氧化碳體積分數(shù)隨時間變化的曲線

放炮后掌子面?zhèn)鞲衅鞯囊谎趸俭w積分數(shù)超標，瓦斯在放炮過程中溢出，在炮后30 min內(nèi)將一氧化碳體積分數(shù)降到了規(guī)范允許值以內(nèi)，此階段風量的主要控制因素為一氧化碳和瓦斯。隨著掌子面扒碴，暴露的煤層瓦斯再次溢出，直至出碴階段，瓦斯溢出量一直較大，持續(xù)時間大約50 min，此階段風量的主要控制因素為瓦斯氣體。之后瓦斯體積分數(shù)一直未超過0.3%，實現(xiàn)了對整個作業(yè)循環(huán)瓦斯的全過程監(jiān)控，保證了隧道的安全施工。

3.4 隧道瓦車閉鎖技術

車載瓦車閉鎖系統(tǒng)是實現(xiàn)瓦斯隧道非防爆無軌運輸?shù)年P鍵輔助技術。在隧道施工過程中，將該系統(tǒng)安裝于內(nèi)燃設備上，能實時監(jiān)測其周圍環(huán)境空氣中的瓦斯體積分數(shù)。當環(huán)境瓦斯體積分數(shù)超過報警限值，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警； 如果瓦斯體積分數(shù)繼續(xù)升高，超過斷電上限值后，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出車輛自動斷油斷電控制信號，控制車輛上相關電子系統(tǒng)實現(xiàn)自動斷電熄火功能，并且在聲光報警解除前無法啟動車輛； 當環(huán)境瓦斯體積分數(shù)降低到安全限值以下報警解除后，該內(nèi)燃設備方可再次啟動。

在施工的全過程中，應定期對瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行鑒定和調(diào)校，保證車載瓦車系統(tǒng)的可靠運行。在施工過程中，所有無軌裝運設備(出碴汽車、裝載機、混凝土罐車、農(nóng)用車等)均安裝了瓦車閉鎖系統(tǒng)，并設定了0.25%的警報體積分數(shù)和0.3%的閉鎖體積分數(shù)，其安裝與應用情況見圖11。運輸期間由于瓦斯體積分數(shù)一直處在0.3%以下，未觸發(fā)過瓦斯閉鎖。

(a) (b)

自2014年11月20日起，在140 m煤層瓦斯區(qū)段的施工期間，通過上述技術的綜合應用，并嚴格落實瓦斯突出工區(qū)非防爆無軌運輸?shù)呐涮装踩胧诔霾赀^程中一直采用非防爆無軌運輸設備，從來沒有因為運輸設備非防爆問題發(fā)生過安全事故，安全順利地穿過了有瓦斯突出危險的煤系地層。

4 非防爆無軌運輸技術應用的綜合效益分析

采用非防爆無軌運輸，不用一次性投入重新購置防爆設備的費用，將無軌運輸?shù)某杀敬蟠蠼档停蛊渑c有軌運輸相比，除了具有用人少、專用設備少、機動、高效、高產(chǎn)的優(yōu)勢外，在經(jīng)濟上也具有一定的優(yōu)勢。本文結合天坪隧道，從人工、設備、運輸成本、軌道材料、施工進度5個方面，對2種運輸方式進行經(jīng)濟對比分析，來分析天坪隧道采用無軌運輸?shù)木C合效益。

4.1 人員投入

有軌運輸需配置人員65人，無軌運輸需配置人員48人，與有軌運輸相比少配置17人，按照施組工期計算可節(jié)約人工費用284萬元。2種運輸方式人員配置見表3。

表3 2種運輸方式人員配置

4.2 機械設備投入

4.2.1 有軌運輸投入情況

有軌運輸主要投入設備為電瓶車、礦車、充電機、混凝土運輸車、挖裝機等，根據(jù)實際情況，電瓶車、礦車、混凝土運輸車有部分舊機可以修復使用，挖裝機進行新購。有軌運輸設備購置及前期安裝調(diào)試費用預計需要603萬元，其設備投入情況見表4。

表4 有軌運輸設備投入分析

4.2.2 無軌運輸投入情況

無軌運輸設備挖掘機、裝載機、自卸汽車、混凝土運輸車、混凝土輸送泵、農(nóng)用車都是現(xiàn)成的設備，無需重新購置，沒有新的投入(有軌與無軌均需具有的防爆電器等設施未統(tǒng)計之內(nèi))，但由于現(xiàn)場對上述設備進行了局部防爆改裝，投入了240萬元改裝費用。

4.3 運輸成本投入

有軌運輸月運輸成本為92.4萬元，無軌運輸月運輸成本為57.9萬元，通過比較，不考慮前期設備投入和安裝費用，無軌運輸消耗明顯較低，每月主要設備消耗降低34.5萬元左右，按35個月工期計算，可降低成本1 207萬元。2種運輸方式的月運輸成本分析見表5和表6。

表5 有軌運輸月成本投入分析

表6 無軌運輸月成本投入分析

4.4 軌道材料投入

對于有軌運輸需要投入43 kg/m的鋼軌約32 000 m，鋼枕約20 000根，道岔5副，預計材料投入約1 100萬元； 而無軌運輸不需要這方面的投入，可以節(jié)省約1 100萬元材料費。有軌運輸軌道材料配置見表7。

表7 有軌運輸軌道材料配置

4.5 施工進度對比

4.5.1 有軌運輸施工進度分析

有軌運輸軌道管理和安裝復雜，并且洞內(nèi)多工序作業(yè)時會相互影響，導致運輸效率較低，從而一定程度上影響施工進度。采用有軌運輸正洞每月施工進度為： Ⅴ級圍巖58 m，Ⅳ級圍巖96 m，Ⅲ級圍巖126 m，Ⅱ級圍巖143 m。有軌運輸方式的施工進度分析見表8。

表8 有軌運輸施工進度分析

4.5.2 無軌運輸施工進度分析

無軌運輸采用汽車出碴和進料，相互之間干擾較小，可以不考慮運輸工具之間相互影響。正洞每月施工進度為： Ⅴ級圍巖70 m，Ⅳ級圍巖106 m，Ⅲ級圍巖185 m，Ⅱ級圍巖217 m。無軌運輸方式的施工進度分析見表9。

表9 無軌運輸施工進度分析

對上述2種運輸方式進度指標統(tǒng)計分析的前提施工方法為： 正洞Ⅴ級圍巖采用三臺階七步法施工，每循環(huán)施工2榀拱架，拱架間距0.6 m； Ⅳ級圍巖采用兩臺階法施工； Ⅲ級和Ⅱ級圍巖采用全斷面施工。

無軌運輸與有軌運輸相比，施工進度分別提高： Ⅴ級圍巖20.69%、Ⅳ級圍巖10.42%、Ⅲ級圍巖46.83%、Ⅱ級圍巖51.75%。根據(jù)計算，掘進施工工期可由33.8個月縮短為28.4個月，節(jié)約5.4個月，降低管理費270萬元。

綜上，與有軌運輸相比，無軌運輸可節(jié)約人工費284萬元，設備投入減少363萬元，施工運輸成本降低1 207萬元，軌料投入節(jié)省1 100萬元，管理費降低270萬元，總計可節(jié)約成本3 224萬元，在保證施工安全的前提下也節(jié)省了施工成本。

5 結論與討論

本文依托渝黔鐵路天坪隧道成功應用了非防爆無軌運輸技術，總結分析了影響非防爆無軌運輸技術應用的安全、技術和經(jīng)濟因素，認為在高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)應用非防爆無軌運輸技術是一項系統(tǒng)工程，必須保證從源頭上控制瓦斯的涌出量和瓦斯體積分數(shù)，為實現(xiàn)非防爆無軌運輸技術奠定安全前提。瓦斯的抽放實現(xiàn)了對瓦斯涌出量的有效控制，降低了施工過程中涌入隧道的瓦斯體積分數(shù)，保證了非防爆無軌運輸技術的安全實施； 而配套的通風技術、瓦斯自動監(jiān)控技術實現(xiàn)了對隧道通風量和瓦斯體積分數(shù)的全方位監(jiān)控，保證了隧道無軌運輸?shù)目煽窟\行，同時輔以瓦車閉鎖技術，真正做到了非防爆無軌運輸機械本身瓦斯體積分數(shù)的及時準確監(jiān)測。施工期間的瓦斯體積分數(shù)從未超過0.3%，節(jié)約工期5.4個月，節(jié)省成本3 200萬，最終實現(xiàn)了高瓦斯隧道非防爆無軌運輸?shù)陌踩咝Ы?jīng)濟施工。

但是在應用過程中，也存在以下問題影響了高瓦斯隧道非防爆無軌運輸技術的推廣和應用。

1)高瓦斯隧道完全采用非防爆無軌運輸方式施工必須先滿足相關規(guī)范和標準的要求，其安全性、適用性和可靠性還沒有完全得到證實，還需要在施工過程中進一步推廣和研究。

2)瓦斯工區(qū)不能自始至終按一個瓦斯等級進行管理，不計成本地追求過度安全的行為，應該像瓦斯隧道“就高定級，分區(qū)管理”一樣，實行“就高定級，分段管理，前后兼顧”的原則。

3)高瓦斯隧道實行的防爆改裝無軌運輸技術已經(jīng)取得了一定成功，但是由于防爆改裝只是對無軌設備的局部改裝，核心部件并未更換為防爆設備，且啟動方式和剎車方式也無法改裝，其合規(guī)性無法保證。因此，無軌從原理來說仍是非防爆設備，這直接影響了其在隧道施工領域的推廣應用，建議在高瓦斯和瓦斯突出隧道施工過程中管控措施到位的前提下，積累一定的瓦斯突出隧道施工經(jīng)驗，加快推進非防爆無軌運輸技術的推廣和應用。