鐵路瓦斯隧道安全設(shè)計施工與管理

印有新

摘要：新時期鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展，更多的高速鐵路伸向偏遠(yuǎn)地區(qū)，線路經(jīng)過含煤層地區(qū)，瓦斯隧道的數(shù)量也隨之增加，施工難度方面的問題也會接踵而來。本文就對鐵路瓦斯隧道的通風(fēng)、用電的設(shè)計，以及瓦斯的施工方案與施工管理進行了分析，希望能為同行提供可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鐵路瓦斯隧道 安全設(shè)計 施工方案 施工管理

中圖分類號：U45 文獻標(biāo)識碼：A

按照具體分類，瓦斯隧道可以分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道。在具體的隧道中又可以按區(qū)進行劃分把隧道分為四個區(qū)段：非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)。在實際工作當(dāng)中，對于非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)以及瓦斯突出區(qū)四個不同的區(qū)段有不同的判定標(biāo)準(zhǔn)。以判定標(biāo)準(zhǔn)作為依托，就可以及時地發(fā)現(xiàn)每個區(qū)段是否有異常情況，以便及時排查以消除隱患。目前區(qū)段級別的判定標(biāo)準(zhǔn)：第一，在低瓦斯區(qū)段是以瓦斯涌出量為判定標(biāo)準(zhǔn)的，而具體的瓦斯涌出量0.5 m3/min為界線，如果小于0.5 m3/min則屬于低瓦斯工區(qū)；第二，高瓦斯工區(qū)也是以瓦斯涌出量為判定標(biāo)準(zhǔn)的，如果大于或等于0.5 m3/min則屬于高瓦斯工區(qū)；第三，瓦斯突出工區(qū)判定的標(biāo)準(zhǔn)因素較多，以瓦斯壓力、煤的堅固性系數(shù)、煤的破壞類型以及瓦斯放散初速度作為判定的標(biāo)準(zhǔn)。以下就根據(jù)瓦斯隧道的特點對其安全設(shè)計、施工與管理進行了分析。

1、瓦斯隧道的安全設(shè)計

1.1 通風(fēng)設(shè)計

1.1.1 通風(fēng)方式的選擇

隧道通風(fēng)方式有壓入式、抽出式、混合式、巷道式。各種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點如下所示。

壓入式通風(fēng)：優(yōu)點是有效射程大，沖淡和排除氣體效果強；污風(fēng)不通過風(fēng)機，可以采用柔性風(fēng)筒；污風(fēng)從隧道通過，可以一并帶走其他雜質(zhì)和煙塵，對改善工作面環(huán)境有利。缺點是長距離掘進需要風(fēng)量大；回風(fēng)污染整合巷道。

抽出式通風(fēng)：優(yōu)點是排煙效果好，需風(fēng)量??；回風(fēng)流不污染巷道。缺點是有效吸程短，風(fēng)筒在鉆爆法施工中容易擊壞；污風(fēng)流經(jīng)過風(fēng)機。

混合式通風(fēng)：優(yōu)點是適合大斷面長距離隧道通風(fēng)，有利于降塵；有利于機械化作業(yè)。缺點是管理復(fù)雜。

巷道式通風(fēng)：優(yōu)點是污風(fēng)從另一條隧道流出，安全性好；隧道穿過突出煤層、瓦斯涌出嚴(yán)重的隧道一般采用此法。缺點是需要雙巷條件；需要多作聯(lián)絡(luò)巷。

1.1.2 隧道施工風(fēng)量計算原則

隧道施工中，工作面所需的風(fēng)量與施工方法、施工作業(yè)的機械配條件關(guān)系很大。通風(fēng)量計算的目的是為了正確選擇通風(fēng)設(shè)備和設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)提供依據(jù)。以下以一段隧道施工為例其施工量進行計算。

（1）按洞內(nèi)最小允許風(fēng)速計算：

Q風(fēng)=60×S×V小=60×143.43×0.3m/s=2582m3/min。

式中：

S——隧道最大斷面，㎡；

V小——最小允許風(fēng)速，m/s；

（2）按洞內(nèi)同時時間最多人數(shù)計算：

Q人=4KN=4×1.25×50=250 m3/min。

式中：

K——備用系數(shù)

N——洞內(nèi)同一時間最多人數(shù)。

（3）按瓦斯涌出量計算：

Q瓦=100×qCH4/（Bg-Bg0）=100×10/(0.5-0)=2000 m3/min.

式中：

Q瓦——按瓦斯涌出量計算所需風(fēng)量，m3/min；

qCH4——實際瓦斯涌出量，按實際情況取10 m3/min；

Bg——工作面允許瓦斯?jié)舛龋?.5%；

Bg0——送入風(fēng)中瓦斯?jié)舛?，?；

（4）按稀釋和排炮煙所需風(fēng)量計算：

Q炮=7.8×{A×（S×L）2}1/3/t=7.8×{120×（80×1840）2}1/3/40=2681 m3/min。

式中：

Q炮——按稀釋和排炮煙計算所需風(fēng)量，m3/min；

A——一次爆破所用最大裝藥量，根據(jù)爆破設(shè)計取120kg，瓦斯工區(qū)減少開挖面積考慮半斷面開挖。

S——隧道斷面，最大按143.34㎡，平均按照80（襯砌后凈空約為70）

L——最長通風(fēng)距離，共1840m，

t——放炮后通風(fēng)時間，取40min。

（5）按同時起爆炸藥量計算

Q=5Ab/t=5×120×40/30=800 m3/min

式中：

Q——同時起爆炸藥量計算所需風(fēng)量，m3/min；

b——稀釋每Kg炸藥起爆時產(chǎn)生的CO所需風(fēng)量，m3/min。

根據(jù)以上計算結(jié)果，取允許最小通風(fēng)量為2681 m3/min。

風(fēng)速驗算：

未進行二次襯砌段V=Q風(fēng)/S=2681/143.34=27.5m/min=0.31m/s。

已進行二次襯砌段V=Q風(fēng)/S=2681/70=56.21m/min=0.64m/s。

1.1.3通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)備的選擇

（1）風(fēng)筒直徑的確定

考慮減少通風(fēng)阻力以及風(fēng)筒的內(nèi)壓承受能力，取風(fēng)筒風(fēng)速1600m/min，以下以設(shè)置一套風(fēng)機為例，取風(fēng)筒的直徑為：

D=2{Q風(fēng)/（3.14×V）}1/2=1.46m

式中：

D——設(shè)計風(fēng)筒直徑，m；

Q風(fēng)——設(shè)計通風(fēng)量，2681 m3/min；

V——設(shè)計風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速，m/min。

取風(fēng)筒直徑為1.5m，實際風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速為2518m/min。

（2）通風(fēng)阻力計算

①風(fēng)筒內(nèi)摩擦阻力

h摩=aLUQ2/S2=3379Pa

式中：

a——摩擦阻力系數(shù)，Kg/m3；

L——風(fēng)筒長度，m；

U——風(fēng)筒周長，m；

Q——設(shè)計風(fēng)量，m3/s；

S——風(fēng)筒截面積，㎡。

②隧道通風(fēng)阻力

h摩=aLUQ2/S2=3.91Pa

③局部阻力

考慮風(fēng)筒穿過二次襯砌臺車、運渣車輛等因素，局部阻力按總摩擦阻力的5%計算。

④通風(fēng)最困難時通風(fēng)總阻力為：

h總=1.05 h摩=3552Pa

通過上述計算，可根據(jù)計算結(jié)果選取合適的風(fēng)機與風(fēng)筒。

1.2 施工用電安全設(shè)計

1.2.1 電纜線路安全規(guī)定

（1） 瓦斯工區(qū)內(nèi)高壓電纜的選用應(yīng)符合下列規(guī)定：

①固定敷設(shè)的電纜根據(jù)作業(yè)環(huán)境條件選用；

②移動變電站采用監(jiān)視型屏蔽橡套電纜；

③電纜采用銅芯。

（2）瓦斯工區(qū)內(nèi)低壓動力電纜的選用應(yīng)符合下列規(guī)定：

①固定敷設(shè)的電纜采用鎧裝鉛包裝紙絕緣電纜、鎧裝聚氯乙烯電纜或不延燃橡套電纜；

②移動式或手持式電氣設(shè)備的電纜，采用專用的不延燃橡套電纜；

③開挖面的電纜必須采用銅芯。

（3）電纜的敷設(shè)應(yīng)符合下列規(guī)定：

①電纜懸掛。懸掛點間的距離不大于3m。

②電纜不能與風(fēng)、水管敷設(shè)在同一側(cè)，當(dāng)受條件限制需敷設(shè)在同一側(cè)時，必須敷設(shè)在管子的上方，其間距大于0.3m。

③高、低壓電力電纜敷設(shè)在同一側(cè)時，其間距大于0.1m。高壓與高壓、低壓與低壓電纜間的距離不小于0.05m。

（4）電纜連接應(yīng)符合下列要求：

①電纜與電氣設(shè)備連接，必須使用與電氣設(shè)備的防爆性能相符合的接線盒。電纜芯線必須使用齒形壓線板或線鼻子與電氣設(shè)備連接。

②在高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)，電纜之間若采用接線盒連接時，其接線盒必須是防爆型的。高壓紙絕緣電纜接線盒內(nèi)必須灌注絕緣充填物。

1.2.2 配電條的安全設(shè)計

（1）總配電屏設(shè)在配電房內(nèi)，分配電箱安裝在用電設(shè)備或負(fù)荷相對集中的地方。分配電箱與開關(guān)箱的距離不得超過30米，開關(guān)箱與其控制的固定用電設(shè)備的水平距離不宜超過3米。

（2）配電箱、開關(guān)箱周圍應(yīng)有足夠二人同時工作的空間和通道，不得堆放任何妨礙操作、維修的物品。

（3）配電箱、開關(guān)箱應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)絕緣材料制作，安裝應(yīng)端正牢固，箱底面與地面的距離在1.2～1.5米之間。

（4）箱內(nèi)工作零線應(yīng)通過接線端子板連接，并應(yīng)與保護零線接線端子分設(shè)，箱體的金屬外殼應(yīng)做保護接零，保護零線必須通過接線端子連接。

（5）配電箱、開關(guān)箱必須防雨、防塵。導(dǎo)線的進線口和出線口應(yīng)設(shè)在箱體的下底面，并要求上部為電源端，嚴(yán)禁設(shè)在箱體的上頂面、側(cè)面、后面或箱門處。進出線就回護套分路成束并做防水彎，導(dǎo)線束不得與箱體進出口直接接觸。

1.2.3 接地了防雷設(shè)計

（1）在施工現(xiàn)場專用的中性點直接接地的電力線路中，必須采用接零保護，電氣設(shè)備的金屬外殼必須與專用保護零線連接。

（2）保護接零不得裝設(shè)開關(guān)或熔斷器，保護零線應(yīng)單獨設(shè)置，不作他用。

（3）保護零線統(tǒng)一標(biāo)志為綠/黃雙色，在任何情況下不得使用綠/黃雙色作為負(fù)荷線。

（4）施工現(xiàn)場的用電設(shè)備，處于經(jīng)過現(xiàn)場上空高壓架空電力線的屏蔽范圍內(nèi)，不單獨設(shè)避雷裝置。若出現(xiàn)用電設(shè)備在該屏蔽范圍之外，應(yīng)安裝避雷設(shè)施。避雷針長度為1～2米，可用φ16圓鋼端部磨尖。

2 瓦斯隧道施工方案

2.1 隧道穿越含煤層層位探測

煤層層位探測方法可與超前探測結(jié)合。如果隧道所處區(qū)域含煤性較差，基本不含真厚度0.5m以上的可采煤層。當(dāng)隧道超前預(yù)探到煤層且煤層厚度（含局部）大于等于0.3m時，則該煤層視為具有煤與瓦斯突出危險，揭開煤層按照揭穿突出煤層施工要求。如果煤層厚度小于0.3m，則保直接采取振動爆破揭開煤層。

打鉆過程中出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、卡鉆、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象，或煤層賦存條件急劇變化、構(gòu)造破壞帶，或有明顯突出危險預(yù)兆，視為揭穿突出煤層。

2.2 隧道開挖及初支施工方案

隧道通過煤層瓦斯的原則：短進尺，弱爆破，強支護，勤監(jiān)測，加強通風(fēng)，快噴錨。

2.2.1 短進尺

隧道通過煤層地區(qū)，因煤層有瓦斯溢出，圍巖軟弱，應(yīng)力較大。每次開挖進尺控制在2m以內(nèi)，采用上、下微臺階開挖，臺階長度控制在5m內(nèi)。保證每次開挖面積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護。

2.2.2 強支護

在可能的情況下，盡量將支護加強。或者加強初期支護，或者加強二次襯砌，形成“加固圍巖，改善變形，先柔后剛，先放后抗，變形留夠，底部加強”的支護原則。

2.2.3 勤檢測

采用“雙保險”監(jiān)測措施。即建立遙控自動化監(jiān)測系統(tǒng)與人工現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合。

2.2.4 弱爆破

采用低爆力部分露煤震動放炮方案。施工期間，保證連續(xù)通風(fēng)，在特殊情況下停風(fēng)時，同時停止工作，撤出人員，切斷一切電源，恢復(fù)通風(fēng)前首先檢查瓦斯深度。

2.2.5 快噴錨

由于煤層軟弱松散，爆破后往往產(chǎn)生坍塌冒頂，因此必須設(shè)置超前支護。超前支護采用φ42注漿小導(dǎo)管，爆破過后，待允許進洞時，立即站在碴堆上施工初噴混凝土，系統(tǒng)錨桿采用藥卷錨桿。

過煤段的支護施工程序：導(dǎo)管超前→預(yù)注漿→開挖（揭煤）→初噴混凝土→掛網(wǎng)→設(shè)鋼架→系統(tǒng)錨桿→復(fù)噴混凝土到設(shè)計厚度→圍巖監(jiān)控量測→二次襯砌→封閉瓦斯。在軟弱破碎巖層或煤層中掘進，采用超前支護及預(yù)注漿，防止崩塌引起突出。爆破后及時噴錨支護，及時封閉瓦斯。

2.3 初期支護及二次襯砌防瓦斯措施

（1）過煤段的支護施工程序：導(dǎo)管超前→預(yù)注漿→開挖（揭煤→）初噴混凝土→掛網(wǎng)→設(shè)格柵鋼架→系統(tǒng)錨桿→復(fù)噴混凝土到設(shè)計厚→度圍巖監(jiān)控量測→二次襯砌→封閉瓦斯。在軟弱破碎層或煤層中掘進，采用超前支護或預(yù)注漿，防止崩塌引起突出。爆破后及時噴錨支護，及時封閉瓦斯。

（2）對開挖的隧道分段及時進行二次襯砌，混凝土采用氣密性混凝土，達到防止泄漏的目的。瓦斯隧道的襯砌結(jié)構(gòu)有防瓦斯措施，其措施嚴(yán)格按照設(shè)計及規(guī)范要求執(zhí)行。確定防瓦斯處理范圍時，瓦斯較重、等級較高地段向瓦斯較輕、等級較低地段適當(dāng)延長。仰拱與隧道邊墻同步施工，保證拱、墻、仰拱初期支護和二次襯砌形成閉合整體。

（3）含瓦斯地段的噴射混凝土厚度不小于15cm，砌筑混凝土襯砌厚度不小于40cm。

（4）外掛封閉防瓦斯地段有地下水時，采取在左右邊墻下部外側(cè)鋪設(shè)縱向透水管，將地下水引離含瓦斯地段的排水措施。透水管終點設(shè)置氣水分離裝置，分離出的瓦斯氣體可用管道引出洞外在高處放散。

（5）從隧道內(nèi)引出瓦斯的金屬管，其上端管口距地面不小于10m，并妥善接地，防止雷擊。瓦斯放空管的接地電阻不得大于5Ω，其周圍20m內(nèi)禁止有明火火源及易燃易爆物品。

（6）當(dāng)隧道內(nèi)含瓦斯地段較長且初始瓦斯壓力大于0.74MPa時，在襯砌背后預(yù)埋通向大氣的降壓管；煤系地層設(shè)防段的二次模注襯砌措施預(yù)留注漿孔，襯砌完成后及時注漿，充填空隙以封閉瓦斯。

3 瓦斯隧道的施工管理

3.1 健全管理制度

隧道瓦斯管理制度的主要內(nèi)容包括：健全專業(yè)機構(gòu)，配中檢查人員，定期培訓(xùn)和不斷提高專業(yè)人員技術(shù)素質(zhì)的規(guī)定，各級領(lǐng)導(dǎo)和檢查人員（包括瓦斯檢查員）區(qū)域分工巡回檢查匯報制度、交接班制度，項目經(jīng)理、總工程師抽檢瓦斯日報的規(guī)定，塌方區(qū)有關(guān)瓦斯管理的規(guī)定，爆破與隧道貫通時的瓦斯管理規(guī)定，隧道瓦斯排放的有關(guān)規(guī)定有瓦斯監(jiān)控裝備的使用、管理的有關(guān)規(guī)定；隧道瓦斯抽放、防止煤與瓦斯突出的規(guī)定、進洞管理制度（進洞等級及掛牌、翻牌制度）。

3.2 塌方區(qū)的瓦斯管理

塌方區(qū)是保存大量高濃度瓦斯的主要場所，將作為隧道瓦斯管理工作的重點工作嚴(yán)格管理。

（1）在隧道施工中盡量避免出現(xiàn)任何形式的塌方。如發(fā)生塌方，及時進行充填。施工時進行瓦斯檢測，如果瓦斯超限，需制定專項措施進行瓦斯排放，將瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定值以下后才能進行坍腔處治。

（2）隧道保持24小時連續(xù)通風(fēng)，如因臨時停電或其他原因，局部通風(fēng)停止運轉(zhuǎn)，要立即切斷隧道內(nèi)一切電氣設(shè)備的電源（安設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置可自動斷電）和撤出所有人員，要在隧道口設(shè)置柵欄，并掛有明顯警標(biāo)，嚴(yán)禁人員入內(nèi)。

結(jié)束語：綜上所述，在進行鐵路瓦斯隧道施工前，一定要根據(jù)其特點進行科學(xué)合理的安全設(shè)計，并做好施工方案與施工管理，通過這種方式來確保施工工程的安全性和可靠性。

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