高速公路瓦斯隧道的施工安全控制

曹 優(yōu) 蘭

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

渝廣高速華鎣山隧道屬特長隧道，設(shè)計(jì)為雙洞六車道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長 5 018 m，右 線 (K23+467～K28+467) 全 長5 000 m，總體走向約298°，為雙向隧道，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8 m，寬度達(dá)12.5 m。隧道縱坡設(shè)計(jì)為“人”字坡，進(jìn)口端為0.507%的上坡，出口端為1.993%的上坡。

隧道洞身圍巖為Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ類圍巖，其中IV、V類圍巖占隧道總長的75%，隧道穿越斷裂構(gòu)造、巖溶、巖溶水、煤層等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)地層，隧道中部為煤與瓦斯突出洞段，巖溶及巖溶水發(fā)育，隧道施工存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道施工通過高瓦斯工區(qū)時(shí)，易造成瓦斯局部富集，施工中可能發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸事故；在其通過煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)工區(qū)時(shí)，可能發(fā)生煤與瓦斯突出的事故；隧道通過自然煤層工區(qū)時(shí)，施工中易發(fā)生煤層自然、煤塵爆炸事故；同時(shí)，隧道通過溶隙和溶洞工區(qū)時(shí)，因溶隙和溶洞內(nèi)有天然氣積聚，施工中易造成瓦斯爆炸及H2S中毒等安全事故。

隧道施工通過高壓富水?dāng)鄬訋?、可溶巖與非可溶巖接觸帶、高壓富水充填性溶腔溶洞、煤礦采空區(qū)時(shí)可能會(huì)發(fā)生涌突水、突泥災(zāi)害事故。隧道施工通過軟巖、斷層破碎帶及其影響帶、采空區(qū)段時(shí)易發(fā)生變形塌方。

經(jīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，華鎣山隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)為Ⅳ級(jí)(極高風(fēng)險(xiǎn))，因此，瓦斯安全控制對(duì)該隧道施工尤為關(guān)鍵。根據(jù)該工程的實(shí)際情況，從檢測(cè)預(yù)報(bào)、通風(fēng)供電、設(shè)備配置、施工方案等多方面采取了諸多安全控制措施，預(yù)防了安全事故的發(fā)生，為隧道順利施工提供了保障。

3 所采用的安全控制措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本隧道施工設(shè)置了專業(yè)地質(zhì)預(yù)報(bào)組，以地質(zhì)素描法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)水平鉆探相結(jié)合的綜合手段對(duì)前方圍巖情況進(jìn)行探測(cè)，對(duì)掌子面前方的隧道圍巖進(jìn)行長期、中期及短期預(yù)報(bào)。通過長、中、短期預(yù)報(bào)提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，對(duì)異常地質(zhì)情況及時(shí)采取了相應(yīng)的防治手段。

對(duì)于本隧道地質(zhì)情況較差段的每個(gè)開挖循環(huán)均進(jìn)行了地質(zhì)素描，根據(jù)地質(zhì)素描對(duì)前方圍巖進(jìn)行判斷。同時(shí)，采用TSP 超前預(yù)報(bào)，每次預(yù)測(cè)距離為100 m。根據(jù)預(yù)測(cè)的圍巖地質(zhì)情況，對(duì)TSP探測(cè)斷層、裂隙發(fā)育的洞段采用超前鉆孔進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)。

采用超前鉆孔驗(yàn)證物探探測(cè)的異常洞段。長距離鉆孔超前探測(cè)50 m，每30 m一循環(huán)，每孔長50 m；短距離鉆孔超前探測(cè)20～30 m，每25 m一循環(huán)，每孔長30 m。

為提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，除采用上述方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)外，同時(shí)利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)范圍在40 m以內(nèi)，是一種非破壞型的探測(cè)技術(shù)，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，分辨率高，可現(xiàn)場(chǎng)直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰、直觀的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 隧道施工采用的通風(fēng)與供電

本隧道局部富集高瓦斯。施工階段在第一條車行橫通道貫通前，采用壓入式通風(fēng)；此后采用巷道式通風(fēng)。為防止局部瓦斯的聚集，各階段通風(fēng)均配置了防爆風(fēng)扇，以防止瓦斯的聚集。隧道內(nèi)的局扇采用設(shè)有低、中、高速度的防爆型風(fēng)機(jī)。施工通風(fēng)均采用不間斷連續(xù)通風(fēng)，通風(fēng)管采用抗靜電、阻燃軟風(fēng)管。掌子面至二襯臺(tái)車洞段采用移動(dòng)式局扇配合軟風(fēng)管供風(fēng)，以增加瓦斯易聚集地段的風(fēng)速，防止瓦斯聚集。在施工過程中，及時(shí)接長風(fēng)管，風(fēng)管末端距工作面距離不應(yīng)超過15 m。

“我是一個(gè)技術(shù)工人，應(yīng)該在相應(yīng)的崗位上發(fā)揮所長?，F(xiàn)在讓我到保潔崗位當(dāng)個(gè)清潔工，工資還降低一半，我不能接受這樣的安排?！背射J問：“這次談話是通知，還是協(xié)商？如果是通知，我不接受公司的安排。如果是協(xié)商，我不同意公司的建議?！背射J認(rèn)為，雙方這次協(xié)商未就崗位調(diào)整達(dá)成一致，所以，他就繼續(xù)在原崗位上班。

通風(fēng)量計(jì)算必須綜合考慮以下3方面因素并取最大值：洞內(nèi)同一時(shí)間最多人數(shù)、稀釋和排除炮煙所需風(fēng)量、消除頂層瓦斯積聚所需風(fēng)量。

瓦斯隧道的主供電配置了兩套電源，隧道內(nèi)采用雙電源線路。電纜采用礦用橡套阻燃防爆電纜并在電路中安裝了漏電保護(hù)裝置和防爆自動(dòng)饋電開關(guān)。為保證隧道通風(fēng)、照明及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等一級(jí)負(fù)荷供電，當(dāng)一路電源停止供電時(shí)，另一路電源應(yīng)在10 min內(nèi)接通。當(dāng)設(shè)兩套電源有困難時(shí)，必須配置備用發(fā)電機(jī)，并安設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，瓦斯隧道施工洞內(nèi)的供電必須做到“三?！?、“兩閉鎖”，即：專用變壓器、專用開關(guān)、專用供電線路以及瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)與供電的閉鎖及壓入式通風(fēng)的風(fēng)機(jī)與洞內(nèi)供電的閉鎖。因此，高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)洞內(nèi)的局部通風(fēng)機(jī)和電氣設(shè)備必須與瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電、瓦電閉鎖，當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)能立即自動(dòng)切斷局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)區(qū)段的一切電源。

為節(jié)約通風(fēng)供電成本，可由專業(yè)技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)效果和瓦斯涌出狀況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行階段性調(diào)整，但必須保證洞內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀蕖?/p>

3.3 對(duì)暨有設(shè)備防爆性能的改裝

對(duì)于隧道高瓦斯和瓦斯突出工區(qū)的電氣設(shè)備和作業(yè)機(jī)械應(yīng)使用防爆型。而防爆型機(jī)械設(shè)備多用于煤礦工程。對(duì)于高速公路工程，配置煤礦專用機(jī)械設(shè)備使用率偏低，不夠經(jīng)濟(jì)。因此，本工程針對(duì)瓦斯隧洞施工的特殊要求，對(duì)常規(guī)非防爆型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了防爆改裝，對(duì)內(nèi)燃施工機(jī)械設(shè)備加配了車載式甲烷斷電(熄火)控制裝置。使用該裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其周圍環(huán)境空氣中的瓦斯?jié)舛龋?dāng)環(huán)境瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警限值(0.3%CH4)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警；濃度超過斷電上限(0.5%CH4)后，控制裝置自動(dòng)斷電熄火；只有當(dāng)環(huán)境瓦斯?jié)舛冉档桨踩拗?0.3%CH4)以下時(shí)，內(nèi)燃施工機(jī)械設(shè)備方可再次啟動(dòng)。

為節(jié)省施工成本，在保證正常通風(fēng)的條件下，若洞內(nèi)瓦斯?jié)舛壤^續(xù)下降或保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，非防爆的移動(dòng)式機(jī)械設(shè)備也可進(jìn)洞作業(yè)。

3.4 隧道爆破作業(yè)

隧道通過瓦斯段的開挖原則為：短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，勤監(jiān)測(cè)，強(qiáng)通風(fēng)，快噴錨。本工程施工時(shí)將每次開挖的進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)，采用上、下微臺(tái)階開挖，臺(tái)階長度控制在5 m以內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)要求，瓦斯隧道的爆破作業(yè)應(yīng)采用煤礦許用炸藥和毫秒電雷管。煤礦許用炸藥加入了食鹽作消焰劑，能吸收熱量，降低爆炸氣體的溫度，進(jìn)而削弱瓦斯與氧的連續(xù)反應(yīng)，安全性高。該雷管總延時(shí)時(shí)間不超過130 ms，從而使雷管延期小于瓦斯爆炸所需的感應(yīng)期，以保證其不會(huì)引燃、引爆瓦斯。

開挖中出現(xiàn)的情況表明：煤礦許用炸藥爆力和猛度只相當(dāng)于一般巖石銨銻炸藥的80%，毫秒電雷管只能選用到5段，從而制約了公路隧道大斷面的施工進(jìn)度。鑒于上述原因，在隧道開挖進(jìn)尺過程中，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?.3%時(shí)可不使用煤礦許用炸藥和毫秒電雷管。

3.5 揭煤防突及瓦斯排放

根據(jù)相關(guān)規(guī)定和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，揭煤施工前應(yīng)打超前鉆孔和預(yù)測(cè)孔以探明煤層位置和瓦斯情況，進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)。超前探孔可兼做炮眼，從而能節(jié)約成本，提高功效。

隧道開挖揭煤時(shí)宜采用臺(tái)階開挖。上導(dǎo)坑開挖時(shí)，掘進(jìn)工作面至煤層約20 m遠(yuǎn)，按規(guī)定應(yīng)打至少3個(gè)穿透煤層全厚的超前鉆孔，以推測(cè)煤層是否有畸變。若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎，則在隧道開挖輪廓線外5 m范圍內(nèi)布置一定數(shù)量的超前鉆孔，以確保能準(zhǔn)確掌握煤層厚度、角度變化及瓦斯情況等。突出預(yù)測(cè)以鉆屑指標(biāo)法為主，鉆孔瓦斯涌出初速度法為輔。隧道采用上、下導(dǎo)坑法開挖，突出預(yù)測(cè)孔主要控制上、下導(dǎo)坑斷面(預(yù)測(cè)孔直徑為50mm)。

當(dāng)預(yù)測(cè)有突出危險(xiǎn)時(shí)，必須采取具有針對(duì)性、便于實(shí)施的防突措施。防突采用多排鉆孔排放或抽放。鉆孔控制范圍為：隧道輪廓外上方7 m，左右兩側(cè)6 m，底部3 m。排放瓦斯順序?yàn)椋荷蠈?dǎo)坑打排放鉆孔(坑底距煤層不小于5 m)→排放瓦斯15 d→揭煤穿過煤層→下導(dǎo)坑打超前鉆孔及預(yù)測(cè)孔。當(dāng)判定有突出性危險(xiǎn)時(shí)→由下導(dǎo)坑底順煤層打扇形排放鉆孔→排放瓦斯15 d→下導(dǎo)坑揭煤穿過煤層。瓦斯排放時(shí)，所有洞內(nèi)掘進(jìn)施工應(yīng)停止。

3.6 突泥、涌水及塌方的預(yù)防

隧道在通過巖溶水、地下水發(fā)育的軟弱破碎圍巖及斷層地段工區(qū)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)超前水文、地質(zhì)探測(cè)預(yù)報(bào)，提前預(yù)知前方圍巖的地質(zhì)情況，預(yù)測(cè)并判斷其是否具有突泥、涌水的可能，防止災(zāi)害事故的發(fā)生。對(duì)于設(shè)計(jì)有超前地質(zhì)鉆探預(yù)報(bào)方案時(shí)，按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工；設(shè)計(jì)無超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，可采取超長鉆孔(鉆孔長度為5 m以上)，以探知前方圍巖地質(zhì)情況。

超前探測(cè)有突泥、涌水可能時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)果斷采取處理措施。施工中常采取“以引排為主，堵水為輔”的排水方案。對(duì)于可能有突泥、涌水的洞段，可采用鉆孔、小導(dǎo)坑方式進(jìn)行應(yīng)力釋放；對(duì)危險(xiǎn)程度較高的地段，可采用設(shè)止?jié){墻封堵、迂回導(dǎo)坑通過等技術(shù)方案。

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有突泥、涌水或塌方先兆且極其危險(xiǎn)時(shí)，必須立即停止施工，組織人員、機(jī)械迅速撤離危險(xiǎn)區(qū)域。緊急情況下，必須優(yōu)先組織人員撤離。

4 結(jié) 語

瓦斯隧道防爆、防突、防塌為安全施工的核心問題。為防止災(zāi)害事故發(fā)生，必須認(rèn)真做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工通風(fēng)及相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案，確保安全方面的資源投入不打折扣。因瓦斯隧道施工的安全問題也是世界級(jí)難題，需要更多的工程人士和學(xué)者致力于施工安全控制研究，早日研討出行之有效的方法，既可保障安全施工，又能節(jié)約施工成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范，TB10120-2002[S].

作者簡介:

曹優(yōu)蘭(1980-)，女，四川廣安人，工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作.