高瓦斯隧道施工中設(shè)備防爆改裝方案探討

陰宏武

（中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

1 概述

在進(jìn)行公路、鐵路的隧道施工中，經(jīng)常會遇到含有瓦斯的地層，瓦斯對隧道施工的危害無需贅述，嚴(yán)重時往往會發(fā)生劇烈的瓦斯爆炸，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374-2020）規(guī)定，瓦斯隧道工區(qū)分為非瓦斯工區(qū)、微瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)、煤與瓦斯突出工區(qū)五類。當(dāng)工區(qū)范圍內(nèi)絕對瓦斯涌出量小于1.0m3/min時屬于微瓦斯工區(qū)，當(dāng)絕對瓦斯涌出量小于3.0m3/min時屬于低瓦斯工區(qū)，當(dāng)絕對瓦斯涌出量大于等于3.0m3/min時屬于高瓦斯工區(qū)?！惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120-2019）與公路規(guī)范的判定標(biāo)準(zhǔn)略有出入，其判定指標(biāo)比公路規(guī)范更加嚴(yán)苛。公路規(guī)范和鐵路規(guī)范都明確規(guī)定：微瓦斯和低瓦斯工區(qū)的作業(yè)機(jī)械可以使用非防爆型，高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的作業(yè)機(jī)械必須使用防爆型。

2 防爆型作業(yè)機(jī)械的應(yīng)用現(xiàn)狀

按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，防爆型機(jī)械應(yīng)符合《爆炸性環(huán)境》（GB 3836.1~4-2010)、《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》（GB/T 19854-2018)、《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》（MT990-2006）、《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》（MT/T989-2006）等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，經(jīng)過國家指定的檢驗單位檢驗合格，取得防爆合格證后才能投入使用。

目前國內(nèi)生產(chǎn)防爆型機(jī)械的企業(yè)數(shù)量不在少數(shù)，已經(jīng)取得防爆合格證的作業(yè)機(jī)械，類型和規(guī)格型號也為數(shù)眾多，如裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸汽車、混凝土攪拌運輸車等。但是現(xiàn)有的這些防爆型設(shè)備都明顯存在著功率偏小、施工能力有限等不足之處，比如配置內(nèi)燃柴油機(jī)的裝載機(jī)，現(xiàn)有防爆機(jī)型的最大功率都在60kw以下，額定載重量不大于2t（約1.0m3）；挖掘機(jī)斗容量不大于0.5m3，自卸汽車最大載重量為8-10t，混凝土攪拌運輸車最大容量不大于2m3。這樣的施工能力，與國內(nèi)公路、鐵路隧道施工常規(guī)配置的2.3m3以上的裝載機(jī)，1.0m3以上的挖掘機(jī)，20t以上的自卸汽車，8m3以上的混凝土攪拌運輸車等設(shè)備相比較，其施工能力基本屬于微不足道了，根本滿足不了現(xiàn)場的施工要求和工期需要。而對于電動施工設(shè)備，因為目前蓄電池技術(shù)還處于起步階段，普遍存在著持續(xù)時間差強(qiáng)人意，所以生產(chǎn)電動施工機(jī)械的廠商少之又少，僅個別國際領(lǐng)先企業(yè)如卡特彼勒、沃爾沃、比亞迪等公司正在研發(fā)和試制大型電動施工設(shè)備。

3 施工單位目前的應(yīng)對措施

對于高瓦斯隧道的施工，施工單位目前普遍采用的應(yīng)對方式是對作業(yè)機(jī)械進(jìn)行防爆改裝，使作業(yè)機(jī)械具備防爆能力。改裝的方式主要有三種類型：一是為作業(yè)機(jī)械加裝檢測和控制系統(tǒng)，使作業(yè)機(jī)械在被檢測到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)后強(qiáng)制熄火而停止作業(yè)，我們可以稱之為瓦斯閉鎖模式；二是對作業(yè)機(jī)械的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等主要部件進(jìn)行局部或全面的防爆改裝，使機(jī)械具備一定的防爆能力，我們稱之為設(shè)備防爆改裝模式；三是融合以上兩種方式，既對作業(yè)機(jī)械進(jìn)行防爆改裝，又加裝檢測和控制系統(tǒng)，全面提升機(jī)械的防爆性能，我們稱之為全面防護(hù)模式。

3.1 瓦斯閉鎖模式

瓦斯閉鎖模式，主要是在施工的機(jī)械設(shè)備上安裝瓦斯檢測儀器，實時監(jiān)測施工機(jī)械工作區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛却笥陬A(yù)先設(shè)定的警戒線時（一般為0.5%），報警器發(fā)出聲光報警，提示機(jī)械操作人員立即熄火停機(jī)，撤離危險區(qū)域。如果操作人員未執(zhí)行停機(jī)或出現(xiàn)誤操作，控制系統(tǒng)會在發(fā)出報警信號后預(yù)設(shè)時間內(nèi)（一般為60秒）通過自動裝置強(qiáng)制斷電斷油，迫使作業(yè)機(jī)械停機(jī)。當(dāng)工作區(qū)域瓦斯?jié)舛冉档椭涟踩秶鷥?nèi)后，機(jī)械不會自動重啟，必須經(jīng)過手動恢復(fù)才能重新啟動；在工作區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛冗€沒有降到安全范圍內(nèi)時，控制系統(tǒng)會自動鎖死，即使手動復(fù)位也無法啟動。

瓦斯閉鎖模式的優(yōu)點是：

（1）改裝簡單快捷，維護(hù)方便、難度小，成本低廉系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，故障率低。改裝范圍小，對機(jī)械的原有系統(tǒng)性能基本沒有影響。實現(xiàn)自動控制，防止人為因素和誤操作。（2）適用范圍廣，可以通過簡單地?fù)Q用不同的監(jiān)測儀器來實現(xiàn)對硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等多種有害氣體，或爆炸性粉塵等進(jìn)行安全防護(hù)。

瓦斯閉鎖模式的缺點是：

（1）作業(yè)機(jī)械本身不具備防爆性能。（2）不能滿足瓦斯突出工區(qū)的使用要求。

瓦斯閉鎖模式優(yōu)點突出，效果明顯，得到了大多數(shù)單位的青睞和認(rèn)可，被各施工單位廣泛采用，如渝廣高速華瑩山隧道、成都軌道交通18號線龍泉山隧道、西成客專黃家梁隧道等。部分單位在使用過程中，又增加了動力機(jī)機(jī)體溫度監(jiān)測、排氣檢測、機(jī)械故障閉鎖等附加防護(hù)功能，進(jìn)一步提升了瓦斯閉鎖模式的可靠性。

3.2 防爆改裝模式

防爆改裝模式是指對作業(yè)機(jī)械的各個主要組成系統(tǒng)進(jìn)行防爆改造，使其本身具有一定程度的防爆性能。目前主要是對機(jī)械的動力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行改裝，包括改裝進(jìn)氣系統(tǒng)，防止發(fā)動機(jī)回火；改裝排氣系統(tǒng)，降低機(jī)體表面溫度，消除排氣火焰和火花；改裝電氣系統(tǒng)，采用防爆發(fā)電機(jī)、防爆啟動馬達(dá)、防爆燈具和開關(guān)等；改裝控制系統(tǒng)，隨時監(jiān)測防爆功能是否正常運行等。

防爆改裝模式的優(yōu)點是：（1）作業(yè)機(jī)械具備了局部防爆性能，提高了機(jī)械的安全性。（2）有效擴(kuò)大了作業(yè)機(jī)械的使用范圍，比如在瓦斯突出工區(qū)。

防爆改裝模式的缺點是：（1）機(jī)械只有局部防爆性能，依然達(dá)不到防爆設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。（2）改裝成本高。（3）改裝技術(shù)難度大。（4）對機(jī)械原有性能影響大，機(jī)械效率下降明顯。（5）維護(hù)難度大，成本高，系統(tǒng)可靠性差。

防爆改裝模式是施工單位在高瓦斯隧道施工方法探索的過程中，早期的一種應(yīng)對措施，比如南大梁高速公路華瑩山隧道，都汶公路紫坪鋪隧道都采用了這種改裝方式。但這種改裝方式存在明顯的不足，包括改裝技術(shù)難度大，成本高，對機(jī)械原有性能影響大，系統(tǒng)可靠性差等等；且這種改裝方式只是對作業(yè)機(jī)械的原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部的改裝改造，并不符合國家關(guān)于防爆設(shè)備的規(guī)范要求，所以也就無法滿足在高瓦斯環(huán)境中的使用要求。近年來有施工單位逐漸嘗試在這種改裝模式的基礎(chǔ)上，再增加瓦斯閉鎖功能，以期實現(xiàn)更高的安全可靠性。

3.3 全面防護(hù)模式

全面防護(hù)模式就是同時采用瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式，全面提升作業(yè)機(jī)械的防爆性能。全面防護(hù)模式兼具了瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式的優(yōu)點，同時也延襲了兩種模式的缺點和不足，特別是系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本高、對機(jī)械原有性能影響大、系統(tǒng)可靠性差等方面。

全面防護(hù)模式是目前國內(nèi)高瓦斯隧道施工過程中，作業(yè)機(jī)械可以采用的最全面的防護(hù)措施，蒙華鐵路集義隧道、成貴鐵路文革隧道、天府機(jī)場高速公路龍泉山1號隧道等都采用了這種改裝模式。

4 各種改裝模式的分析

瓦斯閉鎖模式的核心就是瓦斯?jié)舛瘸^警戒范圍時，作業(yè)機(jī)械停止工作，機(jī)械本身不具備任何防爆性能。防爆改裝模式雖然對作業(yè)機(jī)械進(jìn)行了改裝改造，使機(jī)械具備了局部的防爆能力，但是機(jī)械本身不是按防爆設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、制造的，除改裝部分外的其他結(jié)構(gòu)和部件不具有防爆性，所以也不符合國家對防爆設(shè)備的檢驗、驗收規(guī)范；因此在實際使用過程中，防爆改裝模式也只能在瓦斯?jié)舛忍幱诰浞秶鷥?nèi)時使用。全面防護(hù)模式根據(jù)其工作原理可知也不能在高瓦斯環(huán)境中使用。

根據(jù)以上分析可知，目前無論是采用哪種改裝方式，作業(yè)機(jī)械都是在瓦斯?jié)舛炔怀^警戒范圍時使用，當(dāng)超過警戒范圍時停機(jī)。而且，即使是采用完全符合防爆標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)機(jī)械，其在施工過程中也會不可避免地產(chǎn)生摩擦高溫或碰撞火花，也同樣具有引發(fā)瓦斯爆炸的危險性。由此可知，如何判定作業(yè)工區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛仁欠癯^警戒范圍，以及如何采取應(yīng)對措施以保證瓦斯?jié)舛炔怀^警戒范圍，才是高瓦斯隧道安全施工的關(guān)鍵所在。

5 結(jié)語

按照目前執(zhí)行的公路規(guī)范和鐵路規(guī)要求，高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的作業(yè)機(jī)械必須使用防爆型。即將開始于2020年5月1日起執(zhí)行的《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374—2020）中，對設(shè)備的防爆措施及防爆能力提出了新的解釋。

規(guī)范第9.3.3條規(guī)定：高瓦斯工區(qū)和煤與瓦斯突出工區(qū)的挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運輸車、混凝土罐車、混凝土泵車等作業(yè)機(jī)械應(yīng)采取防爆措施。高瓦斯工區(qū)的作業(yè)機(jī)械可安裝車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置；煤與瓦斯突出工區(qū)的燃油作業(yè)機(jī)械應(yīng)使用礦用防爆型柴油動力裝置。其條文說明中指出：車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置，是在作業(yè)機(jī)械上加裝防爆或煤安認(rèn)證的監(jiān)控設(shè)備，提示車輛駕駛?cè)藛T及時停止作業(yè)和控制車輛的所有供電線路，從而達(dá)到防爆目的。礦用防爆型柴油動力裝置是按車輛原有的電氣線路原理及功能，對蓄電池、發(fā)電機(jī)、啟動器（點火裝置）、用電設(shè)備（如照明指示燈具、喇叭、音箱、收音機(jī)、點煙器、空調(diào)設(shè)備等）、發(fā)熱部件、排氣口等采取防爆措施，改裝后的設(shè)備本身即具備防爆能力。

新規(guī)范指出，高瓦斯工區(qū)的作業(yè)機(jī)械可安裝車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置，也就是本文中提到的瓦斯閉鎖模式；煤與瓦斯突出工區(qū)的燃油作業(yè)機(jī)械應(yīng)使用礦用防爆型柴油動力裝置，也就是本文中提到的防爆改裝模式。新規(guī)范的實施，將對高瓦斯隧道施工設(shè)備的防爆改裝方式起到極大的指導(dǎo)、規(guī)則作用，也使目前施工單位未能執(zhí)行國家規(guī)范的尷尬局面得以緩解。