黃草隧道高瓦斯施工通風(fēng)及風(fēng)險(xiǎn)防控應(yīng)用研究

汪躍飛

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

1 前言

經(jīng)過幾十年來中國鐵路人的辛勤建設(shè)，中國鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成績，但中國鐵路發(fā)展歷程較長，各個(gè)發(fā)展階段建設(shè)規(guī)劃不同，標(biāo)準(zhǔn)不同，許多既有運(yùn)營鐵路已不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，需要進(jìn)行提升改造，加之中國鐵路體量大，老舊線路多，需要進(jìn)行復(fù)線修建和改造的鐵路工程也會(huì)越來越多，如何在復(fù)線修建或者提升改造中既保證營業(yè)線運(yùn)營安全，又滿足施工安全和效率，具有很大的研究和實(shí)用價(jià)值。本文以新建渝懷二線鐵路黃草頁巖氣高瓦斯隧道在確保瓦斯安全的前提下，進(jìn)行科學(xué)合理的通風(fēng)設(shè)計(jì)，以及有針對(duì)性的通風(fēng)管理和瓦斯監(jiān)測，來確保二線隧道施工安全的成功案例，對(duì)復(fù)線頁巖氣高瓦斯隧道通風(fēng)等技術(shù)進(jìn)行深入的分析和總結(jié)，為類似隧道施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

新建黃草二線隧道位于重慶武隆縣黃草鄉(xiāng)境內(nèi)和彭水縣高谷鎮(zhèn)境內(nèi)，位于既有渝懷線右側(cè)，兩線線間距5～122 m。隧道最大埋深約為736 m，起訖里程YDK204+045 ～YDK211+176，全長7 131 m，為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)瓦斯隧道。隧道采用“新建進(jìn)口斜井+新建出口平導(dǎo)”的輔助坑道施工方案。進(jìn)口新建無軌單車道斜井長658 m，最大縱坡11.5%。出口新建無軌單車道平導(dǎo)，長2 000 m。

黃草隧道平面如圖1 所示。

圖1 黃草隧道平面示意圖

3 隧道地質(zhì)及瓦斯

3.1 隧道地質(zhì)

隧區(qū)覆蓋為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）粉質(zhì)黏土，棄土層（Q4q）碎石土，殘坡積（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土、粗角礫土，崩積層（Q4col）塊石土。下伏志留系下統(tǒng)羅惹坪組（S1lr）之頁巖、小河壩組（S1x）砂巖夾頁巖、龍馬溪組（S1l）頁巖夾砂巖。區(qū)內(nèi)節(jié)理較發(fā)育，巖體多被切割成塊狀，主要為兩組陡傾的X 形構(gòu)造剪節(jié)理。

3.2 隧道瓦斯

根據(jù)地質(zhì)勘察和既有黃草隧道施工揭示，隧道穿越的地層含頁巖夾炭質(zhì)頁巖等，巖芯中見微生物，輕微染手，地層本身具備生烴能力，為頁巖氣。進(jìn)口斜井工區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為1.416 m3/min，隧道為高瓦斯隧道，進(jìn)口斜井為高瓦斯工區(qū)，瓦斯風(fēng)險(xiǎn)極高。

4 隧道瓦斯特點(diǎn)

4.1 頁巖氣產(chǎn)氣機(jī)理及特點(diǎn)

頁巖氣賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，存在方式主要是吸附和游離狀態(tài)，成分以甲烷為主，與深盆氣、煤層氣一樣都屬于“持續(xù)式”聚集的非常規(guī)天然氣。天然氣是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，但在隧道施工中危害極大，一旦處理不慎，將會(huì)引起瓦斯爆炸，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等重大事故。

頁巖氣產(chǎn)氣層巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖和高碳泥頁巖類，組成一般包括粘土礦物、粉砂質(zhì)（石英顆粒）和有機(jī)質(zhì)。正是由于頁巖具有這樣的特性，頁巖中的天然氣具有多種存在方式，主要有游離態(tài)（孔隙和裂縫）、吸附態(tài)（黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面上）2 種形式。根據(jù)美國頁巖氣研究成果，吸附態(tài)存在的天然氣占天然氣賦存總量的20%以上。

頁巖氣成因有兩種途徑：熱裂解成因氣和生物成因氣。熱裂解成因氣是由巖體中干酪根分解成氣體和瀝青，瀝青分解成油和氣體（初次裂解），油分解成氣體、高含碳量的焦炭或者瀝青殘余物（二次裂解）。生物成因氣一般指頁巖在成巖的生物化學(xué)階段直接由細(xì)菌降解而成的氣體，也有氣藏經(jīng)后期改造而成的生物氣。

大部分產(chǎn)頁巖氣分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。這些特點(diǎn)增大了隧道瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)隧道瓦斯管理提出了更高的風(fēng)險(xiǎn)防控要求。中國頁巖氣資源豐富，川渝黔鄂為頁巖氣主要蘊(yùn)藏區(qū)。2009 年，在黃草隧道隧址區(qū)彭水鉆探的第一口頁巖氣戰(zhàn)略調(diào)查井——渝頁1 井見到良好的頁巖氣顯示，對(duì)渝頁1 井的后期實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果也表明，渝東南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜的高陡構(gòu)造帶具有良好的頁巖氣成藏地質(zhì)條件。

4.2 黃草隧道通風(fēng)特點(diǎn)和難點(diǎn)

由圖1 可知，黃草隧道分為出口平導(dǎo)和進(jìn)口斜井兩個(gè)工點(diǎn)，出口平導(dǎo)通風(fēng)相對(duì)簡單，前期采用壓入式通風(fēng)，出口與平導(dǎo)貫通后采用巷道式通風(fēng)和壓入式通風(fēng)都實(shí)現(xiàn)了順暢的隧道通風(fēng)，出口工區(qū)與既有線不連通對(duì)既有線瓦斯安全不造成影響。另外出口平導(dǎo)和正洞均在直線上，風(fēng)損小，且交叉口其向進(jìn)口掘進(jìn)長度僅1 400 m，可以形成良好的進(jìn)出風(fēng)通道，通風(fēng)壓力相對(duì)不大。

進(jìn)口斜井工區(qū)通風(fēng)相對(duì)較為復(fù)雜，本文也將以進(jìn)口斜井工區(qū)為主要研究對(duì)象。進(jìn)口斜井通風(fēng)有兩個(gè)階段：第一階段是與進(jìn)口預(yù)留段貫通前，只能依靠斜井壓入式通風(fēng)；第二個(gè)階段為斜井與進(jìn)口預(yù)留段貫通后，既有線與新建二線連通后的通風(fēng)階段。

黃草隧道進(jìn)口通風(fēng)難點(diǎn)和需要解決的問題如下：①通風(fēng)距離長，最長通風(fēng)長度約2 700 m；②通風(fēng)條件差，斜井彎道大，坡度陡對(duì)通風(fēng)和瓦斯排放不利；③對(duì)既有線影響大，進(jìn)口斜井在第二階段與既有線連通，瓦斯對(duì)既有線安全威脅大；④隧道斷面狹小，通風(fēng)和瓦斯排出不利；⑤頁巖氣瓦斯產(chǎn)氣穩(wěn)定，對(duì)隧道安全威脅不僅在開挖、支護(hù)時(shí)，在二襯施作后威脅依然存在，對(duì)隧道通風(fēng)和瓦斯管理提出了更高的要求。

針對(duì)以上特點(diǎn)和難點(diǎn)，如何在不影響既有線安全的前提下，對(duì)高瓦斯隧道進(jìn)行長距離足量通風(fēng)、瓦斯監(jiān)測是施工中迫切需要解決的問題。

5 黃草隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)和管理

5.1 主要思路和需要解決的問題

在第一階段，利用斜井對(duì)工作面進(jìn)行壓入式通風(fēng)。

在第二階段，利用既有線對(duì)二線正洞進(jìn)行壓入式通風(fēng)，回流污風(fēng)和瓦斯從斜井排出。第二階段需要解決的問題一是如何得知既有線來源空氣中是否含有瓦斯，二是如何讓回流風(fēng)全部從斜井排出，不影響既有線。前者可提前對(duì)一線隧道中的空氣進(jìn)行較長時(shí)間的瓦斯監(jiān)測，確定是否適合供風(fēng)；后者可以通過斷風(fēng)門對(duì)回風(fēng)進(jìn)行控制。

5.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

5．2．1 風(fēng)機(jī)位置設(shè)置

黃草二線隧道進(jìn)口斜井往小里程進(jìn)口方向貫通后，在YDK204+943 處設(shè)置風(fēng)機(jī)，利用既有線路進(jìn)風(fēng)，同時(shí)在新建黃草隧道二線YDK204+983、YDK204+963 處各設(shè)置一組隔斷風(fēng)門（風(fēng)門采用厚度1 m 磚砌墻），使作業(yè)面污風(fēng)由新建回風(fēng)斜井集中排出，為增大污風(fēng)排出速度減小瓦斯積聚，局部設(shè)置防爆射流風(fēng)機(jī)或者局扇。斜井洞口原有風(fēng)機(jī)為備用風(fēng)機(jī)。

5．2．2 風(fēng)量計(jì)算

主要從以下4 個(gè)方面予以考慮：①按洞內(nèi)最多工作人員數(shù)所需的新鮮空氣Q1；②按在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，稀釋一次性爆破使用最多炸藥量所產(chǎn)生的有害氣體到允許的濃度所需風(fēng)量Q2；③根據(jù)不同的施工方法，按坑道內(nèi)規(guī)定的最小風(fēng)速，所需風(fēng)量Q3；④當(dāng)隧道內(nèi)采用內(nèi)燃機(jī)械施工按內(nèi)燃設(shè)備的總功率（kW），所需風(fēng)量Q4。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，人員所需的新鮮空氣Q1和稀釋一次性爆破使用最多炸藥量所產(chǎn)生的有害氣體所需的新鮮空氣Q2均較小，因此本文不再對(duì)Q1、Q2進(jìn)行計(jì)算。

按坑道內(nèi)規(guī)定的最小風(fēng)速計(jì)算Q3：Q3=60·V·S=60×0.5×52=1 560 m3/min，其中，60 為分鐘和秒的換算常數(shù)；V是根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，瓦斯隧道施工中防止瓦斯積聚的最小風(fēng)速1 m/s，本方案施工通風(fēng)按不能形成瓦斯層流的最低風(fēng)速計(jì)算取值0.5 m/s；S為最大斷面面積，52 m2。

按稀釋內(nèi)燃設(shè)備總功率計(jì)算Q4：考慮在洞內(nèi)同時(shí)有1臺(tái)LG50 型裝載機(jī)（158 kW）、1 臺(tái)神鋼SK-180 型挖掘機(jī)（150 kW）和2 輛20T 自卸車（440 kW）作業(yè)，總功率748 kW，取設(shè)備的平均利用率65%，按隧規(guī)1 kW 需供風(fēng)量不小于 3 m3/min，算得Q4=748×0.65×3=1 458.6 m3/min，因此，設(shè)備供風(fēng)能力取Qmax=Q3=1 560 m3/min。

對(duì)于長大隧道，管道的漏風(fēng)現(xiàn)象造成入口處與出口處的風(fēng)量差別很大，按百米漏風(fēng)率（取β=1.2%）計(jì)算洞口風(fēng)機(jī)風(fēng)量：隧道通風(fēng)總長度為2 700 m，（1-1.2%）2 700/100=2 162 m3/min。

5．2．3 風(fēng)壓計(jì)算

根據(jù)隧道斷面、施工經(jīng)驗(yàn)以及目前常用性能穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)選定通風(fēng)管直徑，風(fēng)管直徑采用1.5 m。

通風(fēng)機(jī)應(yīng)有足夠的風(fēng)壓以克服管道系統(tǒng)阻力，即h＞h阻，按下式計(jì)算：

h阻=∑h動(dòng)+∑h沿+∑h局=50 Pa+4 232.1 Pa+423.2 Pa=4 705.3 Pa

其中，管口動(dòng)壓一般可考慮h動(dòng)=50 Pa。

沿程壓力損失計(jì)算公式為：h沿=α·L·U·P·Qmax2·g/S3=4 232.1 Pa。其中，α為風(fēng)管摩擦阻力系數(shù)，取 2×10-4kg·s2/m3；L為風(fēng)管長度，取2700 m；U為風(fēng)管周邊長，π·D=4.71 m；P為漏風(fēng)系數(shù)，P=1/（1-β）L/100=1.38，β=1.2%；Qmax為計(jì)算掌子面所需風(fēng)量，1 560 m3/min 折合成26 m3/s；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；S為風(fēng)管截面積，π·D2/4=1.767 m2，D為風(fēng)管直徑，1.5 m。

局部壓力損失按沿程壓力損失的10%進(jìn)行估算：h局=h沿×10%=423.2 Pa。

5．2．4 設(shè)備選型

根據(jù)以上計(jì)算所需風(fēng)量，選取Q機(jī)=2 162 m3/min，風(fēng)壓h阻=4 705.3 Pa，考慮20%富余量，配置風(fēng)機(jī)供風(fēng)量需達(dá)到 2 162×1.2=2 594 m3/min，風(fēng)壓需達(dá)到 4 705.3 Pa×1.2=5 646 Pa。

通過以上通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算可得，因通風(fēng)距離過長，風(fēng)壓要求較高，因此選擇在既有平導(dǎo)起點(diǎn)安設(shè)1 臺(tái)SDF（C）-№13（2×132 kW，高效風(fēng)量2 691 m3/min，全壓930～5 920 Pa）壓入式防爆型對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)供應(yīng)正洞大里程施工用風(fēng)需要，風(fēng)管直徑1.5 m，能滿足通風(fēng)要求。

取最大供風(fēng)風(fēng)量2 691 m3/min 進(jìn)行反算，采用52 m2斷面進(jìn)行驗(yàn)算，最大風(fēng)速為2 691/60/52=0.76 m/s＞0.5 m/s，但小于規(guī)范要求“防止瓦斯積聚風(fēng)速不宜小于1 m/s”。因此，為減小瓦斯積聚，在開挖臺(tái)架、防水板臺(tái)架、襯砌臺(tái)車上等瓦斯易于積聚處分別安設(shè)2 臺(tái)2.2 kW 輔助防爆局扇。隔風(fēng)門和主風(fēng)機(jī)如圖2 所示，局扇如圖3 所示。

圖2 隔風(fēng)門和主風(fēng)機(jī)

圖3 局扇

6 通風(fēng)管理、瓦斯監(jiān)測等風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策

瓦斯隧道施工中，在合理進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)的前提下，足量不間斷通風(fēng)管理是隧道瓦斯安全的重要保證。而瓦斯監(jiān)測不僅是對(duì)工作面、瓦斯易積聚處瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，還是對(duì)通風(fēng)是否滿足要求，瓦斯是否被排出洞外的有效印證。

根據(jù)Q/CR 9247—2016《鐵路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》，針對(duì)施工階段的風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)通風(fēng)管理、瓦斯監(jiān)測制訂了針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策。

6.1 通風(fēng)管理

要建立現(xiàn)場嚴(yán)格的通風(fēng)制度，不足量供風(fēng)，嚴(yán)禁洞內(nèi)作業(yè)；建立專業(yè)班組管理通風(fēng)，定期檢查維護(hù)通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)備，配置風(fēng)管修補(bǔ)、升降車等專用設(shè)備，提高維護(hù)和搶修能力；項(xiàng)目部指派專人進(jìn)行通風(fēng)質(zhì)量監(jiān)測，領(lǐng)導(dǎo)班子不定期檢查通風(fēng)質(zhì)量和通風(fēng)效果，確保合理和足量供風(fēng)；建立考核制度，供風(fēng)和計(jì)價(jià)掛鉤，對(duì)違規(guī)停風(fēng)進(jìn)行處罰，對(duì)通風(fēng)落實(shí)到位的進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。

6.2 瓦斯監(jiān)測

頁巖氣黃草高瓦斯隧道主要采用人工監(jiān)測和KJ101 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，與一般高瓦斯隧道監(jiān)測基本一致。不僅應(yīng)當(dāng)監(jiān)測圍巖揭露時(shí)的瓦斯?jié)舛?，還應(yīng)特別注意兩點(diǎn)：①應(yīng)加強(qiáng)成洞地段特別是開挖時(shí)瓦斯溢出量較大洞段的瓦斯監(jiān)測；②加強(qiáng)對(duì)斜井洞口回風(fēng)瓦斯的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，判斷瓦斯是否隨回風(fēng)排出，也可對(duì)隧道瓦斯總溢出量進(jìn)行計(jì)算。另外，運(yùn)用風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖手段等自動(dòng)化手段保證瓦斯隧道的施工安全。

7 應(yīng)用效果

從施工現(xiàn)場來看，黃草二線頁巖氣高瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)合理，通風(fēng)管理、瓦斯監(jiān)測工作到位，一是風(fēng)量充足達(dá)到了對(duì)頁巖氣瓦斯的充分稀釋，達(dá)到安全施工的目的；二是回風(fēng)路徑設(shè)計(jì)合理，既不影響營業(yè)線行車，又滿足了瓦斯排放需求。黃草高瓦斯隧道于2016-04 開工，2020-10 安全順利貫通。通風(fēng)效果如圖4 所示，隧道安全貫通如圖5 所示。

圖4 通風(fēng)效果

圖5 隧道安全貫通

8 結(jié)語

渝懷二線黃草高瓦斯隧道瓦斯來源為頁巖氣，與煤系和非煤系瓦斯隧道相比，其特點(diǎn)是不僅在揭露時(shí)瓦斯釋放量較大，且由于頁巖瓦斯產(chǎn)氣穩(wěn)定，在初期支護(hù)和二次襯砌施工后都有瓦斯溢出，即瓦斯補(bǔ)給相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)隧道施工通風(fēng)、瓦斯監(jiān)測提出了更高的風(fēng)險(xiǎn)防控要求。瓦斯隧道通風(fēng)最重要的目的就是稀釋瓦斯，排出瓦斯。加之黃草二線高瓦斯隧道與既有一線隧道連通，對(duì)隧道瓦斯管理更是提出了更高的要求。從黃草隧道施工揭示來看，2016 年開挖至今，高瓦斯洞段頂鉆以及局部瓦斯產(chǎn)氣點(diǎn)持續(xù)逸出瓦斯較好地證實(shí)了頁巖氣瓦斯穩(wěn)定產(chǎn)氣和局部瓦斯溢出量大的特點(diǎn)。黃草隧道進(jìn)行了合理的通風(fēng)設(shè)計(jì)和瓦斯管理，規(guī)劃好瓦斯排出路徑，并足量不間斷通風(fēng)達(dá)到了稀釋和排出瓦斯的兩個(gè)瓦斯隧道施工的關(guān)鍵，確保了隧道的瓦斯安全。中國幅員遼闊，頁巖氣儲(chǔ)量大，隨著中國鐵路不斷發(fā)展，類似工程將會(huì)很多，黃草二線頁巖氣高瓦斯隧道的成功施工經(jīng)驗(yàn)為類似工程提供了成功借鑒。