新疆長距離輸水隧洞施工安全設(shè)施布置研究

魏香鴻

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000)

0 前 言

長距離隧洞工程施工安全存在很強的不確定性和未知性,特別是長距離深埋隧洞,一旦發(fā)生安全事故,破壞規(guī)模極大,施救人員非常困難,大大降低了人員生還幾率。經(jīng)查閱[1-10],水利水電工程相關(guān)設(shè)計規(guī)范中并未涉及施工安全措施設(shè)置的具體規(guī)定,其他相關(guān)行業(yè)如交通、鐵路、煤炭、金屬非金屬等設(shè)計、施工規(guī)范中對施工安全措施設(shè)置部分有詳細規(guī)定及相關(guān)說明,如《鐵路隧道施工搶險救援指導(dǎo)意見》中明確在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖地段預(yù)先設(shè)置逃生管道;TB 10020-2017《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定不同長度下設(shè)置緊急出口、避難所或相互聯(lián)絡(luò)橫通道;《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下設(shè)置避難洞室;GB 50215-2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于具備應(yīng)急逃生出口或采用2個安全出入口的相關(guān)規(guī)定等。

對比公路、鐵路、煤炭、冶金行業(yè)與水利行業(yè)地下隧洞綜合比較,從隧洞布置方面對比,區(qū)別在于公路、鐵路行業(yè)車道數(shù)通常為雙向兩條隧洞,且兩條隧洞間距較小,增加應(yīng)急通道僅在雙通道之間設(shè)置連接通道即可滿足要求,煤炭、冶金行業(yè)根據(jù)行業(yè)的規(guī)范要求,其作業(yè)通道本身已具備雙通道的要求,而水利工程隧洞通常以長距離單隧洞為主,特別是深埋長距離隧洞,增加通道工期長、費用高,因此以節(jié)約工程造價為基礎(chǔ)的情況下施工通道數(shù)量較少,無法參照相關(guān)行業(yè)規(guī)范雙通道的要求。

水利工程輸水隧洞與公路、鐵路、煤炭及冶金行業(yè)的隧洞從運行工況方面對比,區(qū)別在于公路鐵路及煤炭冶金行業(yè)為長期有人類從事交通或生產(chǎn)活動,人員流動周期長、密度大,因此無論是交通安全還是施工安全重視程度較高,水利工程輸水隧洞僅在施工期有人員作業(yè),待工程建成后隧洞內(nèi)無人員活動,如參照相關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定布置安全措施,其標(biāo)準(zhǔn)過高,且臨建工程投資占比較大,最直接反應(yīng)就是施工安全措施費遠遠不足,如不考慮安全措施,長距離輸水隧洞同為地下工程[11-15],總長度及單工作面長度均比較長,特別是長距離深埋輸水隧洞根據(jù)施工分段規(guī)劃單個分段內(nèi)僅設(shè)置單個施工通道且工作面較長,一旦發(fā)生坍塌、施工通道發(fā)生火災(zāi)、塌方造成“斷后路”等事故,施工救援和人員逃生避險難度極大,如何采取有效安全措施避免產(chǎn)生人員傷亡且經(jīng)濟對輸水隧洞施工安全具有重要意義。本文以新疆某輸水工程為例,研究提出長距離輸水隧洞施工安全設(shè)施布置方案,為類似工程施工安全提供經(jīng)驗。

1 工程概況

新疆某輸水工程全線共長516.53 km,其中TBM掘進長度達405.94 km。全線共設(shè)置45條施工通道,其中緩斜井34條,豎井及通風(fēng)井11條。緩斜井最長6.4 km,最短90 m。工程為線性輸水工程,最大單工作面距離19.9 km,最大深埋792.5 m,掘進工期34月,具有隧洞長、埋深大、工作面眾多、投入設(shè)備及人員數(shù)量多,分布分散等施工特點。本項目施工項目單一,主要施工內(nèi)容為輸水隧洞工程,施工過程中可能發(fā)生威脅到施工人員安全的危險源主要分為兩類,一是由于地質(zhì)原因產(chǎn)生的危險源;二是由于施工活動產(chǎn)生的危險源。由于地質(zhì)原因產(chǎn)生的危險源主要有破碎巖體塌方、涌水、巖爆、軟巖變形、高地溫、放射性、有害氣體、活斷層等;由于施工活動產(chǎn)生的危險源主要為火災(zāi)、交通事故、觸電、高空墜亡、炸藥庫、爆破施工等。

2 隧洞施工安全設(shè)施種類、適用性及布置

根據(jù)相關(guān)行業(yè)對安全設(shè)施的相關(guān)要求及規(guī)定,安全設(shè)施主要可分為避難場所、逃生通道(緊急出口)、逃生管道等主要措施加以監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)等輔助設(shè)施實現(xiàn)緊急避險逃生措施。針對地下洞室施工中無法預(yù)測且可能造成嚴(yán)重后果的不良地質(zhì)條件和施工活動危險源制定相應(yīng)安全設(shè)施,其常見安全措施及適用情況統(tǒng)計詳見表1。

表1 常見安全措施及適用情況統(tǒng)計表

表2 豎井內(nèi)罐道和井梁布置的最小間隙 單位:mm

3 安全設(shè)施布置

3.1 逃生通道

根據(jù)工程總體布置,逃生通道設(shè)置在施工通道相距遠的TBM掘進洞段。根據(jù)逃生通道的適用性,通道設(shè)置按照預(yù)防“坐以待斃”原則,將逃生通道設(shè)置在危險源與施工掌子面之間,以保證發(fā)生“斷后路”事故時施工人員可通過逃生通道通往地面。逃生通道型式可分為斜井、緩斜井及豎井三種方式,考慮快速施工、安全可靠、工期保證率高及經(jīng)濟合理等因素,逃生通道采用豎井的通道型式。豎井式逃生通道的優(yōu)點一是施工工期較短,二是斷面布置緊湊,相比平洞及斜井投資小,三是可與通風(fēng)結(jié)合布置,一井兩用。

根據(jù)機械化快速施工最小斷面擬定,逃生豎井井筒斷面為圓形,直徑4.5 m。豎井井內(nèi)布置梯子間和單罐籠。參照GB l6423-2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中的規(guī)定,提升容器之間、提升容器與井壁或罐道梁之間的最小間隙應(yīng)滿足下表中的要求。

圖1 井筒橫斷面內(nèi)逃生設(shè)施布置 單位:mm

豎井內(nèi)設(shè)置兩種逃生設(shè)施,一是梯子間作為應(yīng)急安全出口;二是罐籠做為人員撤離提升設(shè)備。經(jīng)復(fù)核,井筒內(nèi)布置的梯子間和罐籠的尺寸滿足規(guī)范要求。

梯子間由爬梯、梯子鋼梁、休息平臺和梯子間外側(cè)防護網(wǎng)組成,平面尺寸為1.94 m×1.2 m(長×寬),層間距4.0 m。梯子大梁選用I25工字鋼,兩端采用M27樹脂錨桿固定,梯子結(jié)構(gòu)小梁采用2根14號工字鋼,一端采用M27樹脂錨桿與井壁固定,另一端與梯子間結(jié)構(gòu)大梁連接,梯子平臺采用6 mm厚花紋鋼板;梯子間外側(cè)采用鐵絲編制成的金屬網(wǎng)防護。

罐籠尺寸2.5 m×1.5 m×2.5 m(長×寬×高),采用鋼絲繩罐道,鋼絲繩罐道采用四角布置,使用30 mm密封鋼絲繩,采用液壓螺桿拉緊式裝置拉緊。采用鑿井提升機JKZ-2.8×2.2提升。

逃生豎井布置在主洞側(cè)面,豎井中心線與主洞中心線間距20 m,兩者之間由連接洞室相連。

豎井井口布置鑿井井架及提升機房,井架內(nèi)設(shè)置箕斗卸載裝置。

圖2 井底連接洞室平面 單位:mm

圖3 Ⅲ型鑿井井架

無事故發(fā)生時,罐籠懸空出井口,豎井作為通風(fēng)井使用,一旦發(fā)生塌方、突涌水、巖爆等事故造成施工人員無法從施工通道撤離時,施工人員可通過梯子間迅速撤出主洞范圍,在休息平臺等待,罐籠作為上下人“電梯”使用,迅速將施工人員提升至地面。

3.2 逃生管道

隧洞施工無論是TBM掘進洞段還是鉆爆洞段,掌子面施工人數(shù)最多,鉆爆段施工掌子面人數(shù)一般不超過9人,TBM掘進洞段施工人數(shù)為20～28人,其施工人數(shù)占該工作面施工人數(shù)90%以上,因此,確保掌子面施工人員安全等同于避免重大安全事故發(fā)生。

逃生管道不僅適用于TBM掘進洞段,也適用于鉆爆洞段,其優(yōu)點是經(jīng)濟實用,可隨掌子面移動跟進。逃生管道布置部位、材料、連接方式等布置形式參照《鐵路隧道施工搶險救援指導(dǎo)意見》中搶險救援預(yù)案中相關(guān)規(guī)定進行布置。

鉆爆洞段隧洞斷面為平底馬蹄型,開挖洞徑為7.75～8.15 m,TBM施工洞段為圓型,開挖洞徑為7.8 m。逃生管道內(nèi)徑不宜小于0.8 m,布置在隧洞右側(cè),貼洞壁擺放。逃生管道用工字鋼架離地面40 cm。

圖4 鉆爆法施工洞段逃生管道布置 單位:mm

逃生管道已廣泛應(yīng)用至公路、鐵路隧道施工中,并有相關(guān)的規(guī)范要求。

3.3 避難洞室

避難洞室設(shè)置原則參考《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于避難洞室設(shè)置的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)避難洞室適用性,避難洞室主要功能為發(fā)生火災(zāi)、塌方、巖爆、有毒有害氣體及涌水事故時人員避險。按照工作面施工人數(shù),以單工作面為例,掘進、運輸、皮帶班、綜合保障等施工小組施工人數(shù)為24人,考慮1.1的備用系數(shù),設(shè)計避難人數(shù)為27人。根據(jù)每人應(yīng)有不低于0.9 m2有效使用面積的原則,避難洞室生存室設(shè)計洞長7 m,有效使用面積為28 m2。

圖5 TBM施工洞段逃生管道布置 單位:mm

避難主要設(shè)置部位為主支洞交叉口、不良地質(zhì)段于掌子面之間。洞室分為過渡室、生存室。避難洞室采用120°城門洞型,斷面尺寸為寸4.00 m×2.96 m(寬×高),底板高程高于主洞底板高程0.5 m。

避難洞室安全出口應(yīng)采用向外開啟的兩道門結(jié)構(gòu)。外側(cè)第一道門采用既能抵擋一定強度的沖擊波,又能阻擋有毒有害氣體的防護密閉門;第二道門采用能阻擋有毒有害氣體的密閉門。兩道門之間為過渡室,密閉門之內(nèi)為避難生存室。防護密閉門密封計抗沖擊壓力參照《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)要求執(zhí)行。

避難洞室均采用40 cm鋼筋混凝土二次襯砌,一次支護采用噴C25混凝土厚20 cm,16號鋼拱架,榀距1.0 m,直徑8 mm鋼筋網(wǎng)(200 mm×200 mm),設(shè)直徑25 mm砂漿錨桿(L=3.0 m,間排距1.5 m)。避難洞室均布置在主支洞交匯口附近,目前均已開挖完成。避難洞室選擇在已揭露無水洞段,如施工過程中如遇線性出水情況,采用固結(jié)灌漿方式堵水。如預(yù)防危險源為涌水時應(yīng)設(shè)置連接洞,使生存室底板高于主洞底板3.5 m以上。

圖6 避難洞室典型平面布置 單位:mm

避難洞室內(nèi)除人員臨時避險外應(yīng)布置應(yīng)急通風(fēng)管道及應(yīng)急通訊設(shè)施,事故發(fā)生時確保洞內(nèi)施工人員生存供氧充足且可向外聯(lián)系,使洞外人員徐速了解災(zāi)情,以便有針對性組織救援。

3.3.1應(yīng)急通風(fēng)布置

避難洞室布置在主洞支洞交匯口處,施工支洞為鉆爆洞,根據(jù)施工方案,隧洞內(nèi)布置有壓風(fēng)管道,避難洞室供風(fēng)采用由機械壓風(fēng)管道連接三通管道,埋入式布置將供風(fēng)管道接入避難洞室內(nèi)。

如在主洞段設(shè)置避難洞室,應(yīng)急通風(fēng)也可在洞頂設(shè)置至地面的通氣孔,孔徑200 mm。按照避難洞室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),供風(fēng)量不低于0.3 m3/min·人。本避難洞室設(shè)計避難人數(shù)為24人,洞頂設(shè)置VY-9/7-c柴油移動式空壓機,排氣量3 m3/min。

3.3.2應(yīng)急通訊布置

為使洞內(nèi)施工人員保持通訊通暢,隧洞內(nèi)布置應(yīng)急通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)主要由通訊線纜、通訊電話及穿線管道構(gòu)成。通訊線纜布置在隧洞一側(cè),采用地埋式布置,接入避難洞室內(nèi)。

3.4 自救器

自救器是井下發(fā)生火災(zāi)、有毒有害氣體時防止施工人員中毒或缺氧窒息的一種隨身攜帶的呼吸保護器具。當(dāng)事故發(fā)生時,掌子面施工人員、沿洞線施工人員及安全員、巡檢員距安全設(shè)施較遠,需配自救器供人員安全抵達避難洞室或逃生通道。由于自救器安全使用時間為40 min,因此在主洞施工工作面每2 km設(shè)置一個自救器存放站,可于洞內(nèi)微型消防站、洞內(nèi)通訊設(shè)施聯(lián)合布置成為固定應(yīng)急救援站。

3.5 救生艙

救生艙最大優(yōu)點是作為移動式避難場所隨時跟隨在施工掌子面附近,如發(fā)生“斷后路”事故,施工人員可快速避險,等待救援。救生艙應(yīng)按以下原則配置:

(1) TBM設(shè)備后配套中必須設(shè)置救生艙,救生艙應(yīng)能滿足一個工作班制的工作人員臨時避難。

(2) 移動救生艙應(yīng)具備安全防護、氧氣供給保障、空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測、通訊、照明、動力供應(yīng)、人員生存保障等基本功能,額定防護時間不低于96 h。

(3) 在整個額定防護時間內(nèi),移動救生避難艙中含氧量應(yīng)在18.5%～23.0%,艙內(nèi)穩(wěn)定不應(yīng)高于35℃,濕度不應(yīng)大于85%,保證緊急避險設(shè)施內(nèi)始終處于不低于100帕的正壓狀態(tài)。

救生艙及配套臺車布置如圖7所示:

圖7 救生艙及配套臺車布置

救生艙配置應(yīng)能容納掌子面施工人員。救生艙尺寸為9.5 m×1.2 m×2.2 m(長×寬×高),一節(jié)救生艙容量為20人。移動救生艙可與TBM一體定制,不占用單獨空間,距作業(yè)面距離近,緊急避險速度快。但移動救生艙屬于被動應(yīng)急避險裝置,如遇短期內(nèi)無法解決的安全事故,施工人員首選采用其他安全設(shè)置第一時間撤離地面,主動避險。

4 結(jié) 語

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,人們越來越重視施工安全,安全生產(chǎn)工作應(yīng)當(dāng)以人為本。雖然現(xiàn)場施工管理過程中已進行常態(tài)化安全教育,但施工人員安全意識仍然相對薄弱,一旦發(fā)生安全事故,對施工人員及其家庭都會帶來巨大傷害。作為長距離深埋輸水隧洞工程,應(yīng)在規(guī)劃階針對工程特點段進行安全措施專項設(shè)計,指定適用于本工程實際的危險源辨識及評價,如針對于塌方、涌水、巖爆等不良地質(zhì)條件造成的危險源以及如火災(zāi)、交通事故等因施工活動造成的危險源等,劃分其危險源等級,并應(yīng)對重大危險源設(shè)計經(jīng)濟實用且適用的安全措施并在工程施工過程中實施,如文中提出的綜合安全井、逃生管道、避難洞室等。

除上述措施外在施工過程中根據(jù)工程設(shè)置的安全設(shè)施,應(yīng)組織施工人員進行逃生應(yīng)急演練,對安全事故進行分級分類,施工人員熟知在何種情況下首選哪類設(shè)施進行避險,提高事故發(fā)生時施工人員生還幾率。安全綜合井、避難洞室、逃生管道、自救器及微型消防站均已在本工程中投入使用。