高瓦斯隧道施工技术

高瓦斯隧道施工技术瓦斯隧道施工引发的安全的事例在国内外都屡见不鲜。四川成简快速路龙泉山二号隧道，设计提供资料判定为高瓦斯隧道。国内目前没有专门针对公路瓦斯隧道施工的标准和规范，只能参考铁路和煤矿相关规范。本文结合四川成简快速路正在施工龙泉山二号隧道，描述了瓦斯分布状况，分析了瓦斯事故产生的原因，同时提出了公路高瓦斯隧道施工中的安全控制要点。标签：高瓦斯隧道;非煤系地层;治理;施工技术隧道工程瓦斯灾害属于极具危害性的突发事故，具有分散性特点。近几年隧道工程中因瓦斯爆炸事故虽然不多，但其危害相当严重，因而逐渐成为社会焦点。国内曾发生过严重的隧道瓦斯爆炸事故，造成巨大人员伤亡。非煤系地层区瓦斯涌出比较分散，且都是随即发生，隧道施工过程中，若不提前做好防治瓦斯的设计规划，施工中很可能引发瓦斯灾害。鉴于此，研究非煤系地层隧道瓦斯的形成机制以及施工对策具有重要的实际意义。一、我国公路隧道施工技术规范规定1）当公路隧道通过有瓦斯溢出的岩层，且瓦斯浓度按体积计大于0.5%时，应采取有效措施，加强测计，加强通风，使CH4浓度控制在正常范围内;2）当瓦斯含量在0.5%以下时，每小时检查一次，0.5%以上时，应随时检查，检查作业不得离开该工作面;3）加强通风，坑道开挖面要有足够的风量和足以驱散瓦斯有害气体的风速，其风速不应低于0.15m/s〜0.25m/s;4）洞内安装自动报警装置，将装置定位于安全界限浓度（0.75%）处;5）洞内机电设备、通风系统酌情采用防爆型。隧道工程专家们普遍认为：我国公路隧道实践证明，只要加强通风、加强测试手段，瓦斯含量在0.5%以下时，仍可进行正常施工作业。为确保隧道施工安全、卫生，应在洞内进行施工机械通风，将爆破后产生的烟雾、粉尘及内燃机（无轨运输）排出的CO等排出洞外。同时，应注意由围岩逸出的有害气体，采用通风及其他技术措施。二、工程简介龙泉山二号隧道高瓦斯隧道最大埋深248m。隧道开挖采用台阶法施工。全隧穿越岩性为砂岩、泥岩互层;构造位于税家槽背斜西翼，构造简单，岩层倾角4°〜5°，节理、裂隙发育一般。三、瓦斯形成机理分析综合分析设计提供地质资料，隧道是由于浅层天然气沿地层的岩体裂隙上逸进入隧道。天然气源自地表下方2000m三叠系上统须家河煤系地层，它在储存过程中不断随着地质构造的衍变逐渐上移，在侏罗系上统蓬莱镇组地层局部储存封闭或孤立残留在岩石裂隙中，形成以裂隙型游离瓦斯为主的天然气。这类天然气因流量小而相对稳定，但是压力低，分布不均，多数情况下随机涌出，与储气层相同，具有良好圈闭条件且张裂隙或裂隙发育的分布情况对瓦斯储量起着决定性的影响。施作隧道工程时，可能发生瓦斯泄漏的情况通常有三个特点，一是天然气储量大，二是砂岩层厚且孔隙率较大，三是裂隙呈网络系统发育。部分地段的封盖具有良好的圈闭条件，大裂隙发育过程中延伸到了储气层，如果直接挖开封盖，储气层内的瓦斯就会顺着裂隙发育喷涌而出，严重时造成爆炸事故。四、施工方案（一）高瓦斯隧道施工安全技术方案中铁二院工程集团有限责任公司龙泉山二号隧道施工设计方案为：隧道按新奥法原理组织施工，采用光面爆破、锚喷支护、拱墙一次衬砌。混凝土采用湿喷工艺°IIIF、WF、VF型衬砌段台阶法开挖，WJF、WJQF、VQIF衬砌中壁法开挖，全隧道仰拱超前施做，拱墙一次性灌筑。施工中所用的电气设备和施工机械均采用防爆型;施工运输采用有轨运输，不得采用无轨运输。在施工实践中我们针对隧道存在的天然气情况，遵循“动态设计、动态施工、先判断后处理”和确保安全、技术经济合理、优质高效的原则，对设计的施工方案进行了调整。（二）隧道通风成简快速路龙泉山二号隧道为高瓦斯隧道，施工中隧道通风是保证供给隧道足够的新鲜空气，稀释瓦斯、有毒有害气体到安全浓度，防止瓦斯在隅角和洞顶滞留，保持隧道适宜的温度、湿度。成简总承包部和施工项目部严格按照《铁路瓦斯隧道技术规范》和设计文件的瓦斯通风要求进行通风管理。（三）检测监控瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，主要成分是CH4、C02,有时还包括S02、NH3、CO、H2S、NO2等有害氣体。在标准状态（温度为0°C、大气压为101325Pa）下，瓦斯（CH4）密度为0.7168kg/m3,相对密度为0.554。瓦斯比空气轻，故瓦斯常积聚在隧道的顶部、上台阶掌子面顶部、顶板冒高处，二衬端头等。瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，会很快地在空气中扩散。瓦斯本身无毒，但不能供人呼吸。瓦斯浓度16%时极易燃烧，当瓦斯浓度在5%〜16%时，遇到火源便会爆炸。9.5%左右时爆炸威力最大。瓦斯不能用肉眼观察，只能靠仪器检测;因此，瓦斯检测监控是隧道施工安全的重要环节。四）隧道瓦斯预测预报龙泉山隧道位于龙泉山背斜含油气构造上，是油气运输的有利指向区和储集区。隧道洞身段所穿越的侏罗系遂宁组地层中自身无天然气体分布，而是在距地表大于2000m的三叠系须家河组为煤系地层，这些深部气层被厚层泥岩阻隔，一般为封闭气藏。但是断层、裂隙发育，油气势必在垂直方向上由下向上扩散渗流。特别是在小断层、微裂缝输导下向上运移到上述岩层中，富集成藏。由于节理裂隙发育的不规则性，隧道洞身段天然气分布多呈不规则气囊状分布，不确定因素较多，局部与下伏地层连通性较好的次生断裂带天然气含量较高。因此，在隧道施工中遵循“动态设计、动态施工、先判断后处理”原则，首先从超前预报入手，采用地质素描法、TSP超前地质预报、水平钻探等手段，对隧道围岩进行综合地质预报，预先确定工作面前方破碎带或断裂带的位置、规模、产状，了解工作面前方天然气赋存情况，以便及早采取天然气富集情况下的防护措施，保证施工的正常进行和人员、设备的安全。其具体实施全部由具有国家相关认证资质的专业单位进行。（五）隧道供电管理高瓦斯隧道进洞的普通用电线路和电气设备在施工运行过程中，线路容量超限时容易造成线路发烫而燃烧，设备启动和关闭瞬间有可能产生火花，配电柜闸刀、插座插头等在开启或关闭瞬间均可能产生火花，从而引发瓦斯事故。为避免因电气火花引起的瓦斯灾害事故，成简快速路龙泉山二号隧道所有进洞电气设备均为防爆设备或进行特殊处理。（六）安全管理机构成简快速路总承包部设立瓦斯控制领导小组，对施工项目部的决策进行评定，审核瓦斯控制的人、材、机等资源投入和技术方案，并对现场瓦斯防治的各项措施进行监督与检查。项目部设立瓦斯控制领导小组，研究、决策、协调瓦斯控制的各项重大事项，保障人、材、机等资源投入和技术方案，组织实施现场措施，监督、检查项目部瓦斯控制的各环节，启动应急预案，进行事故处理。领导小组下设瓦斯安全生产监督管理办公室，作为项目部瓦斯安全管理的常设机构，在项目部瓦斯控制领导小组的领导下，负责瓦斯管理的各项具体工作：（1）执行国家安全生产的法律法规，执行瓦斯作业的规程、规范。（2）建立完善瓦斯控制管理的各项规章制度，报领导小组审批后，在管理过程中予以实施。（3）组织开展各级管理人员和各类施工人员的安全培训工作，组织实施安全活动、安全会议与安全宣传工作。（4）保障人、机、材等安全投入的有效实施。（5）监督落实现场控制措施。（6）实施通风、防突防爆、爆破作业、瓦斯检测等安全管理。（7）组织实施安全监督检查，督促落实事故隐患整改。（8）实施安全管理奖惩，重大奖惩向领导小组提出意见，并报批。（9）建立应急预案，报领导小组审批，实施应急预案的管理。（10）在安全领导小组的领导下，实施事故处理。（七）瓦斯隧道施工应急救援预案为认真做好龙泉山二号隧道瓦斯应急救援预防、避险、自救、互救、减灾工作，增强全体员工的安全意识和应急处置意识，提高全体员工对突发事件的综合应变能力，最大限度地预防和减少突发事件造成的损害，成简快速路总承包部制定了“龙泉山二号高瓦斯隧道施工专项应急救援预案”，并分别在隧道进、出口进行了应急预案的演练活动，旨在通过瓦斯专项应急演练，进一步检验成简总承包部对龙泉山二号隧道突发瓦斯灾害事件专项预案的可操作性，提高各级领导干部、管理人员和应急人员、救援人员的指挥能力和救援水平，为保护人民生命财产安全，维护社会稳定，创造和谐社会奠定基础。五、施工技术（一）瓦斯的超前预测隧道施工中瓦斯涌出量与所在工区的围岩性质、地质情况有密切的联系。通过超前水平钻孔探测和预测隧道前方瓦斯的发育情况，为采用合理的施工措施提供依据，防止瓦斯突涌及爆炸事故的发生。瓦斯隧道安全控制的要点即是在隧道正洞开挖前采用超前水平钻孔对前方地质进行探测验证。超前地质钻孔采用申89mm多功能轻型钻机水平钻孔进行探测验证，每25m一循环，孔身长度为30m,搭接长度不小于5m,隧道正洞每个断面设置5个探测孔，分别在拱顶一孔，拱腰两孔，拱底两孔。（二）通风设备选定及管理1、通风管理①在隧道开挖阶段，集合通风系统管理的技术工人组成通风班组，建立设备巡检制度，督促技术人员每天坚持检查和记录设备运行情况，按要求进行故障检修，确保管路顺直，无死弯、无漏洞;②建立瓦斯通风监控机制，负责风量、风速等技术参数的检测工作。指派专人指挥风机系统的启停和变速，全程跟踪记录并签认操控流程。移动模板台车时风机转为低档位连续供风;③隧道回风风速按0.25m/s设计，在避车洞、模板台车、塌腔和加宽段加设局扇以避免瓦斯积聚。为解决风速低时回风流瓦斯的层流问题，一般地段可用射流风机卷吸升压来提高风速。2、通风设备选定通风设备选定是结合隧道各工区任务量划分，并根据瓦斯涌出量、爆破排烟、同时间洞内工作的最多人数、洞内施工机械排放废气量等分别计算通风所需风量，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值，以确保风量和风速满足瓦斯防治要求。全隧采用压入式主导通风方式。依据风量计算要求正洞单口选用的型号为：2台SDF（c）-N0.13（2X132KW）型轴流风机（1台备用）通过2道管路同时供风，可满足隧道需求风量要求，斜井采用一台SDF-NO.11（2X110KW）轴流风机。隧道掘进超过1200m时,在正洞回风区增设SDS-II-NO.10射流风机，并在瓦斯易聚集作业面增设局扇以降低瓦斯浓度。正洞通风管选用抗静电阻燃风管，直径为1.5m。风管利用申1500mm钢筒通过衬砌模板台车。（三）瓦斯自动监控系统瓦斯自动监控系统使用KJ90声、光连动自动监控系统，其探头悬挂位置应能反映隧道即时风流中瓦斯的最高浓度。在检测到瓦斯浓度＞0.4%时报警，瓦斯浓度＞0.5%时切断电源实施瓦电闭锁。瓦斯探测器主要设置在掌子面处（开掘处）、衬砌处、加宽带和回风口四类易引起瓦斯发生积聚、且位置相对固定、重要的地方。（四）瓦斯治理效果該隧道施工管理采取了上述治理措施，根据KJ90自动检测系统显示，爆破后掌子面的瓦斯浓度和一氧化碳、氮氧化合物浓度在通风5min〜8min就降到规范要求的限值以下。洞内环境良好，检测到的瓦斯和有害气体均在允许浓度以下，连续作业8个月，未发生因瓦斯超限造成人身伤亡和设备损坏事故。平均单口月成洞进尺达到了126m/月，说明治理措施是有效的。六、结论龙泉山二号隧道在各方面的高度重视和指导下顺利贯通，在此期间四川省安监局、成都市交委和中国水电集团领导多次亲临现场检查指导工作，省安科院、康泰安全评价咨询公司、重庆大学等单位的专家和技术人员长期驻守在施工现场，对瓦斯灾害防治进行指导、监督和技术服务工作，在高瓦斯隧道施工的全过程中，承担施工管理任务的成简总承包部科学组织、谨慎应对，参照《煤矿安全规程》、《铁路瓦斯隧道技术规范》、《施工组织设计》和《安全评价报告》等，狠抓每一项措施的落实，在高瓦斯隧道施工过程中，从执行制度入手，层层落实安全责任，从严管控每一个细节，以科学的态度和精细化管理水平，精心施工，实现了高瓦斯公路隧道安全无事故的业绩。在施工生产过程中，始终坚持“一个强化、一个支持、三个坚决反对、一个落实”方针，使进度、安全、质量、文明施工同步发展、协调推进。确保了隧道安全快速掘进和顺利贯通