高瓦斯隧道施工技术

摘要：非煤系地层区隧道瓦斯涌出具有随机性、游离性、分布不均匀性的特点，该类瓦斯隧道的瓦斯灾害危害性更大。文章通过对某高瓦斯隧道的研究，总结出非煤系地层瓦斯隧道主要成因，并提出了相应的施工技术，为类似工程提供经验和参考。

关键词：高瓦斯隧道 非煤系地层 治理 施工技术

0 引言

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。

1 工程简介

某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。

2 瓦斯形成机理分析

综合分析设计提供地质资料，某隧道是由于浅层天然气沿地层的岩体裂隙上逸进入隧道。天然气源自隧道下方2800m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，具有良好圈闭条件的与储气层相同且张裂隙或裂隙发育的砂岩透镜体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。

3 施工技术

高瓦斯隧道施工管理的重点是防止瓦斯燃烧和爆炸的灾害性事故的发生。根据笔者的经验，当隧道施工现场有充足氧气、一定温度的引火源和一定浓度的甲烷时，发生瓦斯爆炸事故的可能性最大。施工对策的制定就是从这3个条件出发，高瓦斯隧道的瓦斯防治手段主要从4个方面考虑，即：隧道瓦斯的超前预测、通风设备的选定及管理、确定检测和监控系统、施工用机械和电气设备的选用和管理。施工中采取超前钻孔探测、预测隧道前方瓦斯的发育情况，通过加强通风降低瓦斯的浓度，采用有效的瓦斯检测监控系统监控瓦斯的浓度，控制隧道各个不同作业面内的瓦斯浓度在安全作业许可条件内，选用防爆的电气设备控制火源等手段，确保了隧道的安全施工。

3.1 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φ89mm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。

3.2 通风设备选定及管理

3.2.1 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）-NO.13（2×132KW）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（2×110KW）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φ1500mm钢筒通过衬砌模板台车。

3.2.2 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。

3.3 瓦斯检测、监控体系

应用互补互验型监测系统进行瓦斯监测，一方面提高监测精度，另一方面有效弥补单一检测方式的缺陷，提高隧道施工安全系数。全套瓦斯检测、监控体系由KJ90自动监控系统、CJG10型光干涉瓦斯检测仪两种仪器相结合方法检测，以保证瓦斯检测数据的准确，确保施工安全。

3.3.1 人工瓦斯检测

人工瓦斯检测采用光干涉式瓦斯检测仪和便捷式甲烷检测报警仪。CJG10型光干涉瓦斯检测仪精度高，测量瓦斯浓度误差为±0.1%。特点是携带方便，操作简单，检测地点灵活，主要为瓦检员配备。

3.3.2 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。

3.4 施工机械和电气设备的选用与管理

《铁路瓦斯隧道技术规范》规定：隧道内高瓦斯工区和瓦斯突出工区的电气设备和作业机械必须采用防爆型。瓦斯隧道作业设备选用防爆型不仅装、运机械成本太高，而且对施工工效有较大影响。瓦斯隧道施工设备配置方案是否要全部采用防爆型，不能仅取决于是否为高瓦斯类或瓦斯突出类来定性地决定，而应取决于施工中实测的瓦斯浓度大小来做出科学的选择。

考虑到本隧道瓦斯属于深地层天然气溢出，产量低、而且突出几率小，经充分研究，在加强超前探测、瓦斯检测，加强通风，设立施工许可条件基础上，采用普通的装、运机械完全可以保证作业安全。此外，为杜绝瓦斯燃烧爆炸的条件形成，洞内其他所有电气设备、线路均采用防爆型。

4 瓦斯治理效果

该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。

5 结语

非煤系瓦斯隧道瓦斯赋存的随机性导致隧道开挖面出现瓦斯没有规律，隧道施工瓦斯的防治应对隧址区地层岩性、地质构造进行全面认识，尽可能掌握潜在的瓦斯来源及运移通道，从而采取排放、稀释、监控等综合措施进行治理。本方法可以起到同类隧道的借鉴作用。

参考文献：

[1]张子敏，张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2]铁建设[2008]105号铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[3]TB 10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[4]丁睿.瓦斯隧道建设关键技术[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5]TB10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2002.