高瓦斯地铁长大隧道施工

高瓦斯地铁长大隧道施工

林守业

中电建铁路建设投资集团有限公司 北京市 100070

摘要:在当今科技迅速发展的新时代，为了方便市民的日常交通出行，国内城市化轨道交通不断创新建设。而在隧道工程建设过程中会存在许多的安全隐患，影响着项目建设的稳定性、地铁的运营以及人民的生命安全，因此政府也提高了对地铁隧道工程建设的关注度。本论文通过对瓦斯地铁隧道具体施工工艺过程中要注意的安全事项以及安全管理模式的研究,来最小化的降低安全风险。

关键词:高瓦斯；地铁隧道施工；安全管理

因瓦斯这种危险物质的存在，使得隧道施工过程可能会有瓦斯涌出、瓦斯爆炸以及人员中毒等多种危险事故的发生。虽然瓦斯爆炸的概率相对较小，但如果因瓦斯泄漏导致爆炸事故的危险程度是非常严重的。依此来看,在施工过程中除了要安装专业的安全监测设备,同时还要积极采取相应的瓦斯管理措施。现阶段我国隧道施工人员的安全意识有待加强,缺乏专业的技术素质和丰富经验,国家相关规定也有待完善。因此,必须通过规范的操作规程和严格安全管理来解决日益突出的施工安全问题。

一、施工方法

1.1开挖施工

按照地铁出口高瓦斯段隧道台阶法施工作业技术标准要求和隧道出口地质地理条件实际情况,主要采用隧道出口台阶法施工开挖方法。隧道台阶开挖前,将隧道的通风管一次两端拉起放到隧道平台一端距离隧道出口掌子面5米处的固定位置上并对其进行通风加压隧道通风,确定整个隧道瓦斯空气浓度,当检测值的瓦斯空气浓度不超过0.5%时,才能开始进行隧道湿式探头钻孔开挖作业。湿式隧道钻孔前先进行通气通风开水、后进行通气通风开水以有效防止封闭进入隧道内的粉尘,防止使用湿式开孔钻头与进入隧道内的砂岩、泥岩砂浆中的隧道粉尘气体发生强烈摩擦从产生水与隧道间的火花，以防止重大隧道交通安全事故。

1.2支护施工

隧道高瓦斯段两侧边墙脚各设２条竖向联通的纵向水汽管，侧沟与水汽管不联通，隧道内间隔1０ｍ设一处５０ｍｍ环向盲沟接入水汽管，水汽管连接平导水汽管，在平导洞口设水汽分离池，将瓦斯废气和水分离后分别排放。

1.3瓦斯防控

施工隧道要采用瓦斯自动监控和人工瓦斯监测两种系统相结合的模式,避免其中一种监控模式出现失误，另外一种监控模式可以及时提供防控急救的信息。

1.3.1地质勘察。依据构造地貌学理论，利用Lidar3D技术，研究隧址区地貌特征，对瓦斯赋存条件进行初步分区。Lidar是一种由激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术结合而成的系统，用于获得数据并制成精确的DEM（数值高程模型）。这三种技术的结合，可以高度精确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形Lidar系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文Lidar系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量。利用无人机机载Lidar技术，获取隧址区精确的DEM模型，可以利用激光点云技术优势，剔除地表高大植被对于真实地貌的影响，达到精确解译地质构造的目的。根据Lidar技术获取隧址区高分辨率影像，依据隧址区围岩地貌特征，推断围岩构造发育情况，结合隧道埋深条件，将隧道根据可能的瓦斯赋存情况分为高瓦斯区域和低瓦斯区域。

1.3.2超前观察探查实验钻探。按照开挖隧道内开钻时机的气体振动冲击器的气体振动及其转速、响声、钻杆上的气体振动、卡钻、岩粉、冲洗液的气体振动以及流量和冲洗岩粉液的颜色等实际探查状况初步对整个开挖隧洞前面的各个隧洞地质化学瓦斯物理状况检测设施基点进行超前观察探查,并在每个隧洞瓦斯探孔两侧分别设置瓦斯地质瓦斯状况检测点用以详细检查各个地质物理瓦斯状况检测设施状况。首先要在开挖时按隧道内的面积开设由小到大不同孔径瓦斯浅孔,加深3~5个后然后再加炮孔,深3m,以详细探查深度，根据探查结果，清楚整个开挖隧道内的各个地质物理瓦斯检测情况,如下图所示。

探孔布局

1.4瓦斯监测

1.4.1智能瓦斯监控系统选型

例如某隧道为油气田高瓦斯隧道，为达到瓦斯自动监控需求，采用KJ90NA瓦斯自动监控系统。这种系统为分部式网络化结构，有着一体化嵌入式设计和先进的红外遥控设置，通过独特的三级断电控制和超强异地交叉断电能力，可实现电脑远程多级联网集中控制和安全生产管理。在检测到瓦斯浓度超过标准限值时采取自动措施（如警报、断电实施瓦电闭锁）。

1.4.2智能瓦斯监控系统的组成

KJ90NA系统主要由三部分组成：地面中心站、隧道监控分站和传感器及控制器。

(1)地面中心站

地面中心站是系统的核心，主要用于设置、实时同步显示隧道的环境参数并进行存储。地面中心站主要由监控主机、系统软件、数据传输接口以及电脑周边设备组成，含防雷设备。

(2)隧道监控分站

为为传感器提供电量和接收传感器所测得数据，并通过通讯线路将数据传输到主机而建设分站。分站由大、中、小三种类型，可根据各工区实际监控需求进行选择。各工区每个操作面均要设置3台监控分站，分别对掌子面传感器、隧道二衬台车和隧道施工完成段回风流进行监控。监控分站根据开挖进度逐步进行安装。

(3)传感器及控制器

为了对隧道内对甲烷、硫化氢、一氧化碳和风速进行监而安装自动监控设备，以及监测各种气体的传感器。控制器是系统自动断电的执行器，在发现异常情况下接收分站发来的断电信号，自动切断隧道的工作电源，防止意外事故的发生。

KJ90NA型隧道瓦斯自动监控系统工作原理示意图

1.4.3系统工作原理

自动监控系统由监控中心站、分站、输入、输出设备构成。监控中心站与分站之间通信，接收分站内的信息，可以对分站发出指令。对接收的信息进行处理、显示、报警。传感器将数据传输到分站设备上，电脑通过分析转换处理，对洞内各项指标进行监控，如若超标便会控制传感器自动切断电源。系统可及时准确地对洞内各工作面的瓦斯状况进行24小时全方位监控，达到隧道安全生产的目的。系统工作原理如下图所示。

KJ90NA系统工作原理图

1.4.4 KJ90NA系统详细布置

针对瓦斯隧道施工，开挖掌子面瓦斯易溢出，对掌子面施工作业人员危害较大，在二衬台车附近，施工作业工序多，易造成瓦斯积聚，通过回风流中瓦斯浓度来反映整个隧道瓦斯溢出量的情况。

隧道内综合参数监控设置按每个工作面进行配置，隧道进、出口分别有2个工作面，每个工作面安装3组传感器；1号斜井、2号斜井正洞分为4个工作面，正洞每个工作面安装2组传感器，并在主、副斜井分别安装一组传感器。在开挖掌子面安装一组传感器，在二衬台车上安装一组传感器，在距离回风流中一定距离安装一组传感器，根据掌子面进尺可移动或调整传感器的位置。单个工作面综合监控设备配置如表所示。

监控设备配置表（进口工区为例）

(1)在隧道口的监控值班室设置中心机房，机房设备有监控主机、数据接口、电源避雷器、UPS电源和主机配KJ监控软件，在值班室监控中心机房和隧道口各设信号避雷器一台，以保证各种设备的安全使用。

(2)根据传感器的数量及种类按控制要求，配置远程断电仪。

(3)各种传感器对应布置位置如表示。

传感器布置位置对应表

洞内传感器图

传感器布置示意图（进口工区为例）

1）甲烷传感器

根据隧道施工进程，在开挖掌子面、二衬台车以及回风流中安装相应的甲烷传感器。

2）硫化氢传感器

硫化氢为有毒气体，在开挖掌子面、回风流中分别安装一台硫化氢传感器。

3）一氧化碳传感器

为防止瓦斯易自燃，在存在爆炸危险的瓦斯工区地段的掌子面、回风流中安装一氧化碳传感器。

4）风速传感器

安装在回风流二衬台车背后、交叉位置处及洞口30m范围处。

1.4.5隧道瓦斯浓度超限采取自动预警及自动切断电源等措施

按照规范要求，在高瓦斯隧道施工中，通过在自动监控系统中设定瓦斯浓度在掌子面、二衬台车、开挖施工完成段回风流中以及隧道内瓦斯易积聚等位置提前限定传感器瓦斯报警浓度、瓦斯断电浓度、瓦斯复电浓度以及瓦斯断电范围等值，当传感器在检测到隧道内相应位置逸出的瓦斯浓度超过标准限值时，即可有针对性的自动采取报警及切断电源措施，实现瓦电闭锁，预防事故发生。

(1)瓦斯超限预警、断电设置

1）甲烷传感器预警设置

甲烷传感器预警范围表

2）H2S、CO传感器预警设置

表2.3.2-2硫化氢、一氧化碳传感器报警范围表

(2)瓦斯超限时采取自动断电范围

结合隧道的实际情况，某隧道选用KJ90NA型瓦斯自动监控系统（隧道进口工区、1#斜井工区、2#斜井工区和出口工区各安设一套该系统）。掌子面断电瓦斯浓度为1.5%，衬砌台车附近20m范围内所有的用电设备断电瓦斯浓度为1.0%，衬砌施工完成段的用电设备断电瓦斯浓度为1.0%，瓦斯自动监测断电控制范围布置图（进口工区为例）如下图所示。

瓦斯自动监测断电控制范围布置图（进口工区为例）

断电范围：T1：开挖工作面为圆心，半径为20米的范围内全部电气设备；

T2：以衬砌台车为圆心半径20米范围内所有的用电设备；

T3：回风流中的全部电气设备。

某高瓦斯隧道采用的断电控制器（断电仪）为本安信号驱动，无需外接供电电源。断电接点两组，一组为压双向可控硅40A/660V；另一组普通接点0.25A/24V．无需另外设置线路，可将被控设备的断电状态反馈并传回分站，可有效地监控设备的供电状态。

图2.3.2-2断电仪

(3)瓦斯超限时采取自动风电闭锁和自动瓦电闭锁措施

1）将风电闭锁设置于洞口，在不需要增加电气设备的情况下，只需将掘进工作面的总控开关与局部通风机专用开关中的一个辅助常开触头用外线连接，便可实现风电闭锁。

2）隧道内的施工点设备采取自动瓦电闭锁。在自动瓦电闭锁线路上安装一台瓦斯断电保护仪，将瓦斯断电仪中的一个触头串联于风电闭锁线路中，当施工过程中瓦斯浓度超出限度时，常闭触头自动断开，切断掘进工作面电源，确保施工安全。

3）高瓦斯隧道内所有的局部通风机和工作面的电气设备，都要采用自动风电闭锁和瓦电闭锁装置，以保证局部通风机停止运转或隧道内瓦斯浓度超限时，能立即自动切断隧道中电气设备的电源，防止爆炸事故。

二、通风设计原则

通风管理必须要制定并严格执行停风申报制度，主要包括对风速、风量的监测,在日常中要注重对风机的保养维护，以保证风机可以正常运行。所有必要要进行通风才能继续工作的项目，要在项目完成后继续开工前，镜像洞内外丝浓度检测，在检测合格后，方可复工进洞作业。

2.1通风设计标准

(1)以隧道施工位置为圆心，半径为20m的范围内，瓦斯浓度达到0.5%以上时，才可以对瓦斯隧道进行爆破施工。

(2)在一个隧道内两层以下空气中分别存在含有10%以上的分别含有中等游离微量SiO₂的单层固体悬浮粉尘及其空气浓度综合含量平均不得分别稍微大于2mg/m³。,隧道内两层以下空气中分别存在含有10%以下的分别含有中等游离微量SiO₂的单层固体悬浮粉尘及其空气浓度综合含量平均不得分别稍微大于4mg/m³;[2]

(3)隧道内空气工程施工时对人均环境空气供应温度质量要求一般不得尽量不要高于28℃,人均环境空气质量需每年至少供应一次并在新鲜空气的同时供应速度不得尽量大于4m³/min;

(4)室内空气中氧的含量,按平均体积计算的不得超过小于20%。

2.2通风设计原则

(1)工业专用物料施工过程物料空气通风机的结构设计根据结构需求要尽可能多地可以降低专用施工物料通风时的管理技术难度,便于施工进行专用施工过程物料通风管理;通风要尽可能减少风门,减少造成施工物料运输送风通道内的通风障碍。

(2)瓦斯破洞隧道爆炸工作面根据破洞需要进行破洞时所提供的新鲜防爆炸药最大风量,按照一个洞内同时能够允许最小最大炸药风速、同时能够进行爆炸工作的最多最大爆炸伤员人数、同一时间段内进行最大爆破时所需要使用的最多新鲜防爆炸药的最大使用量、瓦斯绝对最大涌出气流量以及洞内使用的最多防爆型各种内燃机械分别进行计算,取其中的最大额定值。

(3)各主管部门各个工作面在进行暖气隧道贯通前后都一定要认真组织做好工程设计以及调整有关暖气隧道通风面及排水系统的各项部门工作面的准备并实施相关工作;部门工作面暖气贯通后后还要及时设计调整主动轴流风机和主动射流高压风机的启动位置,待隧道供风正常,经相关专业技术人员现场检测发现瓦斯废气浓度完全符合要求后,施工人员随后才能顺利进入暖气隧道内进行工作。

(4)瓦斯独立进出口必须有独立的通风系统，严禁任何两个独立系统串联通风。

(5)所有隧道出入口必须安装大型的通风设备，要保证隧道内的通风通畅。

2.3爆破注意事项

想要有效率地进行大型隧道隧洞爆破作业,就须对以下几点及其技术装备问题必须特别加以明确严格进行考量。

(1)要严格遵守炸药的使用规范，必须采用有安全合格证明的炸药来进行爆破，以保证爆破工作人员的安全。

(2)在煤矿工区中经常涉及小型到纳米毫秒型闪电雷管的延期使用,必须延期是指具有企业合格使用证明且必须是经过煤矿企业允许延期使用的,最终段的雷管延期使用时间一般应尽量控制130m/s。

(3)对目前预留剩余炮眼中所有在清除之后残留的剩余泡泥粉末煤、耑等其他泡泥粉末颗粒材料也应进行彻底封闭密封干燥清理,保持洁净。采挖机在钻孔测量过程中也应充分考虑可以使用一种高压式的湿式采挖钻孔测量方式,预留每个剩余炮眼的采挖钻孔测量深度及其间距大小应做到最大且其恩量深度不得小于超过0.6m,对于目前预留每个炮眼的所有清除剩余预留泡泥粉末部分来说,则同时也应充分考虑可以使用其他剩余泡泥粉末材料对其进行彻底封闭密封干燥清洁处理。

(4)爆破应在所有装药与爆破材料进行爆破之前,确保在距离装药材料爆破点附近20m的一定高度风压范围之内,风流中排放含有大量瓦斯或氢气的气体浓度一般不得至少应低于超过1%,于是在装药材料爆破点20m之内所有的需要同时堆放的石碴、材料与装药爆破破碎机具及其爆破设备等,不应因此发生严重堵塞,而爆破隧道或其连接断面高度不应不得超过1/3,若要满足以上两种条件,则不可以允许工人进行药剂装药前的爆破准备工作。

三、施工组织原则

瓦斯隧道按“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤监测”的原则组织施工。

3.1短开挖。当隧道通过油气田区时有瓦斯溢出风险，围岩软弱，应力较大。每次开挖进尺控制在2m以内为宜，地质良好可采用台阶法开挖或全断面开挖方案，台阶长度大于50m且大于5倍洞跨。

3.2弱爆破。采用低爆力且符合规定检测合格的矿用安全炸药与安全雷管（煤矿许用毫秒电雷管最后一段延期小于130ms）。采用小断面开挖，逐渐扩大开挖面的方式来节约开挖时间。

3.3强支护。按照“加固围岩、改善变形、先柔后刚、先放后抗、变形留够、底部加强”的支护原则，开挖前采用长锚杆或注浆导管超前支护；利用坚固的U型钢架支撑，增大与地面的接触面积；多次喷射支护砼来提高模筑砼衬砌刚度。

3.4快封闭。由于瓦斯逸出范围隧道围岩属地质构造带，易出现破碎、松散、节理发育等情况,爆破后初支不及时，容易产生坍塌、掉块，因此排险后，首先进行初喷工作，采用C25素喷混凝土初喷，厚度不小于4cm。初喷封闭后，立即组织进行初支结构施工。

3.5勤量测。采用“双保险”监测措施。采用遥控自动化监测系统与人工检测系统相结合的方式来警醒监测。监测人员根据设备提供的数据以及设备中曲线走向，及时对瓦斯浓度进行监控，快速有效的减少施工时间。施工过程中加强通风措施。要根据工艺流程来进行工区划分，从而制定相应的通风方案，在每个工区中采用相对应的独立通风系统。各工区通风系统互不干扰，斜进工区可设置通风竖井，较长的隧道设计平行导坑，使之通风形成回路。

四、施工标准化建设

4.1计划阶段

在高瓦斯长期的隧道工程施工建设过程中,标准化工程建设必不可少的,首先,需要尽快建立好一起安全生产标准化建设管理工作领导小组,选择隧道工程安全标准管理部门负责人为其担当一个小组工作组长,同时还要吸取隧道项目部和隧道施工现场中心的相关专业施工人员为一个小组工作组员,对工作小组具体工作建设目的、任务以及具体完成任务时间要求进行统一确定,同时将工作任务要求落实传达到每一个项目负责人。

4.2执行阶段

由安全标准化管理专业人员对瓦斯隧道施工现场进行实地勘察调研,对隧道中的地质情况进行勘察,并通过对瓦斯隧道中存在的风险因素进行分析评估,有效辨识并指出瓦斯隧道危险源,通过安全评价方法针对这些危险源进行具体分级。由专业工作小组建立瓦斯隧道施工安全的标准化文件,根据这些标准化文件的安全规范对隧道施工安全进行安全规范化管理。

4.3检查阶段

根据隧道施工前写安全技术管理文件对隧道施工现场的操作以及施工现状完成情况进行详细的检查，有不符合规定或者操作不当的地方，要及时提出并改正，直到符合规定为止。

4.4实施阶段

在隧道施工过程中,应颁布与施工安全标准化管理相关的作业流程,同时监督其实施,并将这些标准化管理流程分发给安监部门和各个管理部门。相关部门会根据提供的相关流程对该工程进行相应的安全标准化管理。

五、结语

高瓦斯长隧道的施工安全管理及标准化工程建设,是一项严峻且复杂的系统工程。要想降低安全事故的发生概率，就要从根本上杜绝安全事故的发生，要健全管理组织机构，完善安全管理制度，采用先进的技术设备和专业的技术人员,运用信息化技术对存在于高瓦斯长隧道中的各种安全管理漏洞进行堵塞,积极推行安全化管理建设。高瓦斯长隧道施工工艺本身存在一定的复杂性和安全性,应在具体工艺中找到危险源,制定安全标准化管理体系,在更多的高瓦斯长隧道施工中进行检验总结。

参考文献

[1] 姜洪亮.紫坪铺隧道瓦斯灾害研究[D].西南交通大学，2010.

[2]肖粤秀,杨新安,江星宏,何知思.基于洞内空气质量监测的长大隧道施工通风系统改进[J].华东交通大学学报,2016,33(06):43-49.

[3]朱得斌.瓦斯监测系统在隧道施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(01):96-99.

[4]郭军,柏立懂,王道良,郭鸿雁.公路隧道瓦斯综合防治技术研究[J].公路隧道,2013,（4）:1-7.

[5]陈小军.公路长大瓦斯隧道施工通风方案的选择[J].河南科技，2013,4(22):147-148.

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[7]张民庆,黄鸿健,孙国庆.铁路瓦斯隧道安全设计、施工与管理[J].现代隧道技术,2012,（3）:25-31.

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