肖家坡高瓦斯隧道安全施工技术研究

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摘要：肖家坡隧道在非煤系地段施工中出现了瓦斯（CH4）、乙烷（C2H6）等有害气体。针对这一地质情况及时地调整了通风方案并采取了有效的瓦斯治理措施。主要介绍了该隧道的施工通风系统、瓦斯治理情况及其治理效果。

关键词：高瓦斯；隧道施工；安全技术

中图分类号： U45 文献标识码： A

1工程概况

肖家坡隧道隧址进洞口接肖家坡大桥，出洞口接瓦窑堡特大桥，行政地理位置在重庆市黔江区石会镇中元村和沙坝乡石子村之间。为一座上、下行分离的四车高速公路长隧道。左线起讫桩号为ZK51+386～ZK54+105，全长2719米，右线起讫桩号为YK51+400～YK54+130，全长2730米。隧道左右纵面均为-1.95％的单向坡，隧道最大埋深约460m，进出口地形较平缓。

隧址山体由一系列鳍脊状山组成，属于构造剥蚀深切低中山区，地形最大切割深度约400m，从山脚到山顶，多以陡坡和陡崖相连，左幅隧道进口处山坡坡向约58°，自然坡度约25～34.8°，出口处山坡坡向约239°，自然坡度42°左右；右幅隧道进口处山坡坡向约53°，自然坡度24～34.3°，出口山坡坡向约194°，自然坡度43.4°左右。

隧址山体地层为志留系上统罗惹坪群第二段（S2lr2）、第一段（S2lr1）和志留系上统龙马溪群第二段（S2ln2）；岩性：S2lr2为粉砂岩、页岩、砂质页岩互层；S2lr1为页岩和砂质页岩，夹少量粉砂岩，灰色、灰褐色、片状层～薄层状结构；S2ln2为粉砂质页岩及水云母页岩，含水量钙质，灰色、灰褐色与S2lr1接触部位为坚硬的石英粉砂岩，厚度较大。其中：从进洞口到ZK52+180附近，围岩由属于S2lr1组成，之后到洞口，围岩由S2ln2组成[1]。

隧址地质构造上位于桑拓坪向斜扬起端，岩层缓倾单斜，倾角3～6°，有轻微的缓波状翘曲及层间扭错；构造条件较好，属于构造剥蚀深切低中山区；巨块状结构岩体，结构面2组，以层面为主，裂隙多闭合状，层间结合良好。岩层产状：65～95°，∠3～6°，路线走向方位角233～243°，与岩层走向间夹角48～78°。肖家坡隧道原设计为非瓦斯隧道，自2006-12-28开始，在YK53+690～YK53+622检测有瓦斯涌出，且该范围内瓦斯绝对涌出量超过了0.5m3 /min。重庆煤炭科学研究总院重庆分院关于肖家坡隧道右线瓦斯测试及涌出量评价报告确认YK53+690～YK53+523为高瓦斯工区，肖家坡隧道被定性为I级高瓦斯隧道[1]。

2 瓦斯来源及影响范围

该隧道处所的地层及附近未发现煤层及碳质岩层，附近区域目前和历史上也未发现煤窑开采记录，瓦斯来源基本上不是来自于煤层或碳质岩层。而是由于在漫长的地质成形年代中，石油常与油气共生，因此肖家坡隧道出现的含甲烷气体最可能的来源就是隧道穿越地层中赋存有石油及共生的油气和浅层天然气（与瓦斯组份基本相同）。根据超前地质探测，前方岩体为软硬变化接触带、层间错动或裂隙发育、岩体破碎带，隧道掘进放炮时震动产生的裂隙与构造破碎带沟通，导致有气体（瓦斯）顺着裂隙向掘进工作面涌出。

肖家坡隧道右线瓦斯涌出影响范围167m，里程为YK53+690～YK53+523，其中YK53+622～YK53+573为裂隙破碎带，该段瓦斯最大绝对涌出量为4.69 m3 /min，从钻孔中采集甲烷浓度达71.9%；YK53+690～YK53+622和YK53+573～YK53+523为瓦斯影响过度带。

3 施工安全技术方案

3.1 瓦斯突出防治

根据肖家坡隧道地质勘测资料分析表明，隧道掘进放炮时由震动产生的裂隙与构造破碎带相沟通，导致了深层油气（瓦斯）顺着裂隙向掘进工作面涌出，排除了瓦斯来自于煤层或碳质岩层的可能。因此在高瓦斯工区掘进过程中，为保证安全必须进行连续超前探孔，以探明施工前方的地质情况，防止出现瓦斯突出现象。

（1）瓦斯突出性预测

瓦斯突出性预测包括：瓦斯压力法、综合指标法、钻屑指标法、钻孔瓦斯涌出初速度法和“R”指标法五种。不同的情况下应采用对应的检测方法，如石门揭煤可采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法，对于煤巷掘进宜采用钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法或“R”指标法【2】。

由于肖家坡隧道排除了存在煤层的可能性，为节约施工时间，采用了钻孔瓦斯涌出初速度法进行瓦斯突出性预测。在测定瓦斯涌出初速度时，应注意保证测定装置的气密性，以减小测量误差。

钻孔瓦斯涌出初速度法预测瓦斯突出的具体过程如下：①在钻机每钻进1米时，立即撤出钻杆，插入钻孔瓦斯涌出初速度检测装置，测量2min后的瓦斯涌出量q。当瓦斯涌量q≥4L/min（指标临界值）时，则存在瓦斯突出危险。②当钻孔瓦斯涌出量q＞6L/min时，在第5min后继续读取1min瓦斯涌出衰减量，当衰减系数α≤0.65时，则该工作面存在瓦斯突出危险。③在钻孔过程中出现喷孔、顶水、顶钻、夹钻等动力现象时，即该工作面存在瓦斯突出危险。

（2）防治瓦斯突出的措施——瓦斯排放

由于肖家坡隧道开挖断面大，为防止掘进时瓦斯突出，采用了多排钻孔预排瓦斯的防治措施。瓦斯排放钻孔的各项参数及布设（见图1）如下：

①钻孔孔径：90mm

②孔距与排距：1m

③排放钻孔角度：水平角：0—90°仰角：0—45°倾角：0—20°

④排放控制范围：上下、左右隧道轮廓线外5m

⑤排放时间：大于20小时

图1 排放钻孔布设图

（3）防突措施效果检验

防突措施实施完成后，必须按照《铁路瓦斯隧道技术规范》规定的方法对防突效果进行检验。经检验无瓦斯突出危险时，表明措施是有效的。否则认为措施无效，必须采取补救措施，直至检验有效时，方可进行开挖掘进。

3.2 瓦斯检测

瓦斯检测是保证瓦斯隧道安全施工的重要手段。因此，在整个施工过程中必须全方位的进行瓦斯检测，以便准确地掌握全隧道的瓦斯浓度分布状况，防止瓦斯爆炸事故发生。

由于瓦斯比空气轻，且具有很强的扩散性，当隧道内的风速＜0.25m/s时，瓦斯将游离出来，并在隧道顶部和死角处聚积起来，致使局部区域瓦斯超限达到爆炸浓度【2】。因此，在施工过程中凡是有瓦斯涌出或有可能积存瓦斯的区域和地点，都应进行瓦斯检测。

肖家坡隧道高瓦斯工区瓦斯浓度常规性检测主要包括以下一些检测点：（1）隧道开挖工作面炮眼内、迎头、回风流；（2）放炮地点及巷道内的机电设备附近；（3）对于隧道拱顶、冒落孔洞、台车顶等容易形成瓦斯局部积聚且通风不良的区域，尤其需加强瓦斯浓度检测，以避免瓦斯爆炸事故的发生；（4）恢复通风前的停风区、局部扇风机及其开关附近的风流；（5）隧道内工作地点20m范围内的进、回风侧。另外，在钻眼、装药、放炮前和放炮后这四个环节上也应加强对隧道瓦斯浓度的检测。

在肖家坡隧道高瓦斯工区的瓦斯检测过程中，采用了人工巡回检测、设置便携式瓦斯检测报警仪、安装瓦斯自动检测报警断电仪等方式进行瓦斯检测。瓦斯检测实行每天3班的检查制度，且每班检查次数不得少于３次。当瓦斯浓度含量在0.3﹪以上时，应随时检查，不得离开工作面。当瓦斯含量超过0.5﹪时，应加强通风稀释，直至瓦斯含量降低到允许值后，才允许进入检查，并在撑子面安设瓦斯自动检测报警断电装置，防止在瓦斯超限时由于用电火花而引发的瓦斯爆炸。其具体检测流程如图2所示。

图2 隧道施工瓦斯检测和监测流程

瓦斯检查员必须由事业心强、经考试合格的人员担任。检查员应配备压风自救器、防静电服装等安全防护装备，做好通风瓦斯检测报表，并注明瓦斯超过规定的地点的原因、处理情况；值班干部应全面掌握隧道通风、瓦斯变化情况，审查瓦斯台帐和通风瓦斯报表，发现问题时，要及时采取应急措施进行处理。

3.3 施工用水

肖家坡隧道高瓦斯工区施工用水，采用已经在落草沟常年流水口处修建蓄水池，以及在隧道入口上方附近已修建90m3高水位蓄水池，另外在洞外还设置一个110m3的高位水池作为消防应急水池。采用高压泵向隧道加压供水，隧道洞内水管均采用φ150mm高压镀锌钢管铺设，法兰盘连接，每隔100m设置一个阀门。接至离掌子面30m处，然后采用φ13mm的软管接至掌子面。考虑瓦斯工区施工超前探孔、掘进时必须采用湿式钻眼、喷射混凝土用水量较多以及干旱时落草沟水流量较小，不能满足施工要求，另外采用φ50mm钢管铺设2000m管路从沙坝河采用潜水泵抽水，确保施工用水。

3.4 施工通风

控制隧道内及工作面的瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的关键。而合理的通风设计能有效地降低隧道内的瓦斯浓度，是确保这一关键的重要前提。因此，在施工中的每个环节都必须保证有强大的通风量与风速，将瓦斯浓度控制在0.5﹪以下（规范要求）。

（1）通风方式

肖家坡隧道施工通风采用压入式通风方式，并要求隧道各掘进工作面必须采用独立通风，严禁任何两个工作面之间串连通风。

（2）通风机及风管配备

压入式通风施工现场配备了两台功率2×115kw额定风量1500～27500m3/min的风机。风管采用了风筒直径不小于1.5m，且具有抗静电、阻燃的风管。风管出风口到开挖面的距离应小于5m，以确保巷道风速不得小于1.0m/s。并加强对风管的检测，防止主流风回风、短路。

（3）通风电源配备

为防止在停电情况下因通风机停止工作而引发事故，在施工通风的供电方面，配备了2台200kw柴油发电机并联接入供电系统，为隧道施工通风提供了电力保障。

（4）风量计算

隧道设计通风风量是按防止瓦斯积聚风速、同时最多作业人数、爆破排烟要求分别计算所需风量后，取其中最大值作为通风风量确定的。经现场测定相关数据，隧道最大绝对瓦斯涌出量为4.69m3/min，隧道断面大小为82m2，由此可以确定降低瓦斯工区瓦斯浓度到0.5﹪以下所需的最低风速。最低风速计算公式如下:

（1）

式中：

—瓦斯工区内所需最低风速，m/s；

—隧道内实际最大瓦斯涌出量，m3/min；

—高瓦斯隧道内瓦斯浓度限值，0.5﹪；

—隧道断面积，m2。

由公式（1）可以得出瓦斯工区内所需最低风速为0.19m/s时，才能将隧道内瓦斯浓度稀释到0.5﹪以下。为提高施工安全性，施工现场配备了两台功率2×115kw额定风量1500～27500 m3/min的风机，在压入式通风的情况下经实际测得风速能达到0.53m/s以上，由公式（1）计算得出允许的最大绝对瓦斯涌出量为13m3/min。

由于加强通风后允许的最大绝对瓦斯涌出量为13m3/min，大于肖家坡隧道最大瓦斯涌出量Q=4.69m3/min，，所以，采取的通风方式能够满足肖家坡高瓦斯隧道施工的通风要求，足以保证现场工人不至于由于连续工作导致瓦斯中毒。

（5）局部区域的瓦斯通风

对隧道中瓦斯易于集聚的空间和简易台架附近区域，施工中采用了气动风机等设备进行通风，有效地降低了瓦斯浓度，保证了施工安全。

3.5 钻爆施工

钻爆施工是瓦斯隧道施工中的关键环节，危险性高。因此，必须对钻爆施工中的每个细节作出严格的规定和要求，以确保钻爆施工的安全和质量。肖家坡隧道瓦斯工区钻爆作业在钻孔、装药、封孔、爆破网络连线及爆破后的检查这五个方面作了详细的要求：

（1）在瓦斯工区爆破钻孔过程中，瓦斯工区开挖工作面附近20m风流中瓦斯浓度必须小于0.5％；钻孔作业必须采用湿式钻孔，严禁干式打钻；炮眼深度不小于0.6m。

（2）瓦斯工区在采用电雷管起爆时，严禁反向装药；在采用正向连续装药结构时，雷管以外不得装药卷；在岩层内爆破，炮眼深度不足0.9m时，装药长度不得大于炮眼深度的1/2；在炮眼深度为0.9m以上时，装药长度不得大于炮眼深度的2/3。

（3）对爆破炮眼的封孔，一种方法是采用黏土炮泥进行封孔，另一种方法是采用水泡泥封孔并在剩余部分应用黏土炮泥填满封实。严禁用岩粉、块状材料或其它可燃性材料作炮泥。

（4）爆破网路的连线必须采用串联连接方式。线路所有连接接头应相互拧紧，明线部分应包覆绝缘层并悬空。母线与电缆、电线、信号线应分别挂在隧道的两侧，若必须在同一侧时，母线必须挂在电缆下方，并保持0.3m以上距离。母线应采用具有良好绝缘性和柔软性的铜芯电缆，并随用随挂，严禁将其固定。母线的长度必须大于规定的爆破安全距离。必须采用绝缘母线单回路爆破。严禁瞬发电雷管与毫秒电雷管在同一串联网路中使用。

（5）高瓦斯工区进行爆破作业15min后应巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、煤尘、瞎炮、残炮等情况，遇有危险必须立即处理。在瓦斯浓度小于0.5％，二氧化碳浓度小于1.5％，解除警戒后，工作人员方可进入开挖工作面工作。

3.6在裂隙破碎地层中开挖

揭开裂隙带地层之后，对工作面前方上、中、下及左右范围内进行瓦斯检测。因爆破震动，顶部夹层已经部分剥落并与已爆岩块混在一起，为防止瓦斯爆炸，对开挖岩面20m之内拱顶及墙用高压水冲洗，清除爆破产生的灰尘，对爆破还未出碴的碴体用水全部浇湿。经现场测试，在通风相同的条件下，对开挖面轮廓及爆破碴体洒水，在10min之内，瓦斯浓度下降0.1%。根据爆破后的实际情况，当掘进面瓦斯浓度降到0.25%，采用风动凿岩机湿式钻孔，爆破作业时采用煤矿许用炸药和电雷管，高压水配合洒水，采用防爆型侧卸式柴油轮式装载机出碴，防爆型自卸式汽车运碴，防止瓦斯积聚爆炸，安全度过裂隙破碎地层。瓦斯监测人员在开挖面各部位移动监测设备，当瓦斯浓度达到0.5%，装载机停止工作，加强通风，增加喷雾洒水次数，在20m长度内的周边岩面全部用高压水进行冲洗，开挖下的岩块全部被水浇湿装车运出洞外。

3.7全封瓦斯衬砌

施工支护：隧道通过YK53+690～YK53+622和YK53+573～YK53+523瓦斯影响带，挂网喷锚支护喷射15cm厚C20混凝土封闭即可。通过YK53+622～YK53+573，围岩破碎，节理发育，采用16工字钢挂网喷锚支护，一方面为了加固围岩，防止坍塌，引起瓦斯积聚；另一方面可部分封堵瓦斯，减少工作面瓦斯溢出。

整体衬砌：隧道穿越高瓦斯工区地段采用全封整体式衬砌，即在模筑衬砌背后全环（拱、墙、底）铺设1.2mm厚EVA、ECB共挤防窜流防水卷材和无纺土工布防水板复合防水层作为瓦斯隔离层。为保证防水板的铺设质量，开挖后，拱、墙部位喷射混凝土尽可能找平，并在围岩上钻￠40的孔（拱部间距0.5～1m，边墙1～1.5m），内加木塞，与防水板背部的绑扎带相连，固定防水板。隧底开挖后用M10水泥砂浆找平，整幅挂设宽3m，厚1.2mm的复合防水板。防水板采用无苯环保万能胶粘合，达接15～20cm，12m一组的拱墙施工缝设钢带式橡胶止水带和背贴式止水带复合止水。拱顶和拱腰两侧预留注浆孔，注浆填充拱顶空隙，防止积聚瓦斯。

高瓦斯工区喷射混凝土和二衬混凝土要求气密剂掺量为水泥用量的10%，透气系数不应大于10-10cm/s。因此，搅拌混凝土时，为确保气密剂掺量准确，事先按每盘气密剂多少用塑料袋装好，由专人负责。

4 施工安全管理制度

4.1 建立施工安全保证体系

本项目部建立了以项目经理为首的安全生产保证体系。

（1）项目经理作为安全生产第一责任人，对该项目的施工安全全面负责；

（2）施工技术负责人（总工程师）负责组织安全技术措施的编制和审核，组织安全技术交底和安全教育；

（3）项目经理部设专职安全检查工程师，负责本项目各项安全措施的制订、监督和检查落实；

（4）各项目队配备专职安全员，负责施工过程中各项安全措施的实施和落实；

（5）各施工班组设兼职安全员并成立安全岗位监督岗，加强施工过程中的安全控制。

通过建立施工安全保证体系，使安全工作制度化、经常化，以确保安全工作落到实处，保证施工安全。

4.2 实行施工安全责任制度

在建立施工安全保证体系的基础上，确立以岗位责任制为中心的《安全生产责任制度》，将安全责任落实到每个负责人身上。从基层施工人员逐级向上级管理层的安全生产负责，直至项目经理，以各级、各部门的安全确保整体工作的安全，形成下一级的安全工作保上一级的安全工作，上一级的安全管理抓下一级的安全管理，做到层层落实安全责任制的局面。

4.3 加强施工人员的安全教育与培训

在认真贯彻“安全第一、预防为主”方针的基础上，项目部加强了对全体员工的安全教育，要求每名员工必须严格遵守安全生产操作规程；特种作业人员必须经培训合格后，持证上岗；杜绝违章操作、无证操作、违章指挥和违章施工等现象的出现。

4.4 加强施工设备的安全检查

（1）施工前，必须对施工设备进行全面的安全检查，禁止使用未经有关部门验收的设备。对于不符合安全规定设备应立即进行整改完善；

（2）对投入施工的高压电缆、配电系统、继电保护装置、漏电开关的选型敷设必须符合规定要求；

（3）电气设备和照明灯应具有良好的接地、接零保护，并在可能受雷击的场所设置防雷击设施；

（4）在高瓦斯工区的施工区、生活区、道路照明、手持式电气设备的额定电压和电话、信号装置的额定供电电压不应大于127V，远距离控制线路的额定电压不应大于36V。

5 实施效果

根据规范要求，瓦斯隧道验收在拱顶以下25cm处，巷道内空气中的瓦斯浓度不得大于0.5%[3]。根据目前煤炭科学院重庆分院瓦斯技术检测人员对肖家坡瓦斯隧道施工中的检测记录，在衬砌封闭后，瓦斯浓度远小于0.5%，甚至还提交了肖家坡瓦斯隧道瓦斯浓度为0的报告。由此说明，防瓦斯泄露的措施是得当的，隧道运营是安全的。

6 结论

发生瓦斯爆炸的2个条件：瓦斯浓度爆炸极限为5%～16%；要有一定温度 的引火热源，一般为650～750℃。防止瓦斯爆炸必须从防止瓦斯积聚和消除火源入手。防止瓦斯积聚在施工过程必须加强通风、加强瓦斯检测和监测、加强超前地质预报和超前地质探孔、及时处理局部瓦斯积聚；消除火源则在施工过程中必须加强明火管理、严格执行爆破制度、严禁因摩擦产生火花、消除电器火花，并制定重点部位防范措施。

参考文献：

[1] 中交第二公路勘察设计研究院.肖家坡隧道施工图设计说明[K].武汉：中交第二公路勘察设计研究院，2006.

[2] 张延.瓦斯隧道的界定及施工安全防治措施[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2001.(4)：65—67

[3] 黔彭高速公路肖家坡隧道右线瓦斯测试及涌出量评价报告[R].煤炭科学研究总院重庆分院，2007.4