高速公路瓦斯隧道施工安全控制

时间：2024-07-28

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610081)

1 概述

渝广高速华蓥山隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线(ZK23+467m～ZK28+485m)全长5018m，右线(K23+467m～K28+467m)全长5000m，总体走向约298°，为双向隧道，两线相距16m～30m，隧道净空高度为8.0m，宽度达12.5m。隧道纵坡设计为“人”字坡，进口端为0.507%的上坡，出口端为1.993%的上坡。

隧道洞身围岩为Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ类围岩，其中Ⅳ、Ⅴ类围岩占隧道总长的75%。隧道穿越断裂构造、岩溶、岩溶水、煤层等不良地质和特殊地质，隧道中部为煤与瓦斯突出隧道，岩溶及岩溶水发育。隧道施工存在极大的安全风险。

2 安全风险分析

根据本隧道工程特点，安全风险主要为瓦斯燃烧爆炸、煤层自燃爆炸、煤与瓦斯突出、涌突水、突泥、变形塌方等。

隧道施工通过高瓦斯工区时，易造成瓦斯局部富集，施工中可能发生瓦斯燃烧或爆炸事故；通过煤层煤与瓦斯突出危险工区时，可能发生煤与瓦斯突出事故；隧道通过自燃煤层工区时，施工中易发生煤层自燃、煤尘爆炸事故。同时，隧道通过溶隙和溶洞工区时，溶隙和溶洞内有天然气积聚，施工中易造成瓦斯爆炸及H2S中毒等安全事故。

隧道施工通过高压富水断层带、可溶岩与非可溶岩接触带、高压富水充填性溶腔溶洞、煤矿采空区时，可能发生涌突水、突泥灾害事故。隧道施工通过软岩、断层破碎带及其影响带、采空区段时，易发生变形塌方。

经安全风险评估，华蓥山隧道施工安全风险为Ⅳ级(极高风险)，瓦斯控制对本隧道施工安全尤为关键。因此，应根据本工程实际情况，从检测预报、通风供电、设备配置、施工方案等多方面采取安全控制措施，预防安全事故发生，为隧道顺利施工提供保障。

3 安全控制措施

3.1 超前地质预报

本隧道施工设置专业地质预报组，以地质素描法、TSP地震波法、地质雷达、地质水平钻探等相结合的综合手段，对前方围岩情况进行探测，对掌子面前方的隧道围岩进行长期、中期及短期预报。通过长、中、短期预报，提高预报的准确度，对异常地质情况及时采取相应的防治手段。

对于本隧道地质较差段，每个开挖循环均进行地质素描，根据地质素描对前方围岩进行判断。同时采用TSP超前预报，每次预测距离为100m。根据预测围岩的地质情况，对TSP探测断层、裂隙发育的地段，可采用超前钻孔重点探测。

利用超前钻孔验证物探探测的异常地段，长距离钻孔超前探测50m，每30m一循环，每孔长50m；短距离钻孔超前探测20m～30m，每25m一循环，每孔长30m。

为提高地质预报的准确型，除采用上述方法进行地质预报外，同时利用地质雷达进行地质超前预报。地质雷达探测范围40m内，是一种非破坏型的探测技术，具有抗电磁干扰能力强、分辨率高的特点，可现场直接提供实时剖面记录图，图象清晰直观。

3.2 隧道通风供电

本隧道局部高瓦斯，施工阶段在第一条车行横通道贯通前，施工通风采用压入式通风，此后采用巷道式通风。为防止局部瓦斯聚集，各阶段通风均配置防爆局扇，局扇采用设有低、中、高速度的防爆型风机。施工通风均采用不间断连续通风，通风管采用抗静电、阻燃软风管。掌子面至二衬砌台车地段，采用移动式局扇配合软风管供风，以增加瓦斯易聚集地段的风速，防止瓦斯聚集。在施工过程中要及时接长风管，风管末端距工作面距离不应超过15m。

通风量计算必须综合考虑以下三方面因素，并取最大值：洞内同一时间最多人数，稀释和排除炮烟所需风量，消除顶层瓦斯积聚所需风量。

瓦斯隧道主供电配置两套电源，隧道内采用双电源线路。电缆采用矿用橡套阻燃防爆电缆，并在电路中安装漏电保护装置和防爆自动馈电开关。为保证隧道通风、照明及监测系统等一级负荷供电，当一路电源停止供电时，另一路电源应在10min内接通。当设两套电源困难时，必须配置备用发电机，并安设风电闭锁装置。

根据相关规定，瓦斯隧道施工洞内供电必须做到“三专”、“两闭锁”。即专用变压器，专用开关，专用供电线路；瓦斯浓度超标时与供电的闭锁，压入式通风的风机与洞内供电的闭锁。因此，高瓦斯和瓦斯突出工区洞内的局部通风机和电气设备，必须与瓦斯监控系统进行风电、瓦电闭锁，当局部通风机停止运转时，应能立即自动切断局部通风机供风区段的一切电源。

为节约通风供电成本，可由专业技术人员对现场通风效果和瓦斯涌出状况进行检测，根据检测结果，对通风系统及时进行阶段性调整，但必须保证洞内瓦斯浓度不超限。

3.3 设备防爆改装

在隧道高瓦斯和瓦斯突出工区，电气设备和作业机械应使用防爆型。防爆型机械设备多用于煤矿工程，对于高速公路工程，配置煤矿专用机械设备使用率偏低，不够经济。因此，本工程针对瓦斯隧洞施工特殊要求，对常规非防爆型机械设备进行了防爆改装，对内燃施工机械设备加配了车载式甲烷断电(熄火)控制装置。该装置实时监测周围环境空气中的瓦斯浓度，当环境瓦斯浓度超过报警限值(0.3%CH4)时，发出声光报警；浓度超过断电上限(0.5%CH4)时，控制装置自动断电熄火；浓度降到安全限值(0.3%CH4)以下时，内燃施工机械设备方可再次启动。

为节省施工成本，在保证正常通风条件下，若洞内瓦斯浓度继续下降或保持相对稳定状态，非防爆的移动式机械设备也可进洞作业。

3.4 隧道爆破作业

隧道通过瓦斯段的开挖原则为：短进尺，弱爆破，强支护，勤监测，加强通风，快喷锚。本工程每次开挖进尺控制在2m以内，采用上、下微台阶开挖，台阶长度控制在5m内。

根据相关要求，瓦斯隧道爆破作业应采用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。煤矿许用炸药加入了食盐作消焰剂，能吸收热量，降低爆炸气体的温度，削弱瓦斯与氧的连续反应，安全性高。雷管总延时时间不超过130ms，使雷管延期小于瓦斯爆炸所需的感应期，以保证不会引燃、引爆瓦斯。

实施施工中反映：煤矿许用炸药爆力和猛度只相当于一般岩石铵锑炸药的80%，毫秒电雷管只能选用到5段，制约公路隧道大断面的施工进度。鉴于上述原因，隧道开挖进尺过程中，在瓦斯浓度为0.3%时，可不使用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。

3.5 揭煤防突及瓦斯排放

根据相关规定和实际施工经验，揭煤施工前应打超前钻孔和预测孔，探明煤层位置和瓦斯情况，进行煤与瓦斯突出危险性预测。超前探孔可兼做炮眼，节约成本，提高功效。

隧道开挖揭煤时宜采用台阶开挖。上导坑开挖时，掘进工作面至煤层20m远，应打至少3个穿透煤层全厚的超前钻孔，推测煤层是否有畸变。若发现地质构造变化复杂、岩体破碎，则在隧道开挖轮廓线外5m范围内布置一定数量的超前钻孔，确保能准确掌握煤层厚度、角度变化及瓦斯情况等。

突出预测采用钻屑指标法为主，钻孔瓦斯涌出初速度法为辅的方法。隧道采用上、下导坑法开挖，突出预测孔主要控制上、下导坑断面(预测孔直径φ50mm)。

当预测有突出危险时，必须采取具有针对性、便于实施的防突措施。防突采用多排钻孔排放或抽放。钻孔控制范围为：隧道轮廓外上方7m，左右两侧6m，底部3m。排放瓦斯顺序：上导坑打排放钻孔(坑底距煤层不小于5m)→排放瓦斯15d→揭煤穿过煤层→下导坑打超前钻孔及预测孔。当判定有突出性危险→由下导坑底顺煤层打扇形排放钻孔→排放瓦斯15d→下导坑揭煤穿过煤层。瓦斯排放时，所有洞内掘进施工应停止。

3.6 突泥、涌水及塌方预防

隧道通过岩溶水、地下水发育的软弱破碎围岩及断层地段工区时，应加强超前水文、地质探测预报，提前预知前方围岩地质情况，预测判断是否具有突泥、涌水可能，防止灾害事故的发生。设计有超前地质钻探预报方案时，按设计进行施工，设计无超前地质预报时，可采取超长钻孔，钻孔长度5m以上，以探知前方围岩地质情况。

超前探测有突泥、涌水可能时，现场应果断采取处理措施。施工中常采取“以引排为主，堵水为辅”的排水方案。可能有突泥、涌水洞段，可采用钻孔、小导坑方式进行应力释放；对危险程度较高地段，可采用设止浆墙封堵，迂回导坑通过等技术方案。

现场发现有突泥、涌水或塌方先兆且极其危险时，必须立即停止施工，立即组织人员、机械迅速撤离危险区域，紧急情况下必须优先组织人员撤离。