冯力夫
中国水电十五局 陕西 西安 710068
摘要：目前在我国西南山区隧道施工中遇到的高瓦斯隧道越来越多,施工过程中也经常出现瓦斯爆燃事故，对于瓦斯事故防治和风险管控的研究已刻不容缓。本文以成洛大道东延线高瓦斯隧道施工实践为例，探讨了瓦斯隧道进洞管理、通风管理、瓦斯监测、设备防爆改装、超前地质预报等安全控制措施，可为类似瓦斯隧道的安全管理提供参考和借鉴。
关键词：高瓦斯隧道；安全；管控措施
一、瓦斯危险分析
1、瓦斯特性：瓦斯无色无味，与空气的比重为0.554，易积聚在坑道的顶部，其具有爆炸性、渗透性、窒息性等特点；爆炸界限为5％～16％，当浓度为9.5％时爆炸威力最大；瓦斯浓度在低于5％或高于16％以上时，其失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。
2、瓦斯爆炸的三个条件：一定浓度的瓦斯、高温火源、充足的氧气，此三个条件缺一不可；在瓦斯隧道施工中瓦斯的涌出以及洞内氧气无法控制，所以重点只能管控火源。
3、瓦斯事故发生原因：瓦斯爆炸的主要原因是由于瓦斯积聚，通风不当导致而成。一方面爆破作业后，因爆破作业后瓦斯溢漏面急剧增大，洞内通风条件差，瓦斯浓度最易升高；另一方面是瓦斯有突然涌出现象等；以及电力线短路、防火不当以及车辆、机械设备保养不及时等原因产生火花而引起爆炸。
二、瓦斯隧道施工安全思路
瓦斯隧道属于高风险隧道，施工难度大、技术要求高、安全风险大。要保障瓦斯隧道施工安全，从管理角度讲必须做到：讲科学、循规章、抓通风、重监控、强基础；从具体施工组织上要做到“短进尺、强支护、勤监测、弱爆破、强通风、快喷锚”。即：1、加强瓦斯的检测（瓦斯自动监控系统与人工检测相结合，24h巡回检查各区段，确保监控全方位无死角）；2、加强通风管理（配置备用风机，并引入双回路电源24小时不间断通风）；3、爆破采用煤矿许用炸药和雷管（高瓦斯区段采用煤矿许用3#炸药，低瓦斯区段采用煤矿许用2#炸药，雷管采用非电毫秒电雷管）；4、施工设备的防爆改造（洞内施工的电器设备与作业机械使用安全防爆型，配置两路电源及双电源线路供电，电源线上不分接隧道以外的任何负荷）；5、加强地质超前预报（施工前以超前地质钻孔为主、TSP地震波法为辅的方法进行地质超前预报）；6、加强日常的安全管理工作（铁腕治安，落实各种制度及安检工作等）。
三、瓦斯隧道施工安全防治措施
瓦斯隧道安全施工的当务之急是对施工经验及技术加强总结和整理，尤其近几年我国西南山区隧道建设的迅速兴起，瓦斯隧道大幅增加，加强瓦斯隧道安全施工的研究已刻不容缓。针对目前瓦斯隧道施工过程中经常出现的瓦斯爆炸问题，建议采用以下措施来减少或杜绝该类事故的大量发生。
1、建立完善隧道瓦斯监测管理
防止瓦斯事故的主要措施之一就是瓦斯监测，为实时全方位监测瓦斯、避免瓦斯事故发生，在施工单位不具备监测资质的情况下须聘请第三方的专业瓦斯监控队伍，对洞内的瓦斯浓度和风机运行状况等进行实时监测；且能杜绝在瓦斯隧道施工过程中由于操作不规范，未按施工工艺施工，以及施工方为节约通风费用使风机长期处于关停状态，从而导致瓦斯聚集及爆燃事故的发生。因此建立完善具有风电闭锁、瓦电闭锁、瓦斯浓度超标自动报警功能的自动瓦斯监控系统，以及24小时人工监测系统是瓦斯隧道施工安全防治的重要措施。
（1）瓦斯监测三级管理：成洛大道东延线高瓦斯隧道瓦斯监测管理实行“三级”管理原则，第一级为业主单位委托的瓦斯安全技术咨询单位作为瓦斯综合管控主体（相当于瓦斯监测监理）；第二级为施工单位委托的具有专业资质的瓦斯监测机构作为现场瓦斯监测的主体；第三级为现场瓦斯监测小组，具体负责自动和人工瓦斯监控系统的运行。
（2）自动监测系统：成洛大道东延线高瓦斯隧道洞内有毒有害气体监测采用KJ90NA自动瓦斯监控系统，该系统具有连续检测、超限报警、自动控制、存贮等功能。各工区均在掌子面、二衬台车及回风巷等处挂设了风速、一氧化碳、硫化氢、甲烷声光报警器，有毒有害气体传感器连续监测各处的瓦斯浓度，当瓦斯浓度达到设定的报警点时，传感器和地面中心站同时自动发出声光报警；当瓦斯浓度达到设定的断电点时，传感器和地面中心站同时自动发出声光报警，同时通过KDG3K馈电断电器自动控制洞外的磁力开关实现洞内断电。
瓦斯监控系统的报警、断电、复电门依据相关规范对瓦斯浓度进行设置，本项目隧道瓦斯监控系统的报警、断电、复电门瓦斯浓度分别设置为：报警点0.5%、断电点0.8%、复电点0.3%。
（3）瓦电闭锁：瓦斯监测系统与洞内供电实现瓦电闭锁，即瓦斯断电仪与供电主开关间设有电气闭锁线路。在区域供电主开关处设置瓦斯断电仪，断电仪探头设在瓦斯易涌出、易积聚处，瓦斯超限发出声光报警，同时经断电仪控制，供电主开关迅速断电，瓦斯浓度未降到限值下，断电仪可控制开关不能合闸送电，从而保证施工和人身安全。
（4)人工检测：各工区配备专职瓦检员，瓦检员采用CJG10X型光干涉式数显甲烷测定器以及AZJ-2000型便携式甲烷报警仪，按照《公路瓦斯隧道施工技术规范》、《隧道瓦斯检测安全技术交底》要求对洞内有毒有害气体进行24h不间断全方位检测，并且瓦检人员每小时对作业面拱顶、拱腰、拱脚、仰拱中心等易积聚部位进行检测，并详实填写当班检测记录表。
项目管理人员及其他特殊工种人员如爆破员、班（组）长、电工、洞内用火作业人员等进入洞内时，其随身携带便携式甲烷检测报警仪随时对隧道内瓦斯进行抽检。
(5)传感器挂设：由于瓦斯比空气轻，容易积存在隧道的顶部，所以瓦斯传感器吊挂在隧道的顶部，距离拱顶20～30cm，距离掌子面不超过5m；二衬台车传感器距离二衬台车前方0～5m，传感器可挂在提前埋设的挂勾上，也可在二衬台车上安设支座用于吊挂传感器；一氧化碳与空气密度接近，一般吊挂在隧道的顶部；风速传感器吊挂在隧道的正中央，且回风地点传感器距离回风口10～20m的区域，以便检测到最大风速。
(6)传感器的移动及保护：掌子面及二衬台车前方传感器随掌子面及二衬台车的移动而跟随移动以保证合适的吊挂位置，掌子面起爆前将掌子面传感器后移一定的距离并加以保护，爆破后瓦检员及时将掌子面的传感器复位。监测系统的通讯电缆采用挂勾固定，并铺设平直，距离其他电缆间距离大于30cm。及时检修更换表皮破损的通讯电缆，通讯电缆连接处采用专用防爆接线盒进行连接。
2、监测数据的公示：现场瓦斯监测小组均通过在值班房外悬挂一台2*1.5m的LED显示屏实时刷新瓦斯浓度值等信息，在掌子面、二衬台车、人行通道口、车行通道口均挂设瓦斯检测小黑板，将左右两个洞内有害气体浓度检测值实时进行公布，确保各级管理人员和即将进入洞内作业的人员能够及时直观的了解到洞内有毒有害气体浓度值。
3、瓦斯隧道进洞管理
（1）登记：所有进洞人员必须经过安全知识培训后方能进入隧道，进洞时穿着防静电服装，凡是进洞人员严格执行进洞登记和检身制度，登记时必须认真填写其姓名、职务、工作内容、进出洞时间等信息。对临时进入隧道人员，由现场安全负责人经过洞内安全知识讲解后才可允许进入隧道。
（2)验身：隧道实行24小时全天候严格烟火的警戒管制，所有进洞人员严禁携带手机、火柴、打火机、钥匙串等火种和电子设备物品进洞，易燃品、手机等放在洞外储物柜，经洞口值班人员手持安检仪检查确认未携带烟火等物以及正确佩戴安全防护用品方可许可进洞。
(3)翻牌：所有进洞人员严格执行翻牌制度，员工牌上标注好时间和姓名等信息；翻牌时红牌为洞内作业，蓝牌为洞外；翻牌后进洞前要在防静电装置上吸附自身静电再行进洞。
4、瓦斯隧道通风管理
施工期间瓦斯隧道必须不间断通风，它是施工安全的重要保证前提，也是稀释瓦斯和排烟除尘的主要手段。加强瓦斯管理包括的工作是多方面的，如：爱护洞内通风设施，保证其完善控制；对于积聚瓦斯要及时处理；每班定点、定人、定时进行瓦斯检测，形成制度；坚持洞内瓦斯和风量观测工作，认真填写通风报表和记录牌；以及加强通风冲淡瓦斯浓度等。
（1）主通风机：瓦斯隧道安全管理关键在于通风，在隧道洞口20米外安设满足通风设计的压入式通风机，通风机按规定实现“三专”，即专用变压器、专用线路和专用开关，并安排专人管理；通风机运转后通过双抗风管（阻燃、抗静电）将新鲜空气送至洞内。
（2）备用风机：按照瓦斯隧道施工通风管理规定在洞口须配备备用风机，以确保主风机出现故障时能够24h不间断的往洞内送风。
（3）局扇：同时为防止瓦斯积聚，对塌腔、钢模台车（含作业台车）、大型设备、人行横洞等瓦斯易积聚处增设防爆型局扇，在一般段落采用射流风机卷吸升压以提高风速，从而解决回风流瓦斯的层流问题。
（4）风电闭锁：隧道通风与供电实行风电闭锁，即隧道风机、局部风机与开挖面动力设备主开关间设有电气闭锁线路。风机停止，则馈电开关立即断电，开挖面动力设备停止工作；风机启动时，其他动力设备不会同时启动，以保证施工和人身安全。
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（5）双路电源：通风机采用双电源供电，当主电源（系统电源）停止供电时，备用电源能在15分钟内启动风机，若备用电源供电期间，洞内停止一切可能产生火源的作业。
（6）通风维护：风机、供电系统由专职电工进行维护管理，以确保设备完好，运行可靠。风筒由通风工负责管理，保持风筒吊挂平直、双反边接头、逢环必挂，对风筒随时进行检查，发现风筒漏风、破口，能立即进行修补或更换，并要求其及时延伸风筒，保证风筒出口到掌子面的距离不得大于15m。
（7）通风管理：在施工期间实施连续风，严禁随意停开风机，因检修、停电等原因停风时，立即撤出人员，切断电源，并在各入口处设置警戒线、警示牌。恢复通风前，由瓦检员检查瓦斯浓度，当停风区中瓦斯浓度超过0.5%时，采取制定的排除瓦斯措施，回风系统内也停电撤人。经检查证实停风区中瓦斯浓度不超过0.5%时，人工恢复通风机供风的隧道洞中的一切电器设备。
5、瓦斯隧道电气设备防爆管理
成洛大道东延线高瓦斯隧道对洞内所有电线线路、配电箱、照明设施、接线处、开关等进行防爆改造，以达到对瓦斯隧道的全面安全管控。
（1）照明：洞内所有照明、电器设备线路等均采用防爆型，在已衬砌地段的固定照明灯具采用EXdII型防爆照明灯；开挖工作面附近固定照明灯具采用EXdI型矿用防爆照明灯；移动照明全部采用防爆矿灯。
（2）用电线路：洞内固定挂设的照明、通信、信号和控制用的电缆采用铠装防爆电缆，开挖面的电缆采用铜芯电缆；电缆与电缆之间、电气设备连接使用与电气设备的防爆性能相符合的防爆接线盒，且高压纸绝缘电缆接线盒内必须灌注绝缘充填物；电缆芯线使用齿形压线板或线鼻子与电气设备连接；达到本质安全。
（3）供电开关及配电箱等：洞内每台用电设备和线路均接自于防爆配电箱，每台用电设备均有各自专用的隔爆开关；现场用电配置两路电源，电源线上按要求不分接隧道以外的任何荷载；在洞内离地设置挂钩，挂于上方；供电线路无明接头，接头连接牢固、紧密不松散；同时对线路破损安排专人负责进行处理，达到最佳绝缘效果。
（4）用电安全电压：瓦斯隧道须安设照明综保，做到“三专”（专用变压器，专用防爆开关，专用防爆供电线路），以达到安全电压；隧道内各部的照明电压标准要求（开挖、支撑及衬砌作业地段为12~36V；成洞地段为110~220V；手提作业灯为12~36V）。
6、瓦斯隧道行走设备防爆改装管理
在高风险的高瓦斯长隧道施工中，普通机械设备不能满足瓦斯隧道作业安全需求，需对洞内所有行走设备（装载机、挖掘机、自卸车等）进行了防爆改装处理，以做到瓦斯超限时对油路、电路进行切断控制，防止了洞内施工机械摩擦火花和冲击热源等引起的瓦斯安全隐患。
洞内所有改装过的机械行走设备在瓦斯浓度达到0.3%时报警，达到0.5%时自动熄火，当通过措施使瓦斯浓度降到0.4%时报警停止，降到0.3%时可以打火启动机械，达到瓦斯隧道行走设备被动防御变为主动防御的目的。
7、瓦斯隧道爆破安全管控
瓦斯隧道爆破须严格按照《爆破安全规程GB6722-2011》及瓦斯隧道爆破施工管理规定等各项安全规章制度进行作业。 在现场爆破施工方面，在低瓦斯工区要求使用煤矿2#许用炸药，高瓦斯工区使用煤矿3#许用炸药；雷管使用煤矿许用毫秒延时电雷管，其总延时不允许超过130ms，炮眼封堵符合规范要求，并要求涉爆人员严格执行“一炮三检制（装药前、装药时、爆破后）”和“三人联锁放炮制（爆破员—班组长—瓦检员—爆破员）”。
爆破物品进入施工现场后立即按半径50m半径范围警戒，项目部1名技术员、1名安全员全程参与清点，做到帐物相符；警戒时要求各施工班组密切配合，共同做好爆破前的安全疏散及清场工作，确保爆破前5min所有人员和设备撤至安全区域；起爆时警戒范围应距离放炮地点200m以外，以避免飞碴伤人；起爆完成直到发出解除警戒信号后，警戒员再离开警戒岗位；爆破后30mi由瓦检员和爆破班组长进入爆破作业面，检查有无检查有无冒顶、危岩及支撑是否破坏、炮烟是否排除和瓦斯是否达标等，经确认无危险后，由现场负责人通知防护人员解除安全警戒，疏散人员，恢复正常程序。
8、瓦斯隧道超前钻孔
瓦斯隧道要严格按照开挖前“先探后掘”的原则进行超前水平钻孔瓦斯探测，超前水平钻孔每循环长度不小于30m，每次开挖25m，预留5m搭接长度，孔位置均匀分布于掌子面。采用检光干涉瓦斯检测仪和便携式瓦斯检测报警仪三班轮流跟班进行检测，对掌子面前方内天然气的压力、含量、围岩状况及地下水发育情况等进行探查，进一步确认瓦斯、天然气浓度、岩体破碎程度，以提前做好相关工作准备。
同时在钻爆过程中须严格遵循“一炮三检制”和“三人连锁爆破制”，采用煤矿许用爆破器材。洞内所用设备均为防爆型，照明电缆、灯具、手电也采用防爆型，使用瓦斯检测仪器、瓦斯断电仪器，定期检验，确保正常工作；制定应急救援预案，成立应急救护队伍，配备必需的救护设备，定期进行演练。
9、瓦斯隧道支护措施
保证瓦斯隧道顺利施工的关键之一就是保证隧道不出现塌方，瓦斯爆炸事故大都是由隧道塌方而引起瓦斯聚集并由火源诱发的结果。隧道施工过程中应严格按照“短进尺、弱爆破、强支护、勤监测、加强通风、快喷锚”的原则进行。隧道地质复杂，地下水丰富，掌子面地质变化快，应做好层理分析，准确放线，严格控制超欠挖，达到光爆效果。设计的IV级围岩地层以页岩为主，风化快，必须及时挂网喷锚。适时进行隧底开挖，施作仰拱、仰拱填充或底板，保证了距洞身开挖面不超过70米。为确保衬砌对围岩的支护效果，二次衬砌紧跟了初期支护施作。在二次衬砌中,施工要求混凝土表面模板缝纵向成线，横向成环，混凝土最终质量做到不渗不漏.
考虑到现场实际和成洛大道东延线高瓦斯隧道施工特点，二次衬砌采用了12m模板台车，泵送混凝土施工，该工法保证了混凝土质量，且工效高，成功地解决了二次衬砌混凝土施工问题；另外还通过配合比控制、改进捣固工艺、模板安装好后检查内侧平整度以减小错台、加强台车支撑刚度等办法来加强了混凝土内实外美的技术控制。
10、瓦斯隧道其它安全保证措施
（1）为确保掌子面和二衬作业人员遇到有毒有害气体突出、火灾等事故时及时自救，洞内二衬与掌子面作业区均配备足够数量的ZYX45型压缩氧自救器。
（2）委托专业资质单位在瓦斯隧道洞顶、水泥罐顶、临时火工品发放间、驻地宿舍等安设避雷装置；同时为防止雷电波沿金属风、水管线进入隧道内后引起瓦斯爆炸，进洞的其它风、水管线在沿进洞方向距洞口50米外进行了专业接地，以防雷电和静电传入洞内。
（3）严格执行特殊动火作业审批手续，隧道内确需电焊等动火作业的的，由动火单位提出申请，逐级填写动火作业审批单；瓦检单位对作业面进行瓦斯检测，经瓦检负责人及现场负责人同意后方可进行动火，动火过程中瓦检员全程旁站，并全程设置监管人和配备相应灭火器材。
（4）完善洞内人员定位监控系统，将芯片安装在管理人员和作业人员的安全帽上，通过数据传输到地面主机，在监控主机和室外LED显示屏上即可掌握进洞人员在某地点的分布情况、每个人员的活动路线等；
（5）为消除瓦斯隧道施工监控管控盲点，24小时掌握洞内施工情况，隧道各作业面均安设足够数量的高清晰摄像头，进行实时监控。
（6）为避免人员在爆破施工及瓦斯超限危险区域内停留，在洞口安设了爆破警戒警报器（警用闪灯），在洞内二衬台车处安设瓦斯超限警报器（大功率防空警报），以及确保作业人员能及时撤出到洞外安全地带。
四、结语
我国自“十一五”规划以来基础设施投入不断加大，西南山区修建了大量瓦斯隧道工程,瓦斯灾害事故也时有发生，成为了隧道工程建设的重大灾害之一，其中瓦斯事故的防治和风险管控就显得尤为重要。
因此，科学合理地组织施工，加强瓦斯检测和监控，配备先进的监测仪器和专业的瓦斯检测人员及防爆型施工设备，在施工前制定出严格的安全生产管理措施，对于保障工期，减少经济损失，预防瓦斯爆炸、瓦斯突发事故发生具有非常重要的意义。
参考文献：
[1]《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002），中国铁道出版社,2010版.
[2]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》，人民交通出版社,2011版.
[3]雷升祥，《瓦斯隧道施工技术与管理》，中国铁道出版社,2011版.
[4]张立坤，《隧道施工高瓦斯防止指南》，人民交通出版社,2011版.
论文作者:冯力夫
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/4
标签：瓦斯论文; 隧道论文; 洞内论文; 作业论文; 浓度论文; 人员论文; 风机论文; 《防护工程》2018年第25期论文;