徐家湾隧道瓦斯形成机理及施工对策

石 磊

(中铁七局巴达铁路工程指挥部，四川平昌 636400)

隧道工程瓦斯灾害因其发生的突发性及分散性，危害极大，近年来已受到更大关注。一般来说，隧道内发生瓦斯灾害几率很小，但是一旦发生瓦斯爆炸或瓦斯突出灾害，后果将十分严重。国内曾发生过严重的隧道瓦斯爆炸事故(表1)，造成巨大人员伤亡［1-2］。非煤系地层区瓦斯涌出具有随机性、分布不均匀性的特点，修建隧道时如果对瓦斯没有充分的认识和准备，瓦斯灾害危害性更大，因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。

表1 国内外隧道重大瓦斯事故

1 工程简介

巴(巴中)至达(达州)铁路徐家湾隧道位于四川省平昌县境内，中心里程DK58+157，隧道全长4 652 m，最大埋深248 m。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。

依据西南石油大学提供的《广元至达州线巴中至达州段隧道钻孔浅层天然气检测研究报告》，钻孔测试结果显示有天然气溢出，单孔(钻孔直径130 mm)天然气最高浓度15 820 ppm，钻孔天然气流量 400×10-6m3/min，天然气最大涌出量0.6 m3/min，确定为高瓦斯隧道。隧道设计高瓦斯区段长3 300 m，处于隧道中部，其余地段为低瓦斯区段。

2 瓦斯形成机理分析

综合分析设计提供地质资料，徐家湾隧道是由于浅层天然气沿地层的岩体裂隙上逸进入隧道。天然气来源于隧道下方2 800 m的三叠系上统须家河煤系地层，其随着地质历史发展向上运移，在侏罗系上统蓬莱镇组地层局部储存封闭或孤立残留于岩石裂隙中，形成以裂隙型游离瓦斯为主的天然气。其特点是压力低、流量小而稳定、分布不均匀，涌出的随机性较强，瓦斯储存量主要受与储气层相同且圈闭条件好的张裂隙或有裂隙发育的砂岩透镜体的分布控制。在隧道开挖过程中，当遇有孔隙率大的厚层砂岩，裂隙网络系统发育，并储存有大量天然气，隧道开挖将造成瓦斯泄漏;部分封盖圈闭条件好的地段，由于有延伸长远的大裂隙与储气层连通，一旦封盖被挖开，即可能发生瓦斯(天然气)喷出现象［3-4］。

在隧道正洞出口施工中，先后发现3处有数条裂隙涌出瓦斯，手捂裂隙有气感，经检测瓦斯浓度达0.5%～2%，出现隧道内风流中断时瓦斯浓度超限的情况。经测定，开挖面瓦斯绝对涌出量平均值为0.56 m3/min，瓦斯压力为0.02～0.12 MPa，围岩坚固系数f＞4，瓦斯放散初速度极慢，吸附性极小，不具备瓦斯突出的条件。

3 施工对策

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，瓦斯燃烧和爆炸瓦斯爆炸必须具备3个条件:一定浓度的甲烷、一定温度的引火源和足够的氧气。施工对策的制定就是从这3个条件出发，徐家湾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为隧道正洞在开挖前采用超前水平钻孔对前方地质进行探测验证。

超前钻探可实现:

(1)对前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育其情况探测;

(2)对前方岩体瓦斯赋存及瓦斯压力探测;

(3)对瓦斯涌出预测及涌出初速度测试［5-6］。

超前地质钻孔采用φ89 mm多功能轻型钻机水平钻孔进行探测验证，每25 m一循环，孔身长度为30 m，搭接长度不小于5 m，隧道正洞每个断面设置5个探测孔如图1所示。每个循环工序做好钻孔记录、地质素描和影像资料。同时在钻孔过程中对孔腔内及隧道掌子面作业区瓦斯浓度进行实时检测，通过分析，为后续确定施工作业对策提高参考。

图1 隧道超前探孔布置示意(单位:m)

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［7］。

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1 200 m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1.5 m。风管利用φ1 500 mm钢筒通过衬砌模板台车。全隧风机、风管配置见表2。

表2 风机、风管配置数量表(单口)

3.2.2 通风管理

(1)施工过程中，成立专门的通风班组负责通风设备的安装、使用、维修、维护工作。每天进行巡检，并做好风机运行记录，保证管路顺直，无死弯、漏洞［8］。

(2)建立瓦斯通风监控体系，测定风速、风量等参数。风机的停运，关开、变速由监控中心专人负责调度指挥，并且做好相应的记录并签认后备查。当移动模板台车时，风机采取低档位供风，以保证供风的连续性。

(3)隧道回风风速按0.25 m/s设计，为防止瓦斯积聚，对塌腔、模板台车、加宽段、避车洞等部位增加局扇进行解决，对于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。

3.3 瓦斯检测、监控体系

为确保检测数据的真实性和可靠性，采用了互补互验型检测和监控系统，避免了单一检测手段的不足，降低了施工风险。整套瓦斯检测、监控体系由KJ90自动监控系统、CJG10型光干涉瓦斯检测仪和 AZJ-2000型便携式甲烷检测报警仪3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。AZJ-2000型便携式甲烷检测报警仪测量瓦斯浓度误差为真值的±10%。该仪器不需经专业培训即可使用，具有超限报警功能，主要是管理人员、领工员使用。

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。

3.3.3 检测频率

现场瓦检员按每次上下班和工作期间1次/h用CJG10X型光干涉瓦斯检测仪检测;管理人员上下班和工作期间1次/2h用AZJ-2000型便携式甲烷检测报警仪进行检测;自动瓦检系统24 h全过程实施监控。作业区内瓦斯浓度的含量在0.4%以下正常施工;在浓度达到0.4%以上时增加检查频率，并采取有效措施保证施工安全。

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［9］。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［10］。

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5～8 min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，未发生因瓦斯超限造成人身伤亡和设备损坏事故。单口月成洞进尺达到了126 m/月，说明治理措施是有效的。

5 结语

(1)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。

(2)隧道掘进掌子面的超前钻探可以切实发挥提前预判的作用，为后续采取合理应对措施提供第一手资料，施工中必须纳入作业工序管理并认真对待。

(3)施工过程中瓦斯浓度的全过程、全方位检测是安全作业的前提，必须成立专门的检测管理机构，制定详细的瓦斯检测方案，将其纳入工序管理，保证检测数据的连续性、真实性。同时应按规定按期对仪器进行检查校正，以保证检测数据的可靠度。

(4)施工通风是最关键、最主动的应对措施。在通风系统设计计算通风量时，不能忽视最低风速0.25 m/s的要求，此值是影响总通风量的主要因素。有效、稳定和连续的通风，能保证及时稀释和排出洞内瓦斯及其他有害气体，使洞内各处瓦斯浓度符合要求。为使通风发挥应有的作用，必须建立严格的施工通风管理制度，且落实在隧道施工作业过程中。

［1］康小兵，许模.我国瓦斯隧道建设现状综述［J］.人民长江，2011，42(3):30-33.

［2］康小兵，许模，丁睿.隧道瓦斯灾害危险性评价初探［J］.铁道工程学报，2010(5):39-42.

［3］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.

［4］卞国忠.炮台山隧道天然气的地质条件［J］.科学技术通讯，1995(1):1-4.

［5］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.

［6］TB10121—2007 铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［7］丁睿.瓦斯隧道建设关键技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［8］冀夏芳.浅谈图山寺高瓦斯隧道通风管理［J］.科技资讯，2011(9):36-37.

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

［10］周校光.云台山隧道瓦斯隧道施工设备配置方案探讨［J］.岩土工程界，2003(7):72-74.