铁路瓦斯隧道安全设计施工与管理

印有新

摘要：新时期铁路建设蓬勃发展，更多的高速铁路伸向偏远地区，线路经过含煤层地区，瓦斯隧道的数量也随之增加，施工难度方面的问题也会接踵而来。本文就对铁路瓦斯隧道的通风、用电的设计，以及瓦斯的施工方案与施工管理进行了分析，希望能为同行提供可借鉴的经验。

关键词：铁路瓦斯隧道 安全设计 施工方案 施工管理

中图分类号：U45 文献标识码：A

按照具体分类，瓦斯隧道可以分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道。在具体的隧道中又可以按区进行划分把隧道分为四个区段：非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区和瓦斯突出工区。在实际工作当中，对于非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区以及瓦斯突出区四个不同的区段有不同的判定标准。以判定标准作为依托，就可以及时地发现每个区段是否有异常情况，以便及时排查以消除隐患。目前区段级别的判定标准：第一，在低瓦斯区段是以瓦斯涌出量为判定标准的，而具体的瓦斯涌出量0.5 m3/min为界线，如果小于0.5 m3/min则属于低瓦斯工区；第二，高瓦斯工区也是以瓦斯涌出量为判定标准的，如果大于或等于0.5 m3/min则属于高瓦斯工区；第三，瓦斯突出工区判定的标准因素较多，以瓦斯压力、煤的坚固性系数、煤的破坏类型以及瓦斯放散初速度作为判定的标准。以下就根据瓦斯隧道的特点对其安全设计、施工与管理进行了分析。

1、瓦斯隧道的安全设计

1.1 通风设计

1.1.1 通风方式的选择

隧道通风方式有压入式、抽出式、混合式、巷道式。各种通风方式的优缺点如下所示。

压入式通风：优点是有效射程大，冲淡和排除气体效果强；污风不通过风机，可以采用柔性风筒；污风从隧道通过，可以一并带走其他杂质和烟尘，对改善工作面环境有利。缺点是长距离掘进需要风量大；回风污染整合巷道。

抽出式通风：优点是排烟效果好，需风量小；回风流不污染巷道。缺点是有效吸程短，风筒在钻爆法施工中容易击坏；污风流经过风机。

混合式通风：优点是适合大断面长距离隧道通风，有利于降尘；有利于机械化作业。缺点是管理复杂。

巷道式通风：优点是污风从另一条隧道流出，安全性好；隧道穿过突出煤层、瓦斯涌出严重的隧道一般采用此法。缺点是需要双巷条件；需要多作联络巷。

1.1.2 隧道施工风量计算原则

隧道施工中，工作面所需的风量与施工方法、施工作业的机械配条件关系很大。通风量计算的目的是为了正确选择通风设备和设计通风系统提供依据。以下以一段隧道施工为例其施工量进行计算。

（1）按洞内最小允许风速计算：

Q风=60×S×V小=60×143.43×0.3m/s=2582m3/min。

式中：

S——隧道最大断面，㎡；

V小——最小允许风速，m/s；

（2）按洞内同时时间最多人数计算：

Q人=4KN=4×1.25×50=250 m3/min。

式中：

K——备用系数

N——洞内同一时间最多人数。

（3）按瓦斯涌出量计算：

Q瓦=100×qCH4/（Bg-Bg0）=100×10/(0.5-0)=2000 m3/min.

式中：

Q瓦——按瓦斯涌出量计算所需风量，m3/min；

qCH4——实际瓦斯涌出量，按实际情况取10 m3/min；

Bg——工作面允许瓦斯浓度，取0.5%；

Bg0——送入风中瓦斯浓度，取0；

（4）按稀释和排炮烟所需风量计算：

Q炮=7.8×{A×（S×L）2}1/3/t=7.8×{120×（80×1840）2}1/3/40=2681 m3/min。

式中：

Q炮——按稀释和排炮烟计算所需风量，m3/min；

A——一次爆破所用最大装药量，根据爆破设计取120kg，瓦斯工区减少开挖面积考虑半断面开挖。

S——隧道断面，最大按143.34㎡，平均按照80（衬砌后净空约为70）

L——最长通风距离，共1840m，

t——放炮后通风时间，取40min。

（5）按同时起爆炸药量计算

Q=5Ab/t=5×120×40/30=800 m3/min

式中：

Q——同时起爆炸药量计算所需风量，m3/min；

b——稀释每Kg炸药起爆时产生的CO所需风量，m3/min。

根据以上计算结果，取允许最小通风量为2681 m3/min。

风速验算：

未进行二次衬砌段V=Q风/S=2681/143.34=27.5m/min=0.31m/s。

已进行二次衬砌段V=Q风/S=2681/70=56.21m/min=0.64m/s。

1.1.3通风系统和通风设备的选择

（1）风筒直径的确定

考虑减少通风阻力以及风筒的内压承受能力，取风筒风速1600m/min，以下以设置一套风机为例，取风筒的直径为：

D=2{Q风/（3.14×V）}1/2=1.46m

式中：

D——设计风筒直径，m；

Q风——设计通风量，2681 m3/min；

V——设计风筒内风速，m/min。

取风筒直径为1.5m，实际风筒内风速为2518m/min。

（2）通风阻力计算

①风筒内摩擦阻力

h摩=aLUQ2/S2=3379Pa

式中：

a——摩擦阻力系数，Kg/m3；

L——风筒长度，m；

U——风筒周长，m；

Q——设计风量，m3/s；

S——风筒截面积，㎡。

②隧道通风阻力

h摩=aLUQ2/S2=3.91Pa

③局部阻力

考虑风筒穿过二次衬砌台车、运渣车辆等因素，局部阻力按总摩擦阻力的5%计算。

④通风最困难时通风总阻力为：

h总=1.05 h摩=3552Pa

通过上述计算，可根据计算结果选取合适的风机与风筒。

1.2 施工用电安全设计

1.2.1 电缆线路安全规定

（1） 瓦斯工区内高压电缆的选用应符合下列规定：

①固定敷设的电缆根据作业环境条件选用；

②移动变电站采用监视型屏蔽橡套电缆；

③电缆采用铜芯。

（2）瓦斯工区内低压动力电缆的选用应符合下列规定：

①固定敷设的电缆采用铠装铅包装纸绝缘电缆、铠装聚氯乙烯电缆或不延燃橡套电缆；

②移动式或手持式电气设备的电缆，采用专用的不延燃橡套电缆；

③开挖面的电缆必须采用铜芯。

（3）电缆的敷设应符合下列规定：

①电缆悬挂。悬挂点间的距离不大于3m。

②电缆不能与风、水管敷设在同一侧，当受条件限制需敷设在同一侧时，必须敷设在管子的上方，其间距大于0.3m。

③高、低压电力电缆敷设在同一侧时，其间距大于0.1m。高压与高压、低压与低压电缆间的距离不小于0.05m。

（4）电缆连接应符合下列要求：

①电缆与电气设备连接，必须使用与电气设备的防爆性能相符合的接线盒。电缆芯线必须使用齿形压线板或线鼻子与电气设备连接。

②在高瓦斯工区和瓦斯突出工区，电缆之间若采用接线盒连接时，其接线盒必须是防爆型的。高压纸绝缘电缆接线盒内必须灌注绝缘充填物。

1.2.2 配电条的安全设计

（1）总配电屏设在配电房内，分配电箱安装在用电设备或负荷相对集中的地方。分配电箱与开关箱的距离不得超过30米，开关箱与其控制的固定用电设备的水平距离不宜超过3米。

（2）配电箱、开关箱周围应有足够二人同时工作的空间和通道，不得堆放任何妨碍操作、维修的物品。

（3）配电箱、开关箱应采用优质绝缘材料制作，安装应端正牢固，箱底面与地面的距离在1.2～1.5米之间。

（4）箱内工作零线应通过接线端子板连接，并应与保护零线接线端子分设，箱体的金属外壳应做保护接零，保护零线必须通过接线端子连接。

（5）配电箱、开关箱必须防雨、防尘。导线的进线口和出线口应设在箱体的下底面，并要求上部为电源端，严禁设在箱体的上顶面、侧面、后面或箱门处。进出线就回护套分路成束并做防水弯，导线束不得与箱体进出口直接接触。

1.2.3 接地了防雷设计

（1）在施工现场专用的中性点直接接地的电力线路中，必须采用接零保护，电气设备的金属外壳必须与专用保护零线连接。

（2）保护接零不得装设开关或熔断器，保护零线应单独设置，不作他用。

（3）保护零线统一标志为绿/黄双色，在任何情况下不得使用绿/黄双色作为负荷线。

（4）施工现场的用电设备，处于经过现场上空高压架空电力线的屏蔽范围内，不单独设避雷装置。若出现用电设备在该屏蔽范围之外，应安装避雷设施。避雷针长度为1～2米，可用φ16圆钢端部磨尖。

2 瓦斯隧道施工方案

2.1 隧道穿越含煤层层位探测

煤层层位探测方法可与超前探测结合。如果隧道所处区域含煤性较差，基本不含真厚度0.5m以上的可采煤层。当隧道超前预探到煤层且煤层厚度（含局部）大于等于0.3m时，则该煤层视为具有煤与瓦斯突出危险，揭开煤层按照揭穿突出煤层施工要求。如果煤层厚度小于0.3m，则保直接采取振动爆破揭开煤层。

打钻过程中出现顶钻、夹钻、卡钻、喷孔等瓦斯动力现象，或煤层赋存条件急剧变化、构造破坏带，或有明显突出危险预兆，视为揭穿突出煤层。

2.2 隧道开挖及初支施工方案

隧道通过煤层瓦斯的原则：短进尺，弱爆破，强支护，勤监测，加强通风，快喷锚。

2.2.1 短进尺

隧道通过煤层地区，因煤层有瓦斯溢出，围岩软弱，应力较大。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。保证每次开挖面积小，瓦斯溢出量不大，开挖轮廓能够迅速得到支护。

2.2.2 强支护

在可能的情况下，尽量将支护加强。或者加强初期支护，或者加强二次衬砌，形成“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。

2.2.3 勤检测

采用“双保险”监测措施。即建立遥控自动化监测系统与人工现场监测相结合。

2.2.4 弱爆破

采用低爆力部分露煤震动放炮方案。施工期间，保证连续通风，在特殊情况下停风时，同时停止工作，撤出人员，切断一切电源，恢复通风前首先检查瓦斯深度。

2.2.5 快喷锚

由于煤层软弱松散，爆破后往往产生坍塌冒顶，因此必须设置超前支护。超前支护采用φ42注浆小导管，爆破过后，待允许进洞时，立即站在碴堆上施工初喷混凝土，系统锚杆采用药卷锚杆。

过煤段的支护施工程序：导管超前→预注浆→开挖（揭煤）→初喷混凝土→挂网→设钢架→系统锚杆→复喷混凝土到设计厚度→围岩监控量测→二次衬砌→封闭瓦斯。在软弱破碎岩层或煤层中掘进，采用超前支护及预注浆，防止崩塌引起突出。爆破后及时喷锚支护，及时封闭瓦斯。

2.3 初期支护及二次衬砌防瓦斯措施

（1）过煤段的支护施工程序：导管超前→预注浆→开挖（揭煤→）初喷混凝土→挂网→设格栅钢架→系统锚杆→复喷混凝土到设计厚→度围岩监控量测→二次衬砌→封闭瓦斯。在软弱破碎层或煤层中掘进，采用超前支护或预注浆，防止崩塌引起突出。爆破后及时喷锚支护，及时封闭瓦斯。

（2）对开挖的隧道分段及时进行二次衬砌，混凝土采用气密性混凝土，达到防止泄漏的目的。瓦斯隧道的衬砌结构有防瓦斯措施，其措施严格按照设计及规范要求执行。确定防瓦斯处理范围时，瓦斯较重、等级较高地段向瓦斯较轻、等级较低地段适当延长。仰拱与隧道边墙同步施工，保证拱、墙、仰拱初期支护和二次衬砌形成闭合整体。

（3）含瓦斯地段的喷射混凝土厚度不小于15cm，砌筑混凝土衬砌厚度不小于40cm。

（4）外挂封闭防瓦斯地段有地下水时，采取在左右边墙下部外侧铺设纵向透水管，将地下水引离含瓦斯地段的排水措施。透水管终点设置气水分离装置，分离出的瓦斯气体可用管道引出洞外在高处放散。

（5）从隧道内引出瓦斯的金属管，其上端管口距地面不小于10m，并妥善接地，防止雷击。瓦斯放空管的接地电阻不得大于5Ω，其周围20m内禁止有明火火源及易燃易爆物品。

（6）当隧道内含瓦斯地段较长且初始瓦斯压力大于0.74MPa时，在衬砌背后预埋通向大气的降压管；煤系地层设防段的二次模注衬砌措施预留注浆孔，衬砌完成后及时注浆，充填空隙以封闭瓦斯。

3 瓦斯隧道的施工管理

3.1 健全管理制度

隧道瓦斯管理制度的主要内容包括：健全专业机构，配中检查人员，定期培训和不断提高专业人员技术素质的规定，各级领导和检查人员（包括瓦斯检查员）区域分工巡回检查汇报制度、交接班制度，项目经理、总工程师抽检瓦斯日报的规定，塌方区有关瓦斯管理的规定，爆破与隧道贯通时的瓦斯管理规定，隧道瓦斯排放的有关规定有瓦斯监控装备的使用、管理的有关规定；隧道瓦斯抽放、防止煤与瓦斯突出的规定、进洞管理制度（进洞等级及挂牌、翻牌制度）。

3.2 塌方区的瓦斯管理

塌方区是保存大量高浓度瓦斯的主要场所，将作为隧道瓦斯管理工作的重点工作严格管理。

（1）在隧道施工中尽量避免出现任何形式的塌方。如发生塌方，及时进行充填。施工时进行瓦斯检测，如果瓦斯超限，需制定专项措施进行瓦斯排放，将瓦斯浓度降到规定值以下后才能进行坍腔处治。

（2）隧道保持24小时连续通风，如因临时停电或其他原因，局部通风停止运转，要立即切断隧道内一切电气设备的电源（安设风电闭锁装置可自动断电）和撤出所有人员，要在隧道口设置栅栏，并挂有明显警标，严禁人员入内。

结束语：综上所述，在进行铁路瓦斯隧道施工前，一定要根据其特点进行科学合理的安全设计，并做好施工方案与施工管理，通过这种方式来确保施工工程的安全性和可靠性。

参考文献：

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[2]魏二剑 文坤 瓦斯隧道施工安全控制措施探讨 铁道建筑 2013（01）.

[3]余红军 王维高 万德才 高瓦斯隧道施工安全风险控制措施 现代隧道技术 2013（04）.