黄草隧道高瓦斯施工通风及风险防控应用研究

汪跃飞

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000）

1 前言

经过几十年来中国铁路人的辛勤建设，中国铁路建设取得了举世瞩目的成绩，但中国铁路发展历程较长，各个发展阶段建设规划不同，标准不同，许多既有运营铁路已不能适应时代的发展，需要进行提升改造，加之中国铁路体量大，老旧线路多，需要进行复线修建和改造的铁路工程也会越来越多，如何在复线修建或者提升改造中既保证营业线运营安全，又满足施工安全和效率，具有很大的研究和实用价值。本文以新建渝怀二线铁路黄草页岩气高瓦斯隧道在确保瓦斯安全的前提下，进行科学合理的通风设计，以及有针对性的通风管理和瓦斯监测，来确保二线隧道施工安全的成功案例，对复线页岩气高瓦斯隧道通风等技术进行深入的分析和总结，为类似隧道施工提供借鉴经验。

2 工程概况

新建黄草二线隧道位于重庆武隆县黄草乡境内和彭水县高谷镇境内，位于既有渝怀线右侧，两线线间距5～122 m。隧道最大埋深约为736 m，起讫里程YDK204+045 ～YDK211+176，全长7 131 m，为Ⅰ级高风险瓦斯隧道。隧道采用“新建进口斜井+新建出口平导”的辅助坑道施工方案。进口新建无轨单车道斜井长658 m，最大纵坡11.5%。出口新建无轨单车道平导，长2 000 m。

黄草隧道平面如图1 所示。

图1 黄草隧道平面示意图

3 隧道地质及瓦斯

3.1 隧道地质

隧区覆盖为第四系全新统填土层（Q4ml）粉质黏土，弃土层（Q4q）碎石土，残坡积（Q4dl+el）粉质黏土、粗角砾土，崩积层（Q4col）块石土。下伏志留系下统罗惹坪组（S1lr）之页岩、小河坝组（S1x）砂岩夹页岩、龙马溪组（S1l）页岩夹砂岩。区内节理较发育，岩体多被切割成块状，主要为两组陡倾的X 形构造剪节理。

3.2 隧道瓦斯

根据地质勘察和既有黄草隧道施工揭示，隧道穿越的地层含页岩夹炭质页岩等，岩芯中见微生物，轻微染手，地层本身具备生烃能力，为页岩气。进口斜井工区绝对瓦斯涌出量为1.416 m3/min，隧道为高瓦斯隧道，进口斜井为高瓦斯工区，瓦斯风险极高。

4 隧道瓦斯特点

4.1 页岩气产气机理及特点

页岩气赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，存在方式主要是吸附和游离状态，成分以甲烷为主，与深盆气、煤层气一样都属于“持续式”聚集的非常规天然气。天然气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，但在隧道施工中危害极大，一旦处理不慎，将会引起瓦斯爆炸，造成人员伤亡、财产损失等重大事故。

页岩气产气层岩性多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩和高碳泥页岩类，组成一般包括粘土矿物、粉砂质（石英颗粒）和有机质。正是由于页岩具有这样的特性，页岩中的天然气具有多种存在方式，主要有游离态（孔隙和裂缝）、吸附态（黏土矿物、有机质、干酪根颗粒及孔隙表面上）2 种形式。根据美国页岩气研究成果，吸附态存在的天然气占天然气赋存总量的20%以上。

页岩气成因有两种途径：热裂解成因气和生物成因气。热裂解成因气是由岩体中干酪根分解成气体和沥青，沥青分解成油和气体（初次裂解），油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物（二次裂解）。生物成因气一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体，也有气藏经后期改造而成的生物气。

大部分产页岩气分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。这些特点增大了隧道瓦斯风险，对隧道瓦斯管理提出了更高的风险防控要求。中国页岩气资源丰富，川渝黔鄂为页岩气主要蕴藏区。2009 年，在黄草隧道隧址区彭水钻探的第一口页岩气战略调查井——渝页1 井见到良好的页岩气显示，对渝页1 井的后期实验分析结果也表明，渝东南地区地质条件复杂的高陡构造带具有良好的页岩气成藏地质条件。

4.2 黄草隧道通风特点和难点

由图1 可知，黄草隧道分为出口平导和进口斜井两个工点，出口平导通风相对简单，前期采用压入式通风，出口与平导贯通后采用巷道式通风和压入式通风都实现了顺畅的隧道通风，出口工区与既有线不连通对既有线瓦斯安全不造成影响。另外出口平导和正洞均在直线上，风损小，且交叉口其向进口掘进长度仅1 400 m，可以形成良好的进出风通道，通风压力相对不大。

进口斜井工区通风相对较为复杂，本文也将以进口斜井工区为主要研究对象。进口斜井通风有两个阶段：第一阶段是与进口预留段贯通前，只能依靠斜井压入式通风；第二个阶段为斜井与进口预留段贯通后，既有线与新建二线连通后的通风阶段。

黄草隧道进口通风难点和需要解决的问题如下：①通风距离长，最长通风长度约2 700 m；②通风条件差，斜井弯道大，坡度陡对通风和瓦斯排放不利；③对既有线影响大，进口斜井在第二阶段与既有线连通，瓦斯对既有线安全威胁大；④隧道断面狭小，通风和瓦斯排出不利；⑤页岩气瓦斯产气稳定，对隧道安全威胁不仅在开挖、支护时，在二衬施作后威胁依然存在，对隧道通风和瓦斯管理提出了更高的要求。

针对以上特点和难点，如何在不影响既有线安全的前提下，对高瓦斯隧道进行长距离足量通风、瓦斯监测是施工中迫切需要解决的问题。

5 黄草隧道通风设计和管理

5.1 主要思路和需要解决的问题

在第一阶段，利用斜井对工作面进行压入式通风。

在第二阶段，利用既有线对二线正洞进行压入式通风，回流污风和瓦斯从斜井排出。第二阶段需要解决的问题一是如何得知既有线来源空气中是否含有瓦斯，二是如何让回流风全部从斜井排出，不影响既有线。前者可提前对一线隧道中的空气进行较长时间的瓦斯监测，确定是否适合供风；后者可以通过断风门对回风进行控制。

5.2 通风设计

5．2．1 风机位置设置

黄草二线隧道进口斜井往小里程进口方向贯通后，在YDK204+943 处设置风机，利用既有线路进风，同时在新建黄草隧道二线YDK204+983、YDK204+963 处各设置一组隔断风门（风门采用厚度1 m 砖砌墙），使作业面污风由新建回风斜井集中排出，为增大污风排出速度减小瓦斯积聚，局部设置防爆射流风机或者局扇。斜井洞口原有风机为备用风机。

5．2．2 风量计算

主要从以下4 个方面予以考虑：①按洞内最多工作人员数所需的新鲜空气Q1；②按在规定时间内，稀释一次性爆破使用最多炸药量所产生的有害气体到允许的浓度所需风量Q2；③根据不同的施工方法，按坑道内规定的最小风速，所需风量Q3；④当隧道内采用内燃机械施工按内燃设备的总功率（kW），所需风量Q4。

根据经验，人员所需的新鲜空气Q1和稀释一次性爆破使用最多炸药量所产生的有害气体所需的新鲜空气Q2均较小，因此本文不再对Q1、Q2进行计算。

按坑道内规定的最小风速计算Q3：Q3=60·V·S=60×0.5×52=1 560 m3/min，其中，60 为分钟和秒的换算常数；V是根据TB 10120—2019《铁路瓦斯隧道施工技术规范》的相关规定，瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的最小风速1 m/s，本方案施工通风按不能形成瓦斯层流的最低风速计算取值0.5 m/s；S为最大断面面积，52 m2。

按稀释内燃设备总功率计算Q4：考虑在洞内同时有1台LG50 型装载机（158 kW）、1 台神钢SK-180 型挖掘机（150 kW）和2 辆20T 自卸车（440 kW）作业，总功率748 kW，取设备的平均利用率65%，按隧规1 kW 需供风量不小于 3 m3/min，算得Q4=748×0.65×3=1 458.6 m3/min，因此，设备供风能力取Qmax=Q3=1 560 m3/min。

对于长大隧道，管道的漏风现象造成入口处与出口处的风量差别很大，按百米漏风率（取β=1.2%）计算洞口风机风量：隧道通风总长度为2 700 m，（1-1.2%）2 700/100=2 162 m3/min。

5．2．3 风压计算

根据隧道断面、施工经验以及目前常用性能稳定的风机选定通风管直径，风管直径采用1.5 m。

通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h＞h阻，按下式计算：

h阻=∑h动+∑h沿+∑h局=50 Pa+4 232.1 Pa+423.2 Pa=4 705.3 Pa

其中，管口动压一般可考虑h动=50 Pa。

沿程压力损失计算公式为：h沿=α·L·U·P·Qmax2·g/S3=4 232.1 Pa。其中，α为风管摩擦阻力系数，取 2×10-4kg·s2/m3；L为风管长度，取2700 m；U为风管周边长，π·D=4.71 m；P为漏风系数，P=1/（1-β）L/100=1.38，β=1.2%；Qmax为计算掌子面所需风量，1 560 m3/min 折合成26 m3/s；g 为重力加速度，取9.8 N/kg；S为风管截面积，π·D2/4=1.767 m2，D为风管直径，1.5 m。

局部压力损失按沿程压力损失的10%进行估算：h局=h沿×10%=423.2 Pa。

5．2．4 设备选型

根据以上计算所需风量，选取Q机=2 162 m3/min，风压h阻=4 705.3 Pa，考虑20%富余量，配置风机供风量需达到 2 162×1.2=2 594 m3/min，风压需达到 4 705.3 Pa×1.2=5 646 Pa。

通过以上通风风量计算可得，因通风距离过长，风压要求较高，因此选择在既有平导起点安设1 台SDF（C）-№13（2×132 kW，高效风量2 691 m3/min，全压930～5 920 Pa）压入式防爆型对旋轴流风机供应正洞大里程施工用风需要，风管直径1.5 m，能满足通风要求。

取最大供风风量2 691 m3/min 进行反算，采用52 m2断面进行验算，最大风速为2 691/60/52=0.76 m/s＞0.5 m/s，但小于规范要求“防止瓦斯积聚风速不宜小于1 m/s”。因此，为减小瓦斯积聚，在开挖台架、防水板台架、衬砌台车上等瓦斯易于积聚处分别安设2 台2.2 kW 辅助防爆局扇。隔风门和主风机如图2 所示，局扇如图3 所示。

图2 隔风门和主风机

图3 局扇

6 通风管理、瓦斯监测等风险防控对策

瓦斯隧道施工中，在合理进行通风设计的前提下，足量不间断通风管理是隧道瓦斯安全的重要保证。而瓦斯监测不仅是对工作面、瓦斯易积聚处瓦斯浓度进行监测，还是对通风是否满足要求，瓦斯是否被排出洞外的有效印证。

根据Q/CR 9247—2016《铁路隧道工程风险管理技术规范》，针对施工阶段的风险因素，对通风管理、瓦斯监测制订了针对性的风险防控对策。

6.1 通风管理

要建立现场严格的通风制度，不足量供风，严禁洞内作业；建立专业班组管理通风，定期检查维护通风系统和通风设备，配置风管修补、升降车等专用设备，提高维护和抢修能力；项目部指派专人进行通风质量监测，领导班子不定期检查通风质量和通风效果，确保合理和足量供风；建立考核制度，供风和计价挂钩，对违规停风进行处罚，对通风落实到位的进行奖励。

6.2 瓦斯监测

页岩气黄草高瓦斯隧道主要采用人工监测和KJ101 自动监测系统进行监测，与一般高瓦斯隧道监测基本一致。不仅应当监测围岩揭露时的瓦斯浓度，还应特别注意两点：①应加强成洞地段特别是开挖时瓦斯溢出量较大洞段的瓦斯监测；②加强对斜井洞口回风瓦斯的监测和统计，判断瓦斯是否随回风排出，也可对隧道瓦斯总溢出量进行计算。另外，运用风电闭锁、瓦电闭锁手段等自动化手段保证瓦斯隧道的施工安全。

7 应用效果

从施工现场来看，黄草二线页岩气高瓦斯隧道的通风设计合理，通风管理、瓦斯监测工作到位，一是风量充足达到了对页岩气瓦斯的充分稀释，达到安全施工的目的；二是回风路径设计合理，既不影响营业线行车，又满足了瓦斯排放需求。黄草高瓦斯隧道于2016-04 开工，2020-10 安全顺利贯通。通风效果如图4 所示，隧道安全贯通如图5 所示。

图4 通风效果

图5 隧道安全贯通

8 结语

渝怀二线黄草高瓦斯隧道瓦斯来源为页岩气，与煤系和非煤系瓦斯隧道相比，其特点是不仅在揭露时瓦斯释放量较大，且由于页岩瓦斯产气稳定，在初期支护和二次衬砌施工后都有瓦斯溢出，即瓦斯补给相对稳定，这对隧道施工通风、瓦斯监测提出了更高的风险防控要求。瓦斯隧道通风最重要的目的就是稀释瓦斯，排出瓦斯。加之黄草二线高瓦斯隧道与既有一线隧道连通，对隧道瓦斯管理更是提出了更高的要求。从黄草隧道施工揭示来看，2016 年开挖至今，高瓦斯洞段顶钻以及局部瓦斯产气点持续逸出瓦斯较好地证实了页岩气瓦斯稳定产气和局部瓦斯溢出量大的特点。黄草隧道进行了合理的通风设计和瓦斯管理，规划好瓦斯排出路径，并足量不间断通风达到了稀释和排出瓦斯的两个瓦斯隧道施工的关键，确保了隧道的瓦斯安全。中国幅员辽阔，页岩气储量大，随着中国铁路不断发展，类似工程将会很多，黄草二线页岩气高瓦斯隧道的成功施工经验为类似工程提供了成功借鉴。