非煤系地层隧道瓦斯意外涌出处置及变更设计要点

杨 涛

(中铁十六局集团铁运工程有限公司，河北 高碑店 030032)

0 引 言

我国是目前世界上公路隧道建设规模最大、难度最高与数量最多的国家[1]。随着隧道数量的增多，越来越多的隧道穿越瓦斯积聚区山脉，瓦斯问题日益突出。瓦斯隧道分为煤系地层瓦斯隧道和非煤系地层瓦斯隧道。煤系地层隧道瓦斯分布位置、煤层参数可通过勘探获知，便于组织施工和采取针对性的防治对策。但是非煤系地层隧道在勘探阶段很难发现瓦斯存在，多在施工时意外出现，突发性强。根据国内外瓦斯隧道事故统计结果，非煤系地层隧道瓦斯事故率远大于煤系地层[2]。因此，对于非煤系地层隧道的瓦斯管理和控制十分关键。

非煤系地层隧道瓦斯的来源、溢出规律、涌出量是进行瓦斯等级评估的重要依据。康小兵等[3]将非煤系地层分为三构造连通型、围岩变质型和复合型，构造连通型分为断层连通型、褶皱连通型、裂隙连通型。魏有仪等[4]指出非煤系地层瓦斯的赋存形式一般以游离态为主，在随道中的涌出地点、压力和涌出量具有不确定性。当隧道开挖直接揭穿瓦斯气体相对密闭的存储空间时，瓦斯便会突然涌入隧道。由于非煤系地层隧道在设计时难以确定瓦斯设防位置，因此施工过程中势必要对瓦斯潜在地层进行超前探测，瓦斯意外出现后还需进行应急处置。陈其学等[5]针对非煤系地层隧道瓦斯异常涌出危险性，提出基于动力现象和基于瓦斯压力测定的定性定量结合预判手段。非煤系地层隧道瓦斯危险性较高时，还需进行设计变更。宋彬[6]指出设计变更直接影响设项目费用的使用状况，使高速公路建设项目费用难以控制。因此，目前业主单位对设计变更的管理日趋严格，但是目前依然缺少针对非煤系地层隧道意外出现瓦斯后的完整处置方案。

针对上述问题，本文以重庆石柱至黔江高速公路七曜山隧道为研究对象，结合瓦斯溢出后的处理过程，提出非煤系地层隧道瓦斯意外涌出后的变更设计要点，以期为同类隧道提供参考。

1 七曜山隧道

七曜山隧道为重庆石柱至黔江高速公路全线单洞最长的隧道，左洞全长5 378 m(起讫里程K16+368-K21+764)，右洞全长5 400 m(起讫里程YK16+386-YK21+786)，为特长隧道，也是全线重点控制工程，如图1所示。

图1 七曜山隧道洞口

隧道出口端原设计不穿越煤层，勘察过程中也没发现有瓦斯迹象，故出口段无瓦斯相关设计。2019年8月1日，七曜山隧道出口端左洞施工至K20+323处洞内瓦斯浓度出现异常，在K20+423处拱顶瓦斯溢出量增加，经检测拱顶瓦斯浓度超过仪器量程(10%以上)。隧道在开挖掘进施工过程中发现左线K20+322处掌子面有瓦斯及有毒有害气体突然突出，造成掌子面起火燃烧。

2 隧道瓦斯意外涌出后的应急方案

七耀山隧道行超前地质钻探气体采样与检测结果见表1，可以看出溢出气体主要由甲烷、氧气和氮气构成，为典型的瓦斯气体。根据检测结果，七曜山隧道出口段左洞ZK20+373、ZK20+423、ZK20+473里程处及右洞YK20+410、YK20+460、YK20+510里程均检测到隧道内有瓦斯气体涌出。结合实际检测与预测结果，七曜山隧道出口段左洞瓦斯绝对涌出量在1.70～2.16 m3/min、右洞瓦斯绝对涌出量在1.59～1.82 m3/min，为高瓦斯工区。

表1 七曜山隧道瓦斯组分

3 非煤系地层瓦斯隧道变更设计要点

鉴于七曜山隧道的瓦斯涌出量评价结果为高瓦斯隧道，原有的施工设计已无法满足安全建设要求。信息收集处理与决策结果为应进行设计变更，将剩余瓦斯段施工设计为高瓦斯隧道标准。

3.1 业主单位的设计变更管理特征

工程设计对投资影响显著，业主单位十分重视设计阶段的造价管理力度。设计变更会导致合同工程计量清单的工程数量、单价或总额价的变化，影响成本管理。因此，建设单位已逐步规范工程设计变更管理，以投资前提为依据，通过分级管理来控制设计变更频率，提高设计变更审批水平，从源头上规避设计变更的出现。可见，业主单位从成本控制等角度是限制设计变更出现的。

3.2 设计变更的实施原则及策略

在业主单位严格控制设计变更的背景下，为顺利完成七曜山高瓦斯隧道设计变更工作，建设单位与设计单位通过规范变更文件、程序、保证周期以及风险评估等手段，保证设计变更顺利进行。

3.2.1 设计变更实施原则

七曜山高瓦斯隧道变更设计实施原则包括：

(1)遵循工程建设管理规定。按照工程建设管理规定进行变更，发挥发挥不同管理层次的职权，有效改善设计变更管理效率。

(2)有效降低设计变更的影响程度，向审批机关和项目管理机构说明设计变更的必要性，充分说明设计变更对项目资金投入、工期以及项目运行过程中的安全问题和质量问题产生的影响。

(3)从工程特点出发对设计变更予以界定，根据工程项目建设所具有的特点，制定设计变更的界定标准，防止出现不合理的变更内容。

3.2.2 设计变更实施策略

(1)保证设计周期。为保证设计变更的合理性和及时性，在勘察与瓦斯检测结果基础上，按照文件的要求以及相关的技术标准展开工作，在有效工作周期内完成工程建设方案，并报有关审核部门审核，以免变更设计周期过长而影响工程进度。

在2019年8月七曜山隧道出现瓦斯溢出量超标及明火燃烧警情后，项目部立即委托第三位机构进行瓦斯检测，查明瓦斯来源和测定瓦斯涌出量，确定隧道瓦斯等级。11月份即向业主提交《石柱至黔江高速公路(第SQTJ2、SQTJ3合同段七耀山隧道瓦斯气体处治)变更设计文件》。

(2)规范设计变更内容。设计文件变更中，出具工程变更单，涵盖变更的原因、依据和范围，以及采用的技术标准、变更内容，明确变更之后的项目数量。设计文件变更与工程量清单具有直接相关性，需要明确每一项变更前后的单价、数量和金额。

(3)规范设计变更程序。强化设计变更管理工作，设计变更由监理单位参与监督，设计变更导致资金使用情况发生变化时，明确划分。设计变更以及监督设计变更过程中所产生的资金投入增加问题，从控制成本的角度进行详细说明。

(4)进行风险评估。工程项目设计变更会导致一些不可预测的后果，因此应对设计变更的风险进行评估，通过积极、有意识地策划和组织，对于各种不利因素做好协调工作，对风险提出预防措施，避免产生风险事故。七曜山变更设计文件针对瓦斯隧道安全施工进行了详细规划与设计，采取各种有效措施对瓦斯风险予以控制。

3.3 设计变更主要内容

非煤系地层隧道施工过程中改变为高瓦斯隧道后，设计变更主要内容应包括隧道衬砌的瓦斯封闭结构设计和安全施工专项设计。其中，瓦斯封闭设计包括复合式衬砌结构设计、二次衬砌施工缝、变形缝设计、全封闭瓦斯隔离层设计、超前周边注浆与开挖后径向注浆封闭措施设计等。安全专项设计包括安全生产管理机构的设置及安全培训计划、机械配置及防爆设计、电气设备配置与供配电系统设计、通风系统设计与管理制度、瓦斯监测系统设计与超限管理制度、钻爆工法及爆破制度、超前地质预报制度、事故预防与应急救援预案设计等。

《石柱至黔江高速公路(第SQTJ2、SQTJ3合同段七耀山隧道瓦斯气体处治)变更设计文件》中针对瓦斯应对措施的设计文件内容包括：①变更设计说明文件；②变更增减工程数量表；③隧道(地质)平面图；④隧道左洞(地质)纵断面图；⑤隧道右洞(地质)纵断面图；⑥隧道穿越瓦斯气体段作业流程图；⑦隧道穿越瓦斯气体段超前探测及防突设计图；⑧洞身深埋瓦斯段Ⅴ级围岩衬砌断面图;⑨洞身深埋瓦斯段Ⅳ级围岩衬砌断面图;⑩洞身深埋瓦斯段Ⅳ级围岩隧道与洞内变电所横通道交叉口处主洞加强段衬砌断面图;洞身深埋瓦斯段Ⅲ级围岩衬砌断面图;深埋瓦斯段Ⅳ级围岩紧急停车带衬砌断面图;深埋瓦斯段Ⅳ级围岩车行横通道衬砌断面图;深埋瓦斯段Ⅳ级围岩人行横通道衬砌断面图;瓦斯段钢拱架连接及锁脚锚杆垫板设计图;隧道施工缝、沉降缝防渗设计图;隧道瓦斯排放系统设计图;隧道瓦斯段注浆堵气动态设计图;洞内空气环境监控设计图;隧道施工环境监控管理;CH4检测器预埋管图;隧道出口段消防水池设计图;变更预算。其中，文件①～⑤为变更设计说明文件，⑥、⑧～、为隧道本体或附属构筑物结构型式设计文件，⑦、、为瓦斯引排设计文件，～为瓦斯监测设计文件，为总预算和各分项预算列表及说明。

5 结 论

非煤系地层隧道在勘探阶段往往很难发现围岩中含有瓦斯气体，施工过程中瓦斯溢出具有显著的随机性和不均匀性特征，突发性强，事故率高。在施工过程中，应建立完善的瓦斯监测制度和应急处置方案。当出现瓦斯浓度超标、明火燃烧等瓦斯警情时，应采用停止作业、撤离人员等应急措施，并进行瓦斯成分检测、来源分析、涌出量监测与等级评估等工作，明确瓦斯潜在危险性。

业主单位从成本控制等角度是限制设计变更出现的。非煤系地层隧道在进行瓦斯出现后的设计变更时，建设单位与设计单位应规范设计变更内容与程序，向审批机关和项目管理机构说明变更必要性，保证在设计周期内完成变更。