公路隧道施工瓦斯危害与防治

彭海

（四川省交通建设集团股份有限公司 四川成都 610000）

1 瓦斯的危害

1.1 瓦斯的概念

在隧道施工时，围岩和煤层中会溢出成分复杂的有毒有害气体，这些气体被统称为瓦斯。这种地质危害带有一定的特殊性。瓦斯中的气体如若发生灾害，往往会引发重大灾害，这些气体包括一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）等。狭义上的瓦斯是指以甲烷（CH4）为主，其是一种无色无味的气体，在标准状态（温度为0℃、大气压为101.3kPa）下比空气轻（瓦斯的密度为0.716kg/m3，空气密度为1.29kg/m3）。

在修建隧道时，往往采用钻爆法施工，在爆破作业过程中，爆破面会急剧逸出瓦斯气体。由于瓦斯气体密度小，因此，如果隧道内的空气流通状况不好，极易在隧道拱顶大量积聚［1］，一旦隧道内空气中瓦斯含量超过一定浓度，会变得极其不稳定，一旦遇到火源或者高温物体，很可能发生爆炸。

1.2 高速公路瓦斯隧道的分类

高速公路瓦斯隧道通常分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道3种类型。而分类的标准则取决于隧道内瓦斯工区最高级。瓦斯工区是指在地层含有瓦斯的隧道施工区段，瓦斯隧道工区又分为非瓦斯、低瓦斯、高瓦斯及瓦斯突出工区4 类。依照瓦斯涌出量来判定等级。在衡量高、低瓦斯工区时，存在一个标准，即0.5m3/min［2］，如果全工区瓦斯涌出量不超过这个标准，即为低瓦斯工区，反之则为高瓦斯工区。瓦斯地层或瓦斯工区绝对瓦斯涌出量判定指标见表1。

表1 瓦斯工区绝对瓦斯涌出量判定指标

一旦在瓦斯隧道中某处发现了危险源或者风险区，则该地段则会被认定为瓦斯突出危险工区。判断瓦斯是否突出的标准如下：瓦斯压力P≥0.74MPa，瓦斯放散初速度ΔP≥10。

1.3 瓦斯的危害

瓦斯会带来多种危害，如瓦斯爆炸、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等，这些都会引发事故，往往会给施工作业人员带来重大危险。

1.3.1 瓦斯窒息

甲烷这种气体本身是无毒的，但是一旦空气中甲烷的比例超过一定量时，就必然会导致空气中的氧气浓度迅速降低。一旦空气中的氧含量降到17%时，人们就会感到呼吸困难；而当其下降到12%以下时，就会使人发生窒息甚至死亡。

1.3.2 瓦斯燃烧与爆炸

瓦斯发生爆炸会产生有毒有害气体、冲击波及高温焰面。在隧道中，化学反应区和高温气体处于运动中，就会形成焰面。焰面的温度非常高，基本可以达到2150～2650℃，速度非常快，最高可达2500m/s，焰面所经之处会发生严重火灾，且灾情会不断扩大。瓦斯爆炸是瓦斯隧道施工中最严重的事故，一旦发生爆炸，就会造成作业人员严重伤亡。

1.3.3 岩与瓦斯突出大量瓦斯从隧道裂隙中喷出仅需要极短的时间，最多几个小时，短则几分钟，瓦斯喷出时伴有巨大轰响，其中夹杂着岩块或者煤块。

2 瓦斯的防治及措施

2.1 瓦斯发生爆炸的条件

瓦斯爆炸必须同时满足以下3 个条件：一是要有足够高的瓦斯浓度；二是存在高温火源，能够引燃瓦斯气体；三是有充足的氧气。

2.1.1 瓦斯浓度

瓦斯爆炸对于浓度有一定的要求，瓦斯爆炸界限通常来说下限是5%，上限是16%［3］。若空气中的瓦斯浓度不足5%，即便有火源也不会爆炸，但是会出现燃层；如果瓦斯含量达到了9.5%，此时瓦斯爆炸产生的威力是最大的；若瓦斯浓度超过16%，也不会爆炸，但是遇到高温火源会发生燃烧［4］。瓦斯浓度控制标准和瓦斯超限处理措施见表2。

表2 瓦斯浓度控制标准和瓦斯超限处理措施

2.1.2 引火温度

引火温度是指能够引发瓦斯燃烧或者爆炸的燃点温度。一般来说，引火温度介于650～750℃之间，但是这一温度区间并不是绝对的，它还会受到诸多因素的影响，如混合气体压力、瓦斯气体浓度等。

由于瓦斯存在火延迟性，在瓦斯接触高温热源时，并非马上爆炸或者燃烧，中间还会有一个短暂的间隔时间，这个时间间隔被称为感应期。感应期的长短受许多因素影响，如火源温度、瓦斯浓度、混合气体压力等。火源温度和感应期时长呈现出反相关，而瓦斯浓度和感应期呈现出正相关，合理利用这个感应期对安全生产有巨大的作用。例如，在使用炸药爆破时，其初温非常高，能够达到2000℃，但是，由于高温存在的时间非常短暂，通常只有千分之几秒，它并不会引起瓦斯的爆炸，因此，可以选择合适的雷管来控制爆破时间，以防止逸出的瓦斯发生爆炸。

2.1.3 氧的浓度

如果混合气体中氧气含量不足12%，瓦斯不会爆炸。在判断火区是否会发生瓦斯爆炸时，可以灵活运用氧含量与瓦斯爆炸之间的关系，这一理论在密封或启封火灾区时具有指导意义。

2.2 瓦斯及有害气体防治

防止瓦斯燃烧、爆炸，通常有如下几种方法。（1）防止瓦斯聚集。在生产工作中，应该注意通风，避免瓦斯积聚导致隧道之中瓦斯浓度过高。（2）防止瓦斯被引燃。配电箱等设备要带有防爆功能，加强用火管理，严禁明火。（3）建立应急管理体系，防止事故发生和扩大。（4）加强瓦斯检测。在监测瓦斯浓度时，采用两套系统，采用人工与自动两种方式相结合的检测方式，一旦发现瓦斯浓度超标，立即按照瓦斯管理办法采取应急措施。

瓦斯积聚的部位主要为隧道拱顶、开挖凹陷处、隧道塌腔、隧道施工断面变化处（衬砌施工端头、模板台车施工前后）、隧道洞室、及会车道、横通道处、通风死角、大型机械经常停留处。加强隧道通风，合理布设局扇位置，是防止瓦斯聚集的关键措施。

严格按照瓦斯及有害气体监测设计配置合适的监测仪器，严格按照检测标准和程序实施瓦斯检测，是确保瓦斯管控达标的重要手段。

2.2.1 做好超前预报工作

为保证隧道施工安全，应该认真分析瓦斯隧道地质构造和地层特点，必须进行地质预报工作。为了确保信息准确，需要选取多种探测方法进行验证。根据预报的结果，要采取相应的方法治理瓦斯问题，把安全事故发生率降到最低。

2.2.2 防止瓦斯的积聚

防止瓦斯的积聚通常是加强隧道内的通风，确保瓦斯隧道在整个施工时间内风机不停止通风，通过大量新鲜风的送入，把隧道内瓦斯排除隧道外，同时它也是排除隧道内烟尘的主要手段。通风必须编制专门的通风方案，并配备专门的通风工程师，通风设备必须采用防爆风机并安装备用风机和备用供电系统。同时，还需要保证备用电源和风机之间能够自动切换，确保保持24h不间断通风，当主电源断电之后，备用电源必须在10min之内向风机供电［5］。

2.2.3 严控火源

（1）要加强管理，树立全员防火意识。在管理中，需要提高管理人员和作业人员的自身素质，如果做不到这点，就无法杜绝在隧道中出现瓦斯点火源。因此，要加强作业人员的培训，熟悉隧道的防火、防爆知识，严格落实相关规定，一旦发现问题，严格处理，这是防止火源出现的关键点。

（2）防止放炮火源。爆破作业要严格按照《煤矿安全规程》，使用专用炸药，不允许使用普通乳化炸药。严格按照管理制度规定，在爆破作业点必须做到“一炮三检”及“三人连锁放炮”，确保爆破前后的瓦斯浓度在可控范围内。爆破的位置、装药量、炮眼深度都需要经过专门设计，不允许采用裸露放炮线路，严禁使用明接头。在执行爆破作业时，必须严格按照方案操作，把炮眼填严实，填充炮眼的材料必须是水炮泥，不允许使用可燃性物质，不允许放糊炮和明炮。

（3）防止电气火源和静电火源。静电会产生火花，所以，进入瓦斯隧道中作业的人员一律不允许穿化纤服，进洞必须穿统一发放的棉工作服。使用塑料、橡胶制品等这类物品，表面电阻不得超过安全规定值。

（4）严禁明火进洞。作业人员严禁携带香烟、打火机等易燃易爆物品进入隧道。必须动火作业时，要经过项目经理的批准，并指定专职安全人员、瓦斯检查人员蹲点值守。在隧道洞口20m 范围内不允许使用火源，也不允许在此范围内进行电气焊作业。在隧道内，严禁存放一切易燃易爆物，如柴油、木材、防水板等。

2.2.4 加强瓦斯的监测、检测工作

通过分析各种瓦斯隧道事故，不难找出造成事故的原因：既没有严格监测瓦斯信息，也没有按照规范进行施工。为了避免在隧道施工出现安全事故，必须对瓦斯进行监测。在隧道施工中，瓦斯浓度的检测非常重要，这项工作的目的在于保证施工安全。在实施监控过程中，必须做到双管齐下，一方面使用人工监测，一方面进行自动设备监测，将这两种模式结合起来，确保监测的准确性，提高施工安全度。

（1）在爆破过程中，要从管理层面严格执行“一炮三检”及“三人连锁放炮”制度。除了瓦斯检查人员对瓦斯浓度进行检测之外，爆破工、班（组）长也需要进行检测，检测完成之后，进行核对，取3 人检测的最大浓度值作为处理依据。

（2）瓦检人员必须按照制度规定对瓦斯进行定期检测，将检测内容填写到专门的表格当中，在专用瓦斯检测记录牌上填写结果，同时用防爆照相机拍下影像资料。

（3）专职安全管理人员必须对瓦斯检查班报表进行审阅，不定时抽查瓦斯检测情况，随时掌握隧道内瓦斯监测情况，一旦发现异常，应立即按照应急管理程序处理，并向项目经理及时汇报。

（4）必须定期调试和校正用于安全检测的仪器仪表。安全部门需要全面对隧道各工区使用的所有检测仪器送有检测资质的相关单位进行检验，进行性能测试、校正，并按照相应管理要求存档备查。

2.2.5 建立完善的管理制度

只有严格落实安全管理制度，才能保证安全生产。在施工前，需要专门制订施工方案，建立完善的安全制度，如隧道通风、瓦斯检测、隧道门禁系统、“一炮三检”及“三人连锁放炮”、动火审批制度等。施工人员进洞之前要穿上统一的工装，值班人员对其携带的物品进行仔细检查，不允许将手机、烟草、打火机等物带入隧道之中。若从事电焊、气割作业，必须事前获得审批。如果需要将车辆驶入高瓦斯隧道，还需要安装尾气排放净化器，否则尾气可能成为危险源。

3 瓦斯灾害的应急救援

（1）针对瓦斯灾害，要编制应急救援预案，要求所有施工人员均参加学习预案［6］。同时，与当地矿山救援队签订合作协议，每年定期举行应急演练，增强事故发生时应急处理能力，做到预防为主、防消结合，确保隧道安全施工。

（2）一旦发生事故，要按照预案要求和步骤开展救援工作。瓦斯爆炸之后还有可能继续爆炸，在救援过程中，不允许人员随意进洞，一定要在保证安全的前提下进行科学救援，防止二次事故的发生。

4 结语

高速公路瓦斯隧道施工风险重大，为了保证安全生产，要加强超前预报，做到预防为主、防治结合。加强通风，把隧道中的瓦斯浓度尽可能降到最低；严禁火源；加强瓦斯监控和检测；在隧道中使用的设备必须经过专业改装；与此同时，还需要严格落实各项管理，确保安全生产。