长大低瓦斯隧道施工技术及防治要点探析

曾泳太

摘要 为在长大低瓦斯隧道施工建设中，确保施工操作的安全性，建立可靠的瓦斯隧道综合防治体系，文章结合某工程项目，以及长大低瓦斯隧道的特点，分析了该类隧道项目的施工技术要点，提出具体的瓦斯防治措施。借此通过瓦斯监测、施工安全管理、通风设计等方式，减少长大低瓦斯隧道施工中的安全风险，保障瓦斯隧道施工质量。

关键词 长大隧道；低瓦斯；施工技术

中图分类号 U455.49文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0120-03

0 引言

随着公路和铁路建设环境的日渐复杂，瓦斯隧道成为新时期较为常见的隧道类型。相较于普通隧道，长大低瓦斯隧道施工中的瓦斯涌出风险较大，瓦斯防治和隧道施工技术难度增加。因此，需要结合长大低瓦斯隧道的特点，提前制定瓦斯防治方案和隧道施工技术方案，控制好瓦斯涌出风险，建立可靠的瓦斯监测体系，使隧道建设项目如期竣工。

1 工程概况

某长大低瓦斯隧道项目，左线桩号LZK0+237～LZK2+258，长2 021 m；右线桩号 LK0+193～LK2+238，长2 045 m。隧道分左、右线，且均为单向上坡，左线坡度为 0.5%/2 021 m，右线纵坡分别为2.4%/171.801 m、0.85%/

1 356.922 m和0.5%/516.268 m。隧道设计为双向四车道，行车速度设计为80 km/h。隧道进口区域设计为“削竹式洞门”，出口区域设计为“端墙式洞门”，进出口洞门的最大埋深为508 m。该隧道建设区域的地质复杂，设计线路需要穿越1条断层带，并且隧道洞身处于瓦斯地层，属于低瓦斯隧道。设计线路内存在断层破碎带、岩溶、大变形软岩、瓦斯等不良地质和特殊岩土层，围岩主要以强～中风化粉砂质泥岩夹煤线、炭质灰岩和泥质岩为主，采用新奥法复合式衬砌。

2 长大低瓦斯隧道特点分析

该隧道项目穿越瓦斯地层为低瓦斯隧道，隧道有害气体主要是原煤伴生天然气，蕴藏在孔隙较多的地下岩层内，上述隧道项目中地层内瓦斯的比重为0.65。瓦斯的重量比空气轻，无色、无味、无毒，生长过程中会留存在岩石坑道上方，具有渗透性，容易扩散。再者，瓦斯本身具有爆炸性、不稳定性、渗透性、水溶性及窒息性，瓦斯浓度过高、隧道内存在引火源以及氧气过于充足都会导致瓦斯爆炸。因此，相较于普通隧道项目，长大低瓦斯隧道施工中伴随着瓦斯涌出和瓦斯爆炸的情况，整体施工难度较大，且施工期间的安全风险较为突出。

3 长大低瓦斯隧道施工技术要点

根据该项目施工情况来看，有关长大低瓦斯隧道施工技术要点主要包含隧道施工设计、隧道开挖、隧道鉆爆、隧道支护和隧道衬砌五方面。施工人员需结合施工项目实况，掌握施工技术要点，严格把控施工质量，有序施工，保证隧道施工顺利开展。以下内容对此项目施工技术要点进行详细论述。

3.1 隧道施工设计

长大低瓦斯隧道施工方案设计需基于《公路隧道施工技术规范》《煤矿安全规程》。为维护施工安全，应坚持加强施工管理、消除隐患、严格检测，随时掌握瓦斯含量，动态调整施工工艺、加强通风、严管火源、降低瓦斯浓度等原则。隧道施工区域内的Ⅳ级围岩采用大拱脚台阶法开挖，每循环进尺1.6～2 m；Ⅴ级围岩开挖时需要在预留核心土的基础上，应用台阶法开挖，每次开挖时循环进尺0.6～0.8 m，开挖面不大，可以有效地控制瓦斯溢出量，安全支护开挖结构[1]。

3.2 隧道开挖

隧道开挖所采用的方法为台阶法。开挖过程中需要用到炸药，炸药一般为煤矿许用炸药，对于低瓦斯隧道，煤矿专用炸药的安全等级应大于1级。开挖后可通过“电力起爆”的方式引爆炸药，并采用水炮泥和黏土炮泥封堵。

爆破时设备的连线、网络连接为串联，接头需要拧紧，明线区域提前用绝缘材料包裹住并将其悬空。母线、电缆、电线、信号线等关键线路设置在隧道两侧，特殊情况要设置在同侧时，电缆和母线的间距应大于30 cm[2]。

隧道正式开挖和钻孔前，相关人员要基于地质分析理论，详细地采集、记录现场地质信息，并通过相关的试验，测定隧道开挖区域的地质特点，检测钻孔区域的瓦斯浓度，尤其是钻孔内、掌子面周围20 m范围处、隧道孔洞内、顶部以及隧道顶端隅角处的瓦斯浓度。当超前钻孔孔口处实测瓦斯压力大于0.15 MPa且小于0.74 MPa 时，提前安装通风设备，加强通风。实测瓦斯压力大于0.74 MPa，且每1 min单孔瓦斯涌出量大于5 L时停止钻孔和隧道开挖作业，立即采取措施降低瓦斯压力。若24 h内瓦斯压力值未降低，应封孔上报监理、业主及设计院另行处理，同时增加瓦斯涌出口的钻孔量，提前将瓦斯和相关气体释放出来，以降低瓦斯浓度。

3.3 隧道钻爆

由于长大低瓦斯隧道施工中伴有瓦斯涌出和爆炸风险，在钻爆作业时应重视以下内容：

（1）瓦斯施工区域内，钻孔作业采用湿式钻孔，钻孔区域约20 m范围内的瓦斯浓度大于1%时，停止钻孔，及时做好降低瓦斯浓度等相关工作，确保施工安全。

（2）隧道爆破开挖采用延时毫秒雷管，通过“一炮三检”的监测模式，分别在装药前、爆破前、爆破后对雷管进行检测，重点检查爆破区域内的瓦斯浓度，避免在瓦斯浓度达到1%时作业。开挖过程中需基于“开挖必探、存疑必探、有掘先探”原则，做好开挖前和掘进前的探测工作，并在发现异常问题后及时探测，排除异常风险后开始作业。

（3）低瓦斯隧道项目进行装药和爆破作业时，爆破区域的20 m范围内，风流中的瓦斯浓度同样不宜过高，以浓度不超过1%为准。另外，爆破区域中矿车、碎石和煤渣的阻塞开挖断面应控制在1/3以内。施工区域的通风设计中，相关人员应确保风量、风向的稳定性，局部设置循环风和无循环风，保障钻爆过程中的隧道通风性能，为后续施工活动奠定基础[3]。

3.4 隧道支护

长大低瓦斯隧道支护施工中，初期支护可运用湿喷混凝土技术。混凝土搅拌时，应先干拌水泥和气密剂，拌合时间为1.5～2 min，之后倒入碎石和水，再次搅拌2 min。搅拌完毕后，湿喷混凝土。为避免隧道中的岩体结构开始松弛，施工人员需要在隧道开挖作业结束后立即湿喷混凝土。湿喷方法为自下而上的分片、分段喷射，初喷厚度约50～60 cm，复喷时，隧道拱顶厚度应控制在100 mm以内，边墙区域不超过150 mm。

布设钢筋、钢架等支护工具时，用钢丝和螺丝将其紧紧地绑扎住，尽量避免用电焊、气焊等方式固定连接支护构件。因特殊情况下不得不焊接和切割时，还应制定安全措施，设专人监督，并及时清理作业点周围，确保作业区域20 m范围内没有易燃和可燃物质，且风流中的瓦斯浓度低于0.5%，巷道顶和支护区域没有集聚的瓦斯。同时，提前设置灭火器、供水阀门和局部扇风机，焊接、切割完毕后检查施工区域，核查有无残火，确认无残火后浇水喷洒，并观察作业区域。观察时间为1 h。因作业要求需用火时，还应提前申请，审批后方可动火。在此过程中，瓦检员应加强巡查，积极履行自身职责，以便能够及时发现隧道瓦斯浓度的异常现象，寻根追源，降低隧道瓦斯浓度，保障隧道运营安全，协助瓦斯隧道施工风险的防控和管理。

3.5 隧道衬砌

为加强低瓦斯隧道施工中的防治力度，还应在隧道衬砌作业中设置水汽隔离层。通过分段排水和水汽分离的方式，弱化瓦斯的渗透性。衬砌方法是每隔4.5～6 m间距布设Φ50环向盲沟，边墙下布设Φ100纵向盲沟和横向排水管。隔离层所用的混凝土一般为气密性混凝土，由普通混凝土和气密剂配制而成，能够改善混凝土性能，增强其抗气密性。衬砌作业中，需要重点做好混凝土材料选配、混凝土浇筑、振捣等工作[4]。

4 长大低瓦斯隧道综合防治措施

对于长大低瓦斯隧道而言，由于其地形复杂等特点，在对其进行防治时，要从瓦斯监测、通风设计等工作入手，保障隧道施工安全性，为隧道后期运营安全奠定基础。

4.1 加强隧道施工区的瓦斯监测

上述隧道项目属于长大低瓦斯隧道，防治瓦斯风险时采用便携式瓦斯检测仪、光干涉瓦检仪及KJ101自动瓦斯监控系统监测隧道施工区域内的瓦斯浓度，系统具有监控、断电和报警功能。该系统的核心结构由便携式瓦斯检测仪和光干涉瓦检仪，以及洞外监控中心、洞内分站、甲烷传感器、CO和H2S传感设备、风速传感设备、智能断电仪、智能报警器组成，基本原理如图1所示，能够获取详细、准确的瓦斯监测数据。该系统的主要监测内容包括：隧道施工环境、隧道内的瓦斯浓度、风流中的瓦斯浓度，以及隧道内的风速、CO、H2S、CH4、CO（一氧化碳）、H2S（硫化氢）等气体的浓度。

为确保该项目瓦斯监测的可靠性，该系统在运行过程中启动了自动瓦斯监控方案，即在隧道进出洞口、左右洞口分别配置KJ-101型瓦斯监测仪器。该仪器的运行过程中会嵌入式地安装在瓦斯监控系统内，并采用分布式网络化结构，由红外遥控装置和主机进行连接，由系统主机远程控制。KJ101自动瓦斯监控系统的断电结构设计为三级，同时具有异地交叉断电能力，可以促进远程计算机系统对低瓦斯隧道施工的集中控制和安全管理。

隧道进出口位置的自动瓦斯监测系统包含2台主机，1台为常用主机，1台为备用主机。系统由2个监控分站、多个甲烷和CO、H2S传感器，以及风速传感器、报警器、电源以及1台备用电源组成。各类传感器的数据共享、信息采集功能相同，可以在超限状况下起到采集隧道内气体信息和获取低瓦斯浓度信息的能力。瓦斯洞口主风机处设有风电闭锁设备，主风机因各种原因故障后，该设备可自动地切断隧道洞内的电源，保障隧道内部相关设备安全，降低事故范围。

洞口自动瓦斯监测系统的瓦斯监测范围为0%～4%CH4，每次检测速率小于30 m/s。隧道内风速的监测范围为0.3～15 m/s，同时具有洞内监测和洞外报警的功能。

高瓦斯施工区域、岩（煤）施工区域、瓦斯突出工区的监控系统由专用变压器、专用开关、专用线路、风电闭锁和甲烷闭锁组成。整体的监控工作坚持人工监测与设备监测相结合的监测模式，更全面地保障瓦斯隧道施工区域的安全性。

4.2 重视关键工序的瓦斯检测

低瓦斯隧道施工中，凿眼、放炮作业后是瓦斯含量增长幅度较大的关键时期，最大的原因是炮眼会连接隧道和瓦斯层，导致作业期间存在瓦斯泄露风险。且放炮之后，隧道内会揭露出大面积新鲜岩层，一些封闭的瓦斯地层可能会暴露出来，继而导致瓦斯从新鲜岩层的缝隙和表面涌出。因此，隧道施工工程中，相关人员应在凿眼、装药和放炮前后，做好所有区域的瓦斯监测工作，发现风流内瓦斯浓度过高时严禁钻眼和放炮，瓦斯浓度超过1.5%时，要停止施工并及时组织人员撤出，并切断隧道内的电源[5]。

注意加强重点部位的瓦斯检测。瓦斯比空气轻，容易扩散，但是在隧道中风速小于0.25 m/s时，瓦斯会进入游离状态，聚集在隧道顶层和各个死角。局部聚集后可能会诱发瓦斯爆炸风险。所以一些易于集聚瓦斯的区域是瓦斯检测的重点。主要检测区域包括：

（1）隧道开挖区域的风流内，包括隧道的回风流。

（2）电气开关周围10 m处的风流中。

（3）隧道施工作业区域的风流中，包括台车、施工设备、电动机附近20 m内的风流。

（4）隧道顶部、支护结构顶部、超挖孔洞内。

（5）隧道中的变电所、水泵站、水仓等洞室和断面变化处。

4.3 完善瓦斯隧道内通风设计

在长大低瓦斯隧道施工中，还应完善隧道内的通风设计，采用连续通风模式，预防施工风险。通风设计的关键在于风量设计、风机选型和通风检测。在此过程中需要做好以下几点。

（1）隧道洞口可设置压入式通风管道，通风机为大功率轴流式通风机。布设通风装备前，还应结合隧道建设技术标准，以及施工作业面瓦斯最大涌出量、最低风速、工作面需风量确定隧道的风量设计值。

（2）选择通风机时，需要结合项目实况，重点分析通风机的工作参数，如工作风量Q和全风压、风机运行模式等，选定后将一定数量的风机设置在隧道内。

（3）隧道施工期间，还应重视通风检测，由专业人员实时监测隧道内的通风情况，包括风速、风量等重要参数，同时配备专业人员定期维护和管理通风设备，培训通风机组管理人员，积极引进新型管理理念与管理技术，提高隧道通风机组的管理质量，确保隧道通风正常，建立通风台账，落实责任到个人，确保隧道通风性能。

5 结语

综上所述，为在长大低瓦斯隧道施工时，减少因瓦斯渗漏和涌出产生的安全风险，该文结合具体的工程案例，总结了该类隧道工程施工技术要点，以及施工期间瓦斯的防治措施，突出了瓦斯监测、施工段隔离层设置和改善掘进方法的重要性，使相关人员能够更全面地控制长大低瓦斯隧道施工中的安全风险，促进瓦斯隧道施工技术体系的进一步完善。

参考文献

[1]馮涛. 长大隧道煤系地层瓦斯段揭煤施工控制技术[J]. 建筑技术开发， 2020（3）： 2-5.

[2]胥阳安. 高瓦斯长大隧道施工中瓦斯防治技术与安全管理对策[J]. 工程技术研究， 2021（3）： 188-189.

[3]戴刚. 低瓦斯隧道施工安全风险与施工管理[J]. 智能城市， 2021（7）： 2-8.

[4]秦健平. 高速公路低瓦斯隧道施工工艺初探[J]. 交通科技与管理， 2021（1）： 1-2.

[5]项海燕. 超长瓦斯隧道斜井-单通道组合式通风技术研究[J]. 交通世界， 2021（19）： 3-6.