铁路高瓦斯大断面隧道监测及通风施工技术

吴涛

摘要：以某铁路隧道工程为例，基于高瓦斯大断面隧道施工安全隐患多、质量控制要求高的特点，研究具体通风方式，构建具备通风参数检测、通风状态监控多项功能的通风监控系统。阐述高瓦斯大断面隧道施工环境监控与安全预警的技术策略，结合实测数据研究高瓦斯大断面隧道施工环境的安全程度，评价通风技术的可行性。研究结果表明：通过瓦斯隧道监测及通风技术的应用，可及时反馈现场施工情况，提高了瓦斯隧道通风管理水平，有利于营造安全的隧道施工环境，推动隧道施工的顺利进行。

关键词：高瓦斯隧道；监测技术；通风技术；控制指标

0   引言

瓦斯隧道通风系统可稀释并排出施工现场的粉尘及有害气体，改善隧道洞内施工环境，为工程人员提供安全保障。瓦斯隧道通风系统的运行水平直接影响施工安全状况，本文以某铁路隧道工程为例，构建具备通风参数检测、通风状态监控多项功能的通风监控系统，阐述高瓦斯大断面隧道施工环境监控与安全预警的技术策略，结合实测数据研究高瓦斯大断面隧道施工环境的安全程度，评价通风技术的可行性。

1   工程概况

某铁路工程为单洞双线隧道，起讫里程为DK607+329.1～DK615+600，全长8270.9m。隧道设进出口平行导坑，平导长度分别为2660m、2242m，平行导坑中线与左线线路中线间距为30m，两线平行布置。工程现场钻孔探测结果表明，单孔天然气浓度最高值达到0.974，对隧道施工安全不利。结合勘察结果可知，DK607+800～DK610+050

和DK613+350～DK614+950段瓦斯浓度高，安全隐患多，需按高瓦斯段进行通风设计。

2   高瓦斯隧道通风方式

根据隧道结构布置及施工进度，分阶段设计隧道通风方式：第一阶段，采用压入式通风方式，适用于进口平导、出口及出口平导；第二阶段，进口与平导间1#横通道联通后采用巷道式通风方式，同时采用压入式通风方式（出口平导）；第三、四、五阶段，以巷道式通风改善进口和出口的施工环境，临时封闭平导中部横通道，防止污风回流[1]。

轴流式通风机属于高瓦斯隧道的重要通风设备，各部位的设备型号不同，例如隧道正洞、平导、平导洞口分别采用SDF-NO13型、SDF-NO11.2型、SFC-6-NO18型轴流式通风机，配套SSF-NOl1.2/37型防爆射流风机，作为辅助装置，以促进风流运动。衬砌台车和洞室易积聚瓦斯，用VDT32-2型隔爆轴流式通风机进行排风。

3   高瓦斯隧道通风监控系统

根据全面性、及时性、准确性的通风监控要求，本铁路隧道工程采用的是KJ101N型煤矿安全监控系统。

3.1   通风监测参数

通过风速传感器、温度传感器等装置监测隧道通风风流状态。有毒有害气体的监测范围包含作业段的顶拱、坑道内气体易滞留的凹处、距钻探孔1m处附近等。重点监测瓦斯（CH）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、硫化氢（H₂S），将浓度低、含量低的有害气体作为辅助监控对象。通风检测范围包含开挖工作面、突变段、渐变段、出口、通风口、坑道等。

3.2   通风监控系统组成与工作原理

监控分站配置由瓦斯监控设备、动力电源开关、风机开关等组成的甲烷风电闭锁装置，地面监控中心计算机软件下发参数控制。每组风机配置的装置及数量为：甲烷传感器3台；风筒传感器、风速传感器、编码继电器箱和设备开停传感器，均为2台；声光报警器1台。

在掘进工作面安设风速传感器、甲烷传感器等，在瓦斯隧道内敷设监控信号电缆，通风机监控采用电流型开停传感器。根据监测信息判断瓦斯浓度，采取对应的管控措施，具体如下：瓦斯浓度＞1.5%、风速＜0.25m/s时，快速断电；瓦斯濃度＞1%，甲烷传感器发出声光报警；瓦斯浓度＜1%同时通风机可正常供风时，恢复供电[2]。

风速低于设定值或通风机停止运行、掘进工作面瓦斯浓度超限时，传感器向安全监控分站传输信号，通过数据传输电缆向地面监控中心站传输数据，进行实时控制。如对高瓦斯浓度数值进行分析，并将其转换为甲烷电闭锁控制信号，安全监控分站接收此信号后，控制断电器断开被控电源。

4   施工环境监控与安全预警

4.1   传感器的布置

4.1.1   掌子面传感器布置

甲烷传感器安装在掌子面前≤5m的巷道左上部和右上部，均为1台。温度传感器安装位置在掌子面前≤5m的巷道中上部，共1台。风速传感器安装位置为掌子面前10～15m的巷道中上部，共1台。

瓦斯（CH₄）报警浓度为0.3%，超过此浓度随即发出警报，此时需及时采取控制措施。瓦斯断电浓度为0.5%时，出于安全考虑，达到该浓度时必须及时断电。断电对象为掌子面各非本质安全型电气设备。浓度低于0.4%时复电，掌子面使用瓦斯自动检测报警断电仪时，若具备复电的条件，应采取人工复电。

根据温度监测要求，各掌子面均设1台温度传感器。放炮前，将所有掌子面的传感器转移至安全区域，放炮完成且确认现场无安全隐患后，移回掌子面的各类传感器。移动过程中加强防护，避免磕碰受损。

4.1.2   回风巷传感器布置

回风巷的甲烷传感器共2台，安装位置在距回风口向掌子面方向10～15m的巷道左上部和右上部。CO传感器的安装位置为距回风口往掌子面方向15～20m的巷道中部，共1台，瓦斯浓度达到0.3%时报警，达到0.5%时断电，浓度低于0.4%时复电。

4.1.3   进风传感器布置

进风甲烷传感器数量为1台，安装位置在压入式风机入口前巷道上部。在压入式风机供电开关的前方电缆处，设1台开停传感器。瓦斯浓度达到0.3%时报警，達到0.5%时断电，断电对象为供风巷道内各非本质安全型电气设备。浓度低于0.4%时复电[3]。

4.1.4  巷道传感器布置

在巷道的左上方和右上方分别安装1台甲烷传感器，瓦斯浓度达到0.3%时报警，加强通风或采取其他控制措施。在抽出式风机的供电电缆处设1台开停传感器，在总回风巷测风站内巷道中间设1台风速传感器，报警上限、下限分别为0.5m/s、0.25m/s。

4.1.5   供风筒传感器布置

在距掌子面≤50m的位置设置风筒传感器，共1台，稳定布设在供风筒内。

4.2   通风系统可靠性评价

瓦斯隧道通风系统正常运行的前提，在于原始设计数据准确可靠，通风系统的设计方式合理，设计方案科学可行。在通风系统运行时，可着重根据风质参数和洞内风量，评价其是否能够正常运行。若参数设置合理且维持稳定，表明瓦斯隧道通风系统具有较高的可靠性。若参数设置不合理或大幅度波动，表明瓦斯隧道通风系统的可靠性较差。

对瓦斯隧道通风系统可靠性产生影响的关键因素体现在如下三方面：一是通风网络，表现为结构布置的合理与否以及通风阻力的高低程度；二是通风动力装置，以局部通风机和辅助通风机较为关键，两者的稳定运行是通风动力装置正常运行的前提，也是提高瓦斯隧道通风系统可靠性的必备条件；三是通风设施，即设施配置水平、设施运行稳定性、运行精度等，这几项均会影响通风设施的应用效果。

为客观评价瓦斯隧道通风系统的可靠性，需要选取与通风监测相关、实时性良好的指标，建立一套科学可行的评价体系。

4.3   风流状态预警

实时监测通风系统中的风量和风流品质，根据两方面的监测结果综合评价风流状态。风流不达标时，随即报警。风流状态与隧道风量布置、隧道施工污染程度等因素有关，良好的风流状态是保障通风安全的重要前提，因此需要建立风流状态评价指标，根据指标进行评价和管控。

风流状态评价指标应与通风风流相关，并且直接关系到瓦斯隧道施工安全。在确定监测指标后，通过各类传感器联合监测，根据各项指标的监测结果综合评价掘进工作面的通风安全状况。若某项指标超出许可范围，发出报警，需由专员进行管控。

4.4   通风安全数据处理及效果评价

全方位管控洞内各用风点的气象参数，以此来保障通风安全。项目成立通风测试小组，测定风量、风速、静压、动压等参数，综合评价通风系统的运行状态。按规范计算通风参数的理论控制值，将实测数据与之对比，进行量化分析。

4.4.1  工作面风量计算

工作面风量计算如下：

Q₂=60V₁S（1）

式中：V₁为工作面风速（m/s）；S为巷道断面积，本工程取126m²；Q₂为工作面风量。

取最大值作为供风量，按照此数据进行供风，保证瓦斯隧道掘进工作面有充足的新鲜风量。按用风地点各时段最多人数，根据个体对于施工现场通风条件的要求，每人每分钟的风量不得少于4m³。风流中有毒有害气体浓度需在允许范围内，且无其他异常。根据前述方法进行计算后，取较大值作为最终结果。

4.4.2  100m漏风率计算

100m漏风率计算如下：

Ｐ₁₀₀=Q₁-Q₂/Q₁·L/100×100%（2）

式中：Q₁为风机供风量，单位为m³/min；Q₂为风筒末端风量，即工作面风量，单位为m³/min；L为风筒长度，单位为m。

瓦斯隧道的风管应严密、稳定，抗静电和阻燃性能均要可靠，100m漏风率不可超过2%，而为了更好地满足此要求，还需保证风管口到开挖面的距离在5m以内[4]。

4.4.3  安全管理效果评价

以某年11月份的瓦斯浓度监测结果为例，根据此阶段的监测数据，评价瓦斯隧道施工现场的安全管理效果，判断通风方案是否满足隧道工程要求。日最高瓦斯浓度如表1所示。现场测风情况如表2所示。

根据11月的瓦斯浓度监测结果可知，日瓦斯浓度最高值达到0.76%，高于0.5%的次数为2次。虽然少部分时段存在瓦斯浓度较高的情况，但总体上隧道通风风流品质均达标，为此高瓦斯隧道适配的通风系统具有可行性。11月工作面的风量达到要求，风流风速也达标，但风筒100m漏风率超标1次，表明项目在风筒管理方面存在有待加强之处，需要根据现状优化风筒管理措施，进一步降低风筒的百米漏风率。

5   结束语

高瓦斯隧道的有毒有害气体类型多、含量高，加强通风与监测是保障施工安全的重要举措。高瓦斯隧道通风与检测技术，是以营造安全施工环境为基本目标而提出的。本文以某铁路隧道工程为例，基于高瓦斯大断面隧道施工安全隐患多、质量控制要求高的特点，研究具体通风方式，构建具备通风参数检测、通风状态监控多项功能的通风监控系统。

研究结果表明：采用高精度煤矿瓦斯监测系统，适配多种类型的传感器，连续监测施工现场甲烷、一氧化碳、风速、风量等环境参数，以及通风设备和风筒的运行状态，给高瓦斯隧道施工现场安全管控奠定了可靠基础。通过瓦斯隧道监测及通风技术的应用，可及时反馈现场施工情况，提高了瓦斯隧道通风管理水平，有利于营造安全的隧道施工环境，推动隧道施工的顺利进行。

参考文献

[1] 畅燚.地铁隧道施工技术及瓦斯隧道通风安全风险控制[J].工程机械与维修，2022（6）：168-170.

[2] 王军章.探究复杂条件下隧道爆破施工技术方案[J].工程建设与设计，2022（8）：123-125.

[3] 李鸣.高瓦斯隧道通风技术研究[J].科技创新与生产力，2022（3）：142-144.

[4] 王应魁.高速公路低瓦斯隧道施工技术及控制要点[J].工程建设与设计，2020（4）：184-186.