新疆长距离输水隧洞施工安全设施布置研究

魏香鸿

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 前 言

长距离隧洞工程施工安全存在很强的不确定性和未知性,特别是长距离深埋隧洞,一旦发生安全事故,破坏规模极大,施救人员非常困难,大大降低了人员生还几率。经查阅[1-10],水利水电工程相关设计规范中并未涉及施工安全措施设置的具体规定,其他相关行业如交通、铁路、煤炭、金属非金属等设计、施工规范中对施工安全措施设置部分有详细规定及相关说明,如《铁路隧道施工抢险救援指导意见》中明确在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩地段预先设置逃生管道;TB 10020-2017《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》规定不同长度下设置紧急出口、避难所或相互联络横通道;《煤矿安全规程》规定井下设置避难洞室;GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》中关于具备应急逃生出口或采用2个安全出入口的相关规定等。

对比公路、铁路、煤炭、冶金行业与水利行业地下隧洞综合比较,从隧洞布置方面对比,区别在于公路、铁路行业车道数通常为双向两条隧洞,且两条隧洞间距较小,增加应急通道仅在双通道之间设置连接通道即可满足要求,煤炭、冶金行业根据行业的规范要求,其作业通道本身已具备双通道的要求,而水利工程隧洞通常以长距离单隧洞为主,特别是深埋长距离隧洞,增加通道工期长、费用高,因此以节约工程造价为基础的情况下施工通道数量较少,无法参照相关行业规范双通道的要求。

水利工程输水隧洞与公路、铁路、煤炭及冶金行业的隧洞从运行工况方面对比,区别在于公路铁路及煤炭冶金行业为长期有人类从事交通或生产活动,人员流动周期长、密度大,因此无论是交通安全还是施工安全重视程度较高,水利工程输水隧洞仅在施工期有人员作业,待工程建成后隧洞内无人员活动,如参照相关行业规范规定布置安全措施,其标准过高,且临建工程投资占比较大,最直接反应就是施工安全措施费远远不足,如不考虑安全措施,长距离输水隧洞同为地下工程[11-15],总长度及单工作面长度均比较长,特别是长距离深埋输水隧洞根据施工分段规划单个分段内仅设置单个施工通道且工作面较长,一旦发生坍塌、施工通道发生火灾、塌方造成“断后路”等事故,施工救援和人员逃生避险难度极大,如何采取有效安全措施避免产生人员伤亡且经济对输水隧洞施工安全具有重要意义。本文以新疆某输水工程为例,研究提出长距离输水隧洞施工安全设施布置方案,为类似工程施工安全提供经验。

1 工程概况

新疆某输水工程全线共长516.53 km,其中TBM掘进长度达405.94 km。全线共设置45条施工通道,其中缓斜井34条,竖井及通风井11条。缓斜井最长6.4 km,最短90 m。工程为线性输水工程,最大单工作面距离19.9 km,最大深埋792.5 m,掘进工期34月,具有隧洞长、埋深大、工作面众多、投入设备及人员数量多,分布分散等施工特点。本项目施工项目单一,主要施工内容为输水隧洞工程,施工过程中可能发生威胁到施工人员安全的危险源主要分为两类,一是由于地质原因产生的危险源;二是由于施工活动产生的危险源。由于地质原因产生的危险源主要有破碎岩体塌方、涌水、岩爆、软岩变形、高地温、放射性、有害气体、活断层等;由于施工活动产生的危险源主要为火灾、交通事故、触电、高空坠亡、炸药库、爆破施工等。

2 隧洞施工安全设施种类、适用性及布置

根据相关行业对安全设施的相关要求及规定,安全设施主要可分为避难场所、逃生通道(紧急出口)、逃生管道等主要措施加以监测监控、人员定位、压风自救、供水施救、通信联络等辅助设施实现紧急避险逃生措施。针对地下洞室施工中无法预测且可能造成严重后果的不良地质条件和施工活动危险源制定相应安全设施,其常见安全措施及适用情况统计详见表1。

表1 常见安全措施及适用情况统计表

表2 竖井内罐道和井梁布置的最小间隙 单位:mm

3 安全设施布置

3.1 逃生通道

根据工程总体布置,逃生通道设置在施工通道相距远的TBM掘进洞段。根据逃生通道的适用性,通道设置按照预防“坐以待毙”原则,将逃生通道设置在危险源与施工掌子面之间,以保证发生“断后路”事故时施工人员可通过逃生通道通往地面。逃生通道型式可分为斜井、缓斜井及竖井三种方式,考虑快速施工、安全可靠、工期保证率高及经济合理等因素,逃生通道采用竖井的通道型式。竖井式逃生通道的优点一是施工工期较短,二是断面布置紧凑,相比平洞及斜井投资小,三是可与通风结合布置,一井两用。

根据机械化快速施工最小断面拟定,逃生竖井井筒断面为圆形,直径4.5 m。竖井井内布置梯子间和单罐笼。参照GB l6423-2020《金属非金属矿山安全规程》中的规定,提升容器之间、提升容器与井壁或罐道梁之间的最小间隙应满足下表中的要求。

图1 井筒横断面内逃生设施布置 单位:mm

竖井内设置两种逃生设施,一是梯子间作为应急安全出口;二是罐笼做为人员撤离提升设备。经复核,井筒内布置的梯子间和罐笼的尺寸满足规范要求。

梯子间由爬梯、梯子钢梁、休息平台和梯子间外侧防护网组成,平面尺寸为1.94 m×1.2 m(长×宽),层间距4.0 m。梯子大梁选用I25工字钢,两端采用M27树脂锚杆固定,梯子结构小梁采用2根14号工字钢,一端采用M27树脂锚杆与井壁固定,另一端与梯子间结构大梁连接,梯子平台采用6 mm厚花纹钢板;梯子间外侧采用铁丝编制成的金属网防护。

罐笼尺寸2.5 m×1.5 m×2.5 m(长×宽×高),采用钢丝绳罐道,钢丝绳罐道采用四角布置,使用30 mm密封钢丝绳,采用液压螺杆拉紧式装置拉紧。采用凿井提升机JKZ-2.8×2.2提升。

逃生竖井布置在主洞侧面,竖井中心线与主洞中心线间距20 m,两者之间由连接洞室相连。

竖井井口布置凿井井架及提升机房,井架内设置箕斗卸载装置。

图2 井底连接洞室平面 单位:mm

图3 Ⅲ型凿井井架

无事故发生时,罐笼悬空出井口,竖井作为通风井使用,一旦发生塌方、突涌水、岩爆等事故造成施工人员无法从施工通道撤离时,施工人员可通过梯子间迅速撤出主洞范围,在休息平台等待,罐笼作为上下人“电梯”使用,迅速将施工人员提升至地面。

3.2 逃生管道

隧洞施工无论是TBM掘进洞段还是钻爆洞段,掌子面施工人数最多,钻爆段施工掌子面人数一般不超过9人,TBM掘进洞段施工人数为20～28人,其施工人数占该工作面施工人数90%以上,因此,确保掌子面施工人员安全等同于避免重大安全事故发生。

逃生管道不仅适用于TBM掘进洞段,也适用于钻爆洞段,其优点是经济实用,可随掌子面移动跟进。逃生管道布置部位、材料、连接方式等布置形式参照《铁路隧道施工抢险救援指导意见》中抢险救援预案中相关规定进行布置。

钻爆洞段隧洞断面为平底马蹄型,开挖洞径为7.75～8.15 m,TBM施工洞段为圆型,开挖洞径为7.8 m。逃生管道内径不宜小于0.8 m,布置在隧洞右侧,贴洞壁摆放。逃生管道用工字钢架离地面40 cm。

图4 钻爆法施工洞段逃生管道布置 单位:mm

逃生管道已广泛应用至公路、铁路隧道施工中,并有相关的规范要求。

3.3 避难洞室

避难洞室设置原则参考《煤矿安全规程》中关于避难洞室设置的相关规定。根据避难洞室适用性,避难洞室主要功能为发生火灾、塌方、岩爆、有毒有害气体及涌水事故时人员避险。按照工作面施工人数,以单工作面为例,掘进、运输、皮带班、综合保障等施工小组施工人数为24人,考虑1.1的备用系数,设计避难人数为27人。根据每人应有不低于0.9 m2有效使用面积的原则,避难洞室生存室设计洞长7 m,有效使用面积为28 m2。

图5 TBM施工洞段逃生管道布置 单位:mm

避难主要设置部位为主支洞交叉口、不良地质段于掌子面之间。洞室分为过渡室、生存室。避难洞室采用120°城门洞型,断面尺寸为寸4.00 m×2.96 m(宽×高),底板高程高于主洞底板高程0.5 m。

避难洞室安全出口应采用向外开启的两道门结构。外侧第一道门采用既能抵挡一定强度的冲击波,又能阻挡有毒有害气体的防护密闭门;第二道门采用能阻挡有毒有害气体的密闭门。两道门之间为过渡室,密闭门之内为避难生存室。防护密闭门密封计抗冲击压力参照《煤矿安全规程》相关要求执行。

避难洞室均采用40 cm钢筋混凝土二次衬砌,一次支护采用喷C25混凝土厚20 cm,16号钢拱架,榀距1.0 m,直径8 mm钢筋网(200 mm×200 mm),设直径25 mm砂浆锚杆(L=3.0 m,间排距1.5 m)。避难洞室均布置在主支洞交汇口附近,目前均已开挖完成。避难洞室选择在已揭露无水洞段,如施工过程中如遇线性出水情况,采用固结灌浆方式堵水。如预防危险源为涌水时应设置连接洞,使生存室底板高于主洞底板3.5 m以上。

图6 避难洞室典型平面布置 单位:mm

避难洞室内除人员临时避险外应布置应急通风管道及应急通讯设施,事故发生时确保洞内施工人员生存供氧充足且可向外联系,使洞外人员徐速了解灾情,以便有针对性组织救援。

3.3.1应急通风布置

避难洞室布置在主洞支洞交汇口处,施工支洞为钻爆洞,根据施工方案,隧洞内布置有压风管道,避难洞室供风采用由机械压风管道连接三通管道,埋入式布置将供风管道接入避难洞室内。

如在主洞段设置避难洞室,应急通风也可在洞顶设置至地面的通气孔,孔径200 mm。按照避难洞室建设标准,供风量不低于0.3 m3/min·人。本避难洞室设计避难人数为24人,洞顶设置VY-9/7-c柴油移动式空压机,排气量3 m3/min。

3.3.2应急通讯布置

为使洞内施工人员保持通讯通畅,隧洞内布置应急通讯系统。通讯系统主要由通讯线缆、通讯电话及穿线管道构成。通讯线缆布置在隧洞一侧,采用地埋式布置,接入避难洞室内。

3.4 自救器

自救器是井下发生火灾、有毒有害气体时防止施工人员中毒或缺氧窒息的一种随身携带的呼吸保护器具。当事故发生时,掌子面施工人员、沿洞线施工人员及安全员、巡检员距安全设施较远,需配自救器供人员安全抵达避难洞室或逃生通道。由于自救器安全使用时间为40 min,因此在主洞施工工作面每2 km设置一个自救器存放站,可于洞内微型消防站、洞内通讯设施联合布置成为固定应急救援站。

3.5 救生舱

救生舱最大优点是作为移动式避难场所随时跟随在施工掌子面附近,如发生“断后路”事故,施工人员可快速避险,等待救援。救生舱应按以下原则配置:

(1) TBM设备后配套中必须设置救生舱,救生舱应能满足一个工作班制的工作人员临时避难。

(2) 移动救生舱应具备安全防护、氧气供给保障、空气净化与温湿度调节、环境监测、通讯、照明、动力供应、人员生存保障等基本功能,额定防护时间不低于96 h。

(3) 在整个额定防护时间内,移动救生避难舱中含氧量应在18.5%～23.0%,舱内稳定不应高于35℃,湿度不应大于85%,保证紧急避险设施内始终处于不低于100帕的正压状态。

救生舱及配套台车布置如图7所示:

图7 救生舱及配套台车布置

救生舱配置应能容纳掌子面施工人员。救生舱尺寸为9.5 m×1.2 m×2.2 m(长×宽×高),一节救生舱容量为20人。移动救生舱可与TBM一体定制,不占用单独空间,距作业面距离近,紧急避险速度快。但移动救生舱属于被动应急避险装置,如遇短期内无法解决的安全事故,施工人员首选采用其他安全设置第一时间撤离地面,主动避险。

4 结 语

随着我国基础建设的快速发展,人们越来越重视施工安全,安全生产工作应当以人为本。虽然现场施工管理过程中已进行常态化安全教育,但施工人员安全意识仍然相对薄弱,一旦发生安全事故,对施工人员及其家庭都会带来巨大伤害。作为长距离深埋输水隧洞工程,应在规划阶针对工程特点段进行安全措施专项设计,指定适用于本工程实际的危险源辨识及评价,如针对于塌方、涌水、岩爆等不良地质条件造成的危险源以及如火灾、交通事故等因施工活动造成的危险源等,划分其危险源等级,并应对重大危险源设计经济实用且适用的安全措施并在工程施工过程中实施,如文中提出的综合安全井、逃生管道、避难洞室等。

除上述措施外在施工过程中根据工程设置的安全设施,应组织施工人员进行逃生应急演练,对安全事故进行分级分类,施工人员熟知在何种情况下首选哪类设施进行避险,提高事故发生时施工人员生还几率。安全综合井、避难洞室、逃生管道、自救器及微型消防站均已在本工程中投入使用。