高瓦斯隧道施工中設備防爆改裝方案探討

陰宏武

（中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

1 概述

在進行公路、鐵路的隧道施工中，經常會遇到含有瓦斯的地層，瓦斯對隧道施工的危害無需贅述，嚴重時往往會發生劇烈的瓦斯爆炸，造成重大人員傷亡和財產損失。根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》（JTG/T 3374-2020）規定，瓦斯隧道工區分為非瓦斯工區、微瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區、煤與瓦斯突出工區五類。當工區范圍內絕對瓦斯涌出量小于1.0m3/min時屬于微瓦斯工區，當絕對瓦斯涌出量小于3.0m3/min時屬于低瓦斯工區，當絕對瓦斯涌出量大于等于3.0m3/min時屬于高瓦斯工區。《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2019）與公路規范的判定標準略有出入，其判定指標比公路規范更加嚴苛。公路規范和鐵路規范都明確規定：微瓦斯和低瓦斯工區的作業機械可以使用非防爆型，高瓦斯工區和瓦斯突出工區的作業機械必須使用防爆型。

2 防爆型作業機械的應用現狀

按現行國家標準，防爆型機械應符合《爆炸性環境》（GB 3836.1~4-2010)、《爆炸性環境用工業車輛防爆技術通則》（GB/T 19854-2018)、《礦用防爆柴油機通用技術條件》（MT990-2006）、《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》（MT/T989-2006）等標準的規定，經過國家指定的檢驗單位檢驗合格，取得防爆合格證后才能投入使用。

目前國內生產防爆型機械的企業數量不在少數，已經取得防爆合格證的作業機械，類型和規格型號也為數眾多，如裝載機、挖掘機、自卸汽車、混凝土攪拌運輸車等。但是現有的這些防爆型設備都明顯存在著功率偏小、施工能力有限等不足之處，比如配置內燃柴油機的裝載機，現有防爆機型的最大功率都在60kw以下，額定載重量不大于2t（約1.0m3）；挖掘機斗容量不大于0.5m3，自卸汽車最大載重量為8-10t，混凝土攪拌運輸車最大容量不大于2m3。這樣的施工能力，與國內公路、鐵路隧道施工常規配置的2.3m3以上的裝載機，1.0m3以上的挖掘機，20t以上的自卸汽車，8m3以上的混凝土攪拌運輸車等設備相比較，其施工能力基本屬于微不足道了，根本滿足不了現場的施工要求和工期需要。而對于電動施工設備，因為目前蓄電池技術還處于起步階段，普遍存在著持續時間差強人意，所以生產電動施工機械的廠商少之又少，僅個別國際領先企業如卡特彼勒、沃爾沃、比亞迪等公司正在研發和試制大型電動施工設備。

3 施工單位目前的應對措施

對于高瓦斯隧道的施工，施工單位目前普遍采用的應對方式是對作業機械進行防爆改裝，使作業機械具備防爆能力。改裝的方式主要有三種類型：一是為作業機械加裝檢測和控制系統，使作業機械在被檢測到瓦斯濃度超標后強制熄火而停止作業，我們可以稱之為瓦斯閉鎖模式；二是對作業機械的動力系統、傳動系統等主要部件進行局部或全面的防爆改裝，使機械具備一定的防爆能力，我們稱之為設備防爆改裝模式；三是融合以上兩種方式，既對作業機械進行防爆改裝，又加裝檢測和控制系統，全面提升機械的防爆性能，我們稱之為全面防護模式。

3.1 瓦斯閉鎖模式

瓦斯閉鎖模式，主要是在施工的機械設備上安裝瓦斯檢測儀器，實時監測施工機械工作區域內的瓦斯濃度，當瓦斯濃度大于預先設定的警戒線時（一般為0.5%），報警器發出聲光報警，提示機械操作人員立即熄火停機，撤離危險區域。如果操作人員未執行停機或出現誤操作，控制系統會在發出報警信號后預設時間內（一般為60秒）通過自動裝置強制斷電斷油，迫使作業機械停機。當工作區域瓦斯濃度降低至安全范圍內后，機械不會自動重啟，必須經過手動恢復才能重新啟動；在工作區域內瓦斯濃度還沒有降到安全范圍內時，控制系統會自動鎖死，即使手動復位也無法啟動。

瓦斯閉鎖模式的優點是：

（1）改裝簡單快捷，維護方便、難度小，成本低廉系統運行穩定可靠，故障率低。改裝范圍小，對機械的原有系統性能基本沒有影響。實現自動控制，防止人為因素和誤操作。（2）適用范圍廣，可以通過簡單地換用不同的監測儀器來實現對硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等多種有害氣體，或爆炸性粉塵等進行安全防護。

瓦斯閉鎖模式的缺點是：

（1）作業機械本身不具備防爆性能。（2）不能滿足瓦斯突出工區的使用要求。

瓦斯閉鎖模式優點突出，效果明顯，得到了大多數單位的青睞和認可，被各施工單位廣泛采用，如渝廣高速華瑩山隧道、成都軌道交通18號線龍泉山隧道、西成客專黃家梁隧道等。部分單位在使用過程中，又增加了動力機機體溫度監測、排氣檢測、機械故障閉鎖等附加防護功能，進一步提升了瓦斯閉鎖模式的可靠性。

3.2 防爆改裝模式

防爆改裝模式是指對作業機械的各個主要組成系統進行防爆改造，使其本身具有一定程度的防爆性能。目前主要是對機械的動力系統和電氣系統進行改裝，包括改裝進氣系統，防止發動機回火；改裝排氣系統，降低機體表面溫度，消除排氣火焰和火花；改裝電氣系統，采用防爆發電機、防爆啟動馬達、防爆燈具和開關等；改裝控制系統，隨時監測防爆功能是否正常運行等。

防爆改裝模式的優點是：（1）作業機械具備了局部防爆性能，提高了機械的安全性。（2）有效擴大了作業機械的使用范圍，比如在瓦斯突出工區。

防爆改裝模式的缺點是：（1）機械只有局部防爆性能，依然達不到防爆設備的標準。（2）改裝成本高。（3）改裝技術難度大。（4）對機械原有性能影響大，機械效率下降明顯。（5）維護難度大，成本高，系統可靠性差。

防爆改裝模式是施工單位在高瓦斯隧道施工方法探索的過程中，早期的一種應對措施，比如南大梁高速公路華瑩山隧道，都汶公路紫坪鋪隧道都采用了這種改裝方式。但這種改裝方式存在明顯的不足，包括改裝技術難度大，成本高，對機械原有性能影響大，系統可靠性差等等；且這種改裝方式只是對作業機械的原有結構進行了局部的改裝改造，并不符合國家關于防爆設備的規范要求，所以也就無法滿足在高瓦斯環境中的使用要求。近年來有施工單位逐漸嘗試在這種改裝模式的基礎上，再增加瓦斯閉鎖功能，以期實現更高的安全可靠性。

3.3 全面防護模式

全面防護模式就是同時采用瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式，全面提升作業機械的防爆性能。全面防護模式兼具了瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式的優點，同時也延襲了兩種模式的缺點和不足，特別是系統復雜、技術難度大、成本高、對機械原有性能影響大、系統可靠性差等方面。

全面防護模式是目前國內高瓦斯隧道施工過程中，作業機械可以采用的最全面的防護措施，蒙華鐵路集義隧道、成貴鐵路文革隧道、天府機場高速公路龍泉山1號隧道等都采用了這種改裝模式。

4 各種改裝模式的分析

瓦斯閉鎖模式的核心就是瓦斯濃度超過警戒范圍時，作業機械停止工作，機械本身不具備任何防爆性能。防爆改裝模式雖然對作業機械進行了改裝改造，使機械具備了局部的防爆能力，但是機械本身不是按防爆設備的標準進行設計、制造的，除改裝部分外的其他結構和部件不具有防爆性，所以也不符合國家對防爆設備的檢驗、驗收規范；因此在實際使用過程中，防爆改裝模式也只能在瓦斯濃度處于警戒范圍內時使用。全面防護模式根據其工作原理可知也不能在高瓦斯環境中使用。

根據以上分析可知，目前無論是采用哪種改裝方式，作業機械都是在瓦斯濃度不超過警戒范圍時使用，當超過警戒范圍時停機。而且，即使是采用完全符合防爆標準的作業機械，其在施工過程中也會不可避免地產生摩擦高溫或碰撞火花，也同樣具有引發瓦斯爆炸的危險性。由此可知，如何判定作業工區內瓦斯濃度是否超過警戒范圍，以及如何采取應對措施以保證瓦斯濃度不超過警戒范圍，才是高瓦斯隧道安全施工的關鍵所在。

5 結語

按照目前執行的公路規范和鐵路規要求，高瓦斯工區和瓦斯突出工區的作業機械必須使用防爆型。即將開始于2020年5月1日起執行的《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》（JTG/T 3374—2020）中，對設備的防爆措施及防爆能力提出了新的解釋。

規范第9.3.3條規定：高瓦斯工區和煤與瓦斯突出工區的挖掘機、裝載機、運輸車、混凝土罐車、混凝土泵車等作業機械應采取防爆措施。高瓦斯工區的作業機械可安裝車載瓦斯自動監控報警與斷電系統的防爆裝置；煤與瓦斯突出工區的燃油作業機械應使用礦用防爆型柴油動力裝置。其條文說明中指出：車載瓦斯自動監控報警與斷電系統的防爆裝置，是在作業機械上加裝防爆或煤安認證的監控設備，提示車輛駕駛人員及時停止作業和控制車輛的所有供電線路，從而達到防爆目的。礦用防爆型柴油動力裝置是按車輛原有的電氣線路原理及功能，對蓄電池、發電機、啟動器（點火裝置）、用電設備（如照明指示燈具、喇叭、音箱、收音機、點煙器、空調設備等）、發熱部件、排氣口等采取防爆措施，改裝后的設備本身即具備防爆能力。

新規范指出，高瓦斯工區的作業機械可安裝車載瓦斯自動監控報警與斷電系統的防爆裝置，也就是本文中提到的瓦斯閉鎖模式；煤與瓦斯突出工區的燃油作業機械應使用礦用防爆型柴油動力裝置，也就是本文中提到的防爆改裝模式。新規范的實施，將對高瓦斯隧道施工設備的防爆改裝方式起到極大的指導、規則作用，也使目前施工單位未能執行國家規范的尷尬局面得以緩解。