非煤系地層隧道瓦斯意外涌出處置及變更設計要點

楊 濤

(中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，河北 高碑店 030032)

0 引 言

我國是目前世界上公路隧道建設規(guī)模最大、難度最高與數(shù)量最多的國家[1]。隨著隧道數(shù)量的增多，越來越多的隧道穿越瓦斯積聚區(qū)山脈，瓦斯問題日益突出。瓦斯隧道分為煤系地層瓦斯隧道和非煤系地層瓦斯隧道。煤系地層隧道瓦斯分布位置、煤層參數(shù)可通過勘探獲知，便于組織施工和采取針對性的防治對策。但是非煤系地層隧道在勘探階段很難發(fā)現(xiàn)瓦斯存在，多在施工時意外出現(xiàn)，突發(fā)性強。根據(jù)國內外瓦斯隧道事故統(tǒng)計結果，非煤系地層隧道瓦斯事故率遠大于煤系地層[2]。因此，對于非煤系地層隧道的瓦斯管理和控制十分關鍵。

非煤系地層隧道瓦斯的來源、溢出規(guī)律、涌出量是進行瓦斯等級評估的重要依據(jù)?？敌”萚3]將非煤系地層分為三構造連通型、圍巖變質型和復合型，構造連通型分為斷層連通型、褶皺連通型、裂隙連通型。魏有儀等[4]指出非煤系地層瓦斯的賦存形式一般以游離態(tài)為主，在隨道中的涌出地點、壓力和涌出量具有不確定性。當隧道開挖直接揭穿瓦斯氣體相對密閉的存儲空間時，瓦斯便會突然涌入隧道。由于非煤系地層隧道在設計時難以確定瓦斯設防位置，因此施工過程中勢必要對瓦斯?jié)撛诘貙舆M行超前探測，瓦斯意外出現(xiàn)后還需進行應急處置。陳其學等[5]針對非煤系地層隧道瓦斯異常涌出危險性，提出基于動力現(xiàn)象和基于瓦斯壓力測定的定性定量結合預判手段。非煤系地層隧道瓦斯危險性較高時，還需進行設計變更。宋彬[6]指出設計變更直接影響設項目費用的使用狀況，使高速公路建設項目費用難以控制。因此，目前業(yè)主單位對設計變更的管理日趨嚴格，但是目前依然缺少針對非煤系地層隧道意外出現(xiàn)瓦斯后的完整處置方案。

針對上述問題，本文以重慶石柱至黔江高速公路七曜山隧道為研究對象，結合瓦斯溢出后的處理過程，提出非煤系地層隧道瓦斯意外涌出后的變更設計要點，以期為同類隧道提供參考。

1 七曜山隧道

七曜山隧道為重慶石柱至黔江高速公路全線單洞最長的隧道，左洞全長5 378 m(起訖里程K16+368-K21+764)，右洞全長5 400 m(起訖里程YK16+386-YK21+786)，為特長隧道，也是全線重點控制工程，如圖1所示。

圖1 七曜山隧道洞口

隧道出口端原設計不穿越煤層，勘察過程中也沒發(fā)現(xiàn)有瓦斯跡象，故出口段無瓦斯相關設計。2019年8月1日，七曜山隧道出口端左洞施工至K20+323處洞內瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常，在K20+423處拱頂瓦斯溢出量增加，經(jīng)檢測拱頂瓦斯?jié)舛瘸^儀器量程(10%以上)。隧道在開挖掘進施工過程中發(fā)現(xiàn)左線K20+322處掌子面有瓦斯及有毒有害氣體突然突出，造成掌子面起火燃燒。

2 隧道瓦斯意外涌出后的應急方案

七耀山隧道行超前地質鉆探氣體采樣與檢測結果見表1，可以看出溢出氣體主要由甲烷、氧氣和氮氣構成，為典型的瓦斯氣體。根據(jù)檢測結果，七曜山隧道出口段左洞ZK20+373、ZK20+423、ZK20+473里程處及右洞YK20+410、YK20+460、YK20+510里程均檢測到隧道內有瓦斯氣體涌出。結合實際檢測與預測結果，七曜山隧道出口段左洞瓦斯絕對涌出量在1.70～2.16 m3/min、右洞瓦斯絕對涌出量在1.59～1.82 m3/min，為高瓦斯工區(qū)。

表1 七曜山隧道瓦斯組分

3 非煤系地層瓦斯隧道變更設計要點

鑒于七曜山隧道的瓦斯涌出量評價結果為高瓦斯隧道，原有的施工設計已無法滿足安全建設要求。信息收集處理與決策結果為應進行設計變更，將剩余瓦斯段施工設計為高瓦斯隧道標準。

3.1 業(yè)主單位的設計變更管理特征

工程設計對投資影響顯著，業(yè)主單位十分重視設計階段的造價管理力度。設計變更會導致合同工程計量清單的工程數(shù)量、單價或總額價的變化，影響成本管理。因此，建設單位已逐步規(guī)范工程設計變更管理，以投資前提為依據(jù)，通過分級管理來控制設計變更頻率，提高設計變更審批水平，從源頭上規(guī)避設計變更的出現(xiàn)。可見，業(yè)主單位從成本控制等角度是限制設計變更出現(xiàn)的。

3.2 設計變更的實施原則及策略

在業(yè)主單位嚴格控制設計變更的背景下，為順利完成七曜山高瓦斯隧道設計變更工作，建設單位與設計單位通過規(guī)范變更文件、程序、保證周期以及風險評估等手段，保證設計變更順利進行。

3.2.1 設計變更實施原則

七曜山高瓦斯隧道變更設計實施原則包括：

(1)遵循工程建設管理規(guī)定。按照工程建設管理規(guī)定進行變更，發(fā)揮發(fā)揮不同管理層次的職權，有效改善設計變更管理效率。

(2)有效降低設計變更的影響程度，向審批機關和項目管理機構說明設計變更的必要性，充分說明設計變更對項目資金投入、工期以及項目運行過程中的安全問題和質量問題產(chǎn)生的影響。

(3)從工程特點出發(fā)對設計變更予以界定，根據(jù)工程項目建設所具有的特點，制定設計變更的界定標準，防止出現(xiàn)不合理的變更內容。

3.2.2 設計變更實施策略

(1)保證設計周期。為保證設計變更的合理性和及時性，在勘察與瓦斯檢測結果基礎上，按照文件的要求以及相關的技術標準展開工作，在有效工作周期內完成工程建設方案，并報有關審核部門審核，以免變更設計周期過長而影響工程進度。

在2019年8月七曜山隧道出現(xiàn)瓦斯溢出量超標及明火燃燒警情后，項目部立即委托第三位機構進行瓦斯檢測，查明瓦斯來源和測定瓦斯涌出量，確定隧道瓦斯等級。11月份即向業(yè)主提交《石柱至黔江高速公路(第SQTJ2、SQTJ3合同段七耀山隧道瓦斯氣體處治)變更設計文件》。

(2)規(guī)范設計變更內容。設計文件變更中，出具工程變更單，涵蓋變更的原因、依據(jù)和范圍，以及采用的技術標準、變更內容，明確變更之后的項目數(shù)量。設計文件變更與工程量清單具有直接相關性，需要明確每一項變更前后的單價、數(shù)量和金額。

(3)規(guī)范設計變更程序。強化設計變更管理工作，設計變更由監(jiān)理單位參與監(jiān)督，設計變更導致資金使用情況發(fā)生變化時，明確劃分。設計變更以及監(jiān)督設計變更過程中所產(chǎn)生的資金投入增加問題，從控制成本的角度進行詳細說明。

(4)進行風險評估。工程項目設計變更會導致一些不可預測的后果，因此應對設計變更的風險進行評估，通過積極、有意識地策劃和組織，對于各種不利因素做好協(xié)調工作，對風險提出預防措施，避免產(chǎn)生風險事故。七曜山變更設計文件針對瓦斯隧道安全施工進行了詳細規(guī)劃與設計，采取各種有效措施對瓦斯風險予以控制。

3.3 設計變更主要內容

非煤系地層隧道施工過程中改變?yōu)楦咄咚顾淼篮螅O計變更主要內容應包括隧道襯砌的瓦斯封閉結構設計和安全施工專項設計。其中，瓦斯封閉設計包括復合式襯砌結構設計、二次襯砌施工縫、變形縫設計、全封閉瓦斯隔離層設計、超前周邊注漿與開挖后徑向注漿封閉措施設計等。安全專項設計包括安全生產(chǎn)管理機構的設置及安全培訓計劃、機械配置及防爆設計、電氣設備配置與供配電系統(tǒng)設計、通風系統(tǒng)設計與管理制度、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計與超限管理制度、鉆爆工法及爆破制度、超前地質預報制度、事故預防與應急救援預案設計等。

《石柱至黔江高速公路(第SQTJ2、SQTJ3合同段七耀山隧道瓦斯氣體處治)變更設計文件》中針對瓦斯應對措施的設計文件內容包括：①變更設計說明文件；②變更增減工程數(shù)量表；③隧道(地質)平面圖；④隧道左洞(地質)縱斷面圖；⑤隧道右洞(地質)縱斷面圖；⑥隧道穿越瓦斯氣體段作業(yè)流程圖；⑦隧道穿越瓦斯氣體段超前探測及防突設計圖；⑧洞身深埋瓦斯段Ⅴ級圍巖襯砌斷面圖;⑨洞身深埋瓦斯段Ⅳ級圍巖襯砌斷面圖;⑩洞身深埋瓦斯段Ⅳ級圍巖隧道與洞內變電所橫通道交叉口處主洞加強段襯砌斷面圖;洞身深埋瓦斯段Ⅲ級圍巖襯砌斷面圖;深埋瓦斯段Ⅳ級圍巖緊急停車帶襯砌斷面圖;深埋瓦斯段Ⅳ級圍巖車行橫通道襯砌斷面圖;深埋瓦斯段Ⅳ級圍巖人行橫通道襯砌斷面圖;瓦斯段鋼拱架連接及鎖腳錨桿墊板設計圖;隧道施工縫、沉降縫防滲設計圖;隧道瓦斯排放系統(tǒng)設計圖;隧道瓦斯段注漿堵氣動態(tài)設計圖;洞內空氣環(huán)境監(jiān)控設計圖;隧道施工環(huán)境監(jiān)控管理;CH4檢測器預埋管圖;隧道出口段消防水池設計圖;變更預算。其中，文件①～⑤為變更設計說明文件，⑥、⑧～、為隧道本體或附屬構筑物結構型式設計文件，⑦、、為瓦斯引排設計文件，～為瓦斯監(jiān)測設計文件，為總預算和各分項預算列表及說明。

5 結 論

非煤系地層隧道在勘探階段往往很難發(fā)現(xiàn)圍巖中含有瓦斯氣體，施工過程中瓦斯溢出具有顯著的隨機性和不均勻性特征，突發(fā)性強，事故率高。在施工過程中，應建立完善的瓦斯監(jiān)測制度和應急處置方案。當出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?、明火燃燒等瓦斯警情時，應采用停止作業(yè)、撤離人員等應急措施，并進行瓦斯成分檢測、來源分析、涌出量監(jiān)測與等級評估等工作，明確瓦斯?jié)撛谖ｋU性。

業(yè)主單位從成本控制等角度是限制設計變更出現(xiàn)的。非煤系地層隧道在進行瓦斯出現(xiàn)后的設計變更時，建設單位與設計單位應規(guī)范設計變更內容與程序，向審批機關和項目管理機構說明變更必要性，保證在設計周期內完成變更。