公路隧道施工瓦斯危害與防治

彭海

（四川省交通建設集團股份有限公司 四川成都 610000）

1 瓦斯的危害

1.1 瓦斯的概念

在隧道施工時，圍巖和煤層中會溢出成分復雜的有毒有害氣體，這些氣體被統稱為瓦斯。這種地質危害帶有一定的特殊性。瓦斯中的氣體如若發生災害，往往會引發重大災害，這些氣體包括一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）等。狹義上的瓦斯是指以甲烷（CH4）為主，其是一種無色無味的氣體，在標準狀態（溫度為0℃、大氣壓為101.3kPa）下比空氣輕（瓦斯的密度為0.716kg/m3，空氣密度為1.29kg/m3）。

在修建隧道時，往往采用鉆爆法施工，在爆破作業過程中，爆破面會急劇逸出瓦斯氣體。由于瓦斯氣體密度小，因此，如果隧道內的空氣流通狀況不好，極易在隧道拱頂大量積聚［1］，一旦隧道內空氣中瓦斯含量超過一定濃度，會變得極其不穩定，一旦遇到火源或者高溫物體，很可能發生爆炸。

1.2 高速公路瓦斯隧道的分類

高速公路瓦斯隧道通常分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道3種類型。而分類的標準則取決于隧道內瓦斯工區最高級。瓦斯工區是指在地層含有瓦斯的隧道施工區段，瓦斯隧道工區又分為非瓦斯、低瓦斯、高瓦斯及瓦斯突出工區4 類。依照瓦斯涌出量來判定等級。在衡量高、低瓦斯工區時，存在一個標準，即0.5m3/min［2］，如果全工區瓦斯涌出量不超過這個標準，即為低瓦斯工區，反之則為高瓦斯工區。瓦斯地層或瓦斯工區絕對瓦斯涌出量判定指標見表1。

表1 瓦斯工區絕對瓦斯涌出量判定指標

一旦在瓦斯隧道中某處發現了危險源或者風險區，則該地段則會被認定為瓦斯突出危險工區。判斷瓦斯是否突出的標準如下：瓦斯壓力P≥0.74MPa，瓦斯放散初速度ΔP≥10。

1.3 瓦斯的危害

瓦斯會帶來多種危害，如瓦斯爆炸、瓦斯窒息、瓦斯燃燒等，這些都會引發事故，往往會給施工作業人員帶來重大危險。

1.3.1 瓦斯窒息

甲烷這種氣體本身是無毒的，但是一旦空氣中甲烷的比例超過一定量時，就必然會導致空氣中的氧氣濃度迅速降低。一旦空氣中的氧含量降到17%時，人們就會感到呼吸困難；而當其下降到12%以下時，就會使人發生窒息甚至死亡。

1.3.2 瓦斯燃燒與爆炸

瓦斯發生爆炸會產生有毒有害氣體、沖擊波及高溫焰面。在隧道中，化學反應區和高溫氣體處于運動中，就會形成焰面。焰面的溫度非常高，基本可以達到2150～2650℃，速度非常快，最高可達2500m/s，焰面所經之處會發生嚴重火災，且災情會不斷擴大。瓦斯爆炸是瓦斯隧道施工中最嚴重的事故，一旦發生爆炸，就會造成作業人員嚴重傷亡。

1.3.3 巖與瓦斯突出大量瓦斯從隧道裂隙中噴出僅需要極短的時間，最多幾個小時，短則幾分鐘，瓦斯噴出時伴有巨大轟響，其中夾雜著巖塊或者煤塊。

2 瓦斯的防治及措施

2.1 瓦斯發生爆炸的條件

瓦斯爆炸必須同時滿足以下3 個條件：一是要有足夠高的瓦斯濃度；二是存在高溫火源，能夠引燃瓦斯氣體；三是有充足的氧氣。

2.1.1 瓦斯濃度

瓦斯爆炸對于濃度有一定的要求，瓦斯爆炸界限通常來說下限是5%，上限是16%［3］。若空氣中的瓦斯濃度不足5%，即便有火源也不會爆炸，但是會出現燃層；如果瓦斯含量達到了9.5%，此時瓦斯爆炸產生的威力是最大的；若瓦斯濃度超過16%，也不會爆炸，但是遇到高溫火源會發生燃燒［4］。瓦斯濃度控制標準和瓦斯超限處理措施見表2。

表2 瓦斯濃度控制標準和瓦斯超限處理措施

2.1.2 引火溫度

引火溫度是指能夠引發瓦斯燃燒或者爆炸的燃點溫度。一般來說，引火溫度介于650～750℃之間，但是這一溫度區間并不是絕對的，它還會受到諸多因素的影響，如混合氣體壓力、瓦斯氣體濃度等。

由于瓦斯存在火延遲性，在瓦斯接觸高溫熱源時，并非馬上爆炸或者燃燒，中間還會有一個短暫的間隔時間，這個時間間隔被稱為感應期。感應期的長短受許多因素影響，如火源溫度、瓦斯濃度、混合氣體壓力等。火源溫度和感應期時長呈現出反相關，而瓦斯濃度和感應期呈現出正相關，合理利用這個感應期對安全生產有巨大的作用。例如，在使用炸藥爆破時，其初溫非常高，能夠達到2000℃，但是，由于高溫存在的時間非常短暫，通常只有千分之幾秒，它并不會引起瓦斯的爆炸，因此，可以選擇合適的雷管來控制爆破時間，以防止逸出的瓦斯發生爆炸。

2.1.3 氧的濃度

如果混合氣體中氧氣含量不足12%，瓦斯不會爆炸。在判斷火區是否會發生瓦斯爆炸時，可以靈活運用氧含量與瓦斯爆炸之間的關系，這一理論在密封或啟封火災區時具有指導意義。

2.2 瓦斯及有害氣體防治

防止瓦斯燃燒、爆炸，通常有如下幾種方法。（1）防止瓦斯聚集。在生產工作中，應該注意通風，避免瓦斯積聚導致隧道之中瓦斯濃度過高。（2）防止瓦斯被引燃。配電箱等設備要帶有防爆功能，加強用火管理，嚴禁明火。（3）建立應急管理體系，防止事故發生和擴大。（4）加強瓦斯檢測。在監測瓦斯濃度時，采用兩套系統，采用人工與自動兩種方式相結合的檢測方式，一旦發現瓦斯濃度超標，立即按照瓦斯管理辦法采取應急措施。

瓦斯積聚的部位主要為隧道拱頂、開挖凹陷處、隧道塌腔、隧道施工斷面變化處（襯砌施工端頭、模板臺車施工前后）、隧道洞室、及會車道、橫通道處、通風死角、大型機械經常停留處。加強隧道通風，合理布設局扇位置，是防止瓦斯聚集的關鍵措施。

嚴格按照瓦斯及有害氣體監測設計配置合適的監測儀器，嚴格按照檢測標準和程序實施瓦斯檢測，是確保瓦斯管控達標的重要手段。

2.2.1 做好超前預報工作

為保證隧道施工安全，應該認真分析瓦斯隧道地質構造和地層特點，必須進行地質預報工作。為了確保信息準確，需要選取多種探測方法進行驗證。根據預報的結果，要采取相應的方法治理瓦斯問題，把安全事故發生率降到最低。

2.2.2 防止瓦斯的積聚

防止瓦斯的積聚通常是加強隧道內的通風，確保瓦斯隧道在整個施工時間內風機不停止通風，通過大量新鮮風的送入，把隧道內瓦斯排除隧道外，同時它也是排除隧道內煙塵的主要手段。通風必須編制專門的通風方案，并配備專門的通風工程師，通風設備必須采用防爆風機并安裝備用風機和備用供電系統。同時，還需要保證備用電源和風機之間能夠自動切換，確保保持24h不間斷通風，當主電源斷電之后，備用電源必須在10min之內向風機供電［5］。

2.2.3 嚴控火源

（1）要加強管理，樹立全員防火意識。在管理中，需要提高管理人員和作業人員的自身素質，如果做不到這點，就無法杜絕在隧道中出現瓦斯點火源。因此，要加強作業人員的培訓，熟悉隧道的防火、防爆知識，嚴格落實相關規定，一旦發現問題，嚴格處理，這是防止火源出現的關鍵點。

（2）防止放炮火源。爆破作業要嚴格按照《煤礦安全規程》，使用專用炸藥，不允許使用普通乳化炸藥。嚴格按照管理制度規定，在爆破作業點必須做到“一炮三檢”及“三人連鎖放炮”，確保爆破前后的瓦斯濃度在可控范圍內。爆破的位置、裝藥量、炮眼深度都需要經過專門設計，不允許采用裸露放炮線路，嚴禁使用明接頭。在執行爆破作業時，必須嚴格按照方案操作，把炮眼填嚴實，填充炮眼的材料必須是水炮泥，不允許使用可燃性物質，不允許放糊炮和明炮。

（3）防止電氣火源和靜電火源。靜電會產生火花，所以，進入瓦斯隧道中作業的人員一律不允許穿化纖服，進洞必須穿統一發放的棉工作服。使用塑料、橡膠制品等這類物品，表面電阻不得超過安全規定值。

（4）嚴禁明火進洞。作業人員嚴禁攜帶香煙、打火機等易燃易爆物品進入隧道。必須動火作業時，要經過項目經理的批準，并指定專職安全人員、瓦斯檢查人員蹲點值守。在隧道洞口20m 范圍內不允許使用火源，也不允許在此范圍內進行電氣焊作業。在隧道內，嚴禁存放一切易燃易爆物，如柴油、木材、防水板等。

2.2.4 加強瓦斯的監測、檢測工作

通過分析各種瓦斯隧道事故，不難找出造成事故的原因：既沒有嚴格監測瓦斯信息，也沒有按照規范進行施工。為了避免在隧道施工出現安全事故，必須對瓦斯進行監測。在隧道施工中，瓦斯濃度的檢測非常重要，這項工作的目的在于保證施工安全。在實施監控過程中，必須做到雙管齊下，一方面使用人工監測，一方面進行自動設備監測，將這兩種模式結合起來，確保監測的準確性，提高施工安全度。

（1）在爆破過程中，要從管理層面嚴格執行“一炮三檢”及“三人連鎖放炮”制度。除了瓦斯檢查人員對瓦斯濃度進行檢測之外，爆破工、班（組）長也需要進行檢測，檢測完成之后，進行核對，取3 人檢測的最大濃度值作為處理依據。

（2）瓦檢人員必須按照制度規定對瓦斯進行定期檢測，將檢測內容填寫到專門的表格當中，在專用瓦斯檢測記錄牌上填寫結果，同時用防爆照相機拍下影像資料。

（3）專職安全管理人員必須對瓦斯檢查班報表進行審閱，不定時抽查瓦斯檢測情況，隨時掌握隧道內瓦斯監測情況，一旦發現異常，應立即按照應急管理程序處理，并向項目經理及時匯報。

（4）必須定期調試和校正用于安全檢測的儀器儀表。安全部門需要全面對隧道各工區使用的所有檢測儀器送有檢測資質的相關單位進行檢驗，進行性能測試、校正，并按照相應管理要求存檔備查。

2.2.5 建立完善的管理制度

只有嚴格落實安全管理制度，才能保證安全生產。在施工前，需要專門制訂施工方案，建立完善的安全制度，如隧道通風、瓦斯檢測、隧道門禁系統、“一炮三檢”及“三人連鎖放炮”、動火審批制度等。施工人員進洞之前要穿上統一的工裝，值班人員對其攜帶的物品進行仔細檢查，不允許將手機、煙草、打火機等物帶入隧道之中。若從事電焊、氣割作業，必須事前獲得審批。如果需要將車輛駛入高瓦斯隧道，還需要安裝尾氣排放凈化器，否則尾氣可能成為危險源。

3 瓦斯災害的應急救援

（1）針對瓦斯災害，要編制應急救援預案，要求所有施工人員均參加學習預案［6］。同時，與當地礦山救援隊簽訂合作協議，每年定期舉行應急演練，增強事故發生時應急處理能力，做到預防為主、防消結合，確保隧道安全施工。

（2）一旦發生事故，要按照預案要求和步驟開展救援工作。瓦斯爆炸之后還有可能繼續爆炸，在救援過程中，不允許人員隨意進洞，一定要在保證安全的前提下進行科學救援，防止二次事故的發生。

4 結語

高速公路瓦斯隧道施工風險重大，為了保證安全生產，要加強超前預報，做到預防為主、防治結合。加強通風，把隧道中的瓦斯濃度盡可能降到最低；嚴禁火源；加強瓦斯監控和檢測；在隧道中使用的設備必須經過專業改裝；與此同時，還需要嚴格落實各項管理，確保安全生產。