高瓦斯隧道施工安全風險控制措施研究

張曉利，宋家利，石志強

(中建七局第一建筑有限公司，北京 100162)

0 引 言

目前，我國公路隧道建設工程在實施中遇到的瓦斯隧道越來越多，因此，加大對此類工程項目施工中的瓦斯安全風險控制、完善隧道中瓦斯濃度檢測方法、建立施工作業安全保障體系與管控模式等工作的重要性越發顯著[1]。為了盡快推進此項工作，提高含有高濃度瓦斯隧道施工的安全性，本文將對施工中的安全風險控制策略展開進一步的探討。

1 瓦斯的性質與防治難點

瓦斯氣體主要是指在井下，以甲烷氣體為主要成分的有毒、有害氣體，對瓦斯氣體的性質見表1。

表1 瓦斯氣體性質

完成上述表1對瓦斯氣體性質的分析后，考慮到此類氣體的相對密度較低，因此，可以認為瓦斯氣體質量<空氣質量，在隧道中，瓦斯氣體大多匯聚在隧道頂部、上部斷面位置，當隧道內氣體流通性較大或風量供應力不足時，隧道中的瓦斯氣體會形成一個中流層，大量瓦斯匯聚在一起形成高濃度瓦斯，這也是大部分隧道工程在施工作業時需要重點關注的區域。

交通運輸部《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》(JTG/T 3374—2020)中，明確規定了含有高濃度瓦斯的隧道，在施工中回流風速至少應>1.0 m/s[2]。施工過程中，部分工程監理人員與工程技術人員缺少高瓦斯隧道施工經驗，施工中他們無法對瓦斯濃度進行精準判斷與預測，為了避免工程實施中出現安全生產事故，施工前通常會采用對隧道高速送風的方式，對隧道中瓦斯濃度進行稀釋，但此種做法是十分不科學[3]的。綜上所述，此類工程在實施中最大的防治難點為技術難點與認知挑戰。

2 高瓦斯的危害

瓦斯氣體本身是不具備毒性的，但環境中瓦斯氣體濃度超出標準后，空氣中氧氣的濃度將呈現一種下降趨勢。在環境壓力穩定不變的條件下，不同瓦斯濃度的危害如圖1所示。

圖1 不同瓦斯濃度的危害描述

當環境中瓦斯氣體達到一定濃度后，遇到高溫環境或遇到火源將發生爆炸風險，瓦斯氣體發生爆炸的條件如圖2所示。

圖2 瓦斯氣體發生爆炸的條件

綜上所述，高瓦斯在滿足條件下的危險性與危害性是較高的。

3 高瓦斯隧道施工安全風險控制方法

3.1 隧道施工中瓦斯濃度安全風險預測與檢測

針對上述高瓦斯隧道施工中存在的危害問題，為了確保對安全風險的控制，針對其風險情況進行預測和檢測。在實際實施過程中，采用3個長度均為25 m的T89型號超前探孔，對瓦斯濃度進行預測。探孔的終點位置在隧道開挖結構輪廓線之外的2.5～5.5 m，并同時輔以加深炮眼，超前探明施工前方位置瓦斯濃度含量以及瓦斯儲存情況[4]。一旦從探孔當中檢測到前方施工區域內存在大量瓦斯，則應當進一步增加超前探孔的設置密度，同時強化對瓦斯含量的檢測，并確保良好的通風條件。同時，在隧道施工現場，還需要對瓦斯濃度檢測裝置和報警裝置進行安裝，并確保兩種裝置相互之間具有連接，能夠在檢測裝置檢測到瓦斯濃度超標時，第一時間通過報警裝置進行預警[5]。除此之外，針對其他相關檢測裝置的安裝應當按照圖3所示內容完成。

圖3 高瓦斯隧道施工內部檢測設備及管線布置示意圖

圖3中，編號A～I分別表示：防暴高壓電纜、防暴照明電纜、防暴動力電纜、瓦斯檢測與通信線路、通風管道、瓦斯油排放管道、污水排放管道、高壓水管、高壓風管。根據圖3中所示的內容完成對內部檢測設備及各個管線的布置后，能夠為實現瓦斯濃度信息化檢測提供基礎硬件條件。同時，在預測和檢測的過程中，還可引入數據挖掘技術針對不同的安全風險問題，采用建立安全風險數據挖掘模型的方式，對施工中行為進行安全預警，從而提高施工作業行為的規范性[6]。在構建模型時，可利用以往相似施工項目的歷史數據，在此基礎上，構建數學模型，并利用模型進行預測，形成知識庫，利用知識庫當中的規則對施工現場的數據進行推算，從而實現對瓦斯濃度的安全預測。

3.2 控制施工中火源、氧氣濃度及瓦斯濃度

在按照上述內容完成對隧道施工中瓦斯濃度安全風險預測與檢測后，為了確保避免安全風險事故的發生，或在已經發生事故的情況下，將危害降低到最小，還需要在施工過程中對火源、氧氣濃度及瓦斯濃度進行實時控制。首先，針對施工現場的火源進行控制，在選擇施工設備時，盡可能選用帶有防爆屬性的設備，并加強對防爆電氣設備的維護。同時，由于經過防爆改裝后的設備不具備安全可行性，因此針對現有施工設備不可對其進行防爆處理。在實際施工時，盡可能避免出現放水板、鋼筋焊接等動火作業施工，以防止周圍瓦斯氣體被點燃出現爆炸現象。

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》可知，瓦斯的濃度超過12%是瓦斯爆炸的必要條件，因此針對這一特點，通過對施工區域內氧氣和瓦斯濃度的控制實現對安全風險的控制。在對氣體濃度進行控制時，可選擇在施工現場安裝氣體濃度控制器的方式實現控制。該控制器當中主要包含傳感器、數碼管、控制電路以及A/D轉換器等結構，使用控制器中的傳感裝置，對接施工現場環境，進行環境中瓦斯氣體濃度及其變化趨勢等信息的獲取，將獲取的信息通過計算機設備進行轉換，使信息以電信號的方式在傳感器設備中傳輸。考慮到此種信號在終端顯示屏上是以連續變化模擬信號的方式呈現的，因此，還需要在上述操作的基礎上，輔助使用A/D轉換器，對信號進行離散化處理，從而將其發送到控制機構中。將控制電路作為對兩種氣體控制的核心構件，針對上述裝置采集獲取到的數字信號對其進行處理和判斷，并結合相應的濃度計算公式，對兩種氣體的成分以及濃度發送到數碼管當中并完成顯示。一旦出現檢測到的氣體濃度超出設定限值時，則立即通過執行機構驅動，啟動排氣風扇，完成對隧道內部施工現場的氣體置換，從而確保瓦斯濃度低于安全值上限，以此實現對氧氣濃度和瓦斯濃度的控制。

3.3 施工現場安全風險管控與施工

完善上述措施后，需要進行施工現場的安全風險管控與施工約束，針對此項工作，提出下述三個方面的對策。

第一，健全隧道施工現場的安全管理體系與各項安全施工行為約束制度，通過規范化的制度對施工行為進行約束，以確保隧道施工順利通過瓦斯地層[7]。同時，在進行施工前，施工單位應編制隧道工程施工階段安全風險評估報告、高瓦斯防治方案、突發事件應急方案，確保方案有針對性，且可操作性強。建立隧道施工入洞人員的實名登記制度、隧道通風排氣制度、隧道瓦斯檢查制度、隧道動火作業審批制度、施工人員安全培訓制度等各項安全管理制度，并在施工前和施工中，委托專業的檢測單位或聘用專業的檢測技術人員，借助先進的檢測儀器，進行隧道瓦斯氣體濃度的檢測與實時監控管理，將施工中的安全風險發生概率降至最低。

第二，做好對隧道施工過程中出渣的安全處理，在隧道中進行施工材料運輸時，應避免裝有煤渣、碎屑的運輸車輛與金屬作業器械發生碰撞。對于施工中一些不可避免的碰撞現象，可采用在碰撞點或碰撞位置增加絕緣包裹層的方式，對其進行安全處理[8]。在隧道施工出渣前，需要將所有的隧道渣體與隧道開挖中的暴露面進行灑水潤濕處理，避免由于運輸摩擦或碰撞產生火花。并在隧道內所有機電作業設備上安設警告標識，降低所有可能造成風險的因素。

第三，做好瓦斯工區鉆爆作業管理。高瓦斯工區和煤(巖)與瓦斯突出工區必須采用煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管，且煤礦許用炸藥的安全等級不低于3級，瓦斯突出工區采用安全等級不低于3級的煤礦許用含水炸藥。起爆電源必須使用防爆型起爆器。每次爆破前，至少通風30 min，之后瓦檢員、放炮員、安全員一同進入工作面進行驗炮工作，確認無瓦斯、殘炮、瞎炮后進行通風，確認甲烷濃度小于0.5%、二氧化碳濃度小于1.5%后，方可通知電工送電，才可允許施工作業人員進入開挖面作業。

第四，在隧道施工時，可通過優化隧道內砌塊結構氣密性的方式，進行施工安全風險的管控。例如，在隧道中噴射混凝土氣密試劑，噴射厚度控制在15.0 cm左右，通過此種方式將隧道內壁的防水等級提升到S10。同時，在施工縫內使用雙層結構的止水帶，對氣體進行密封處理，確保砌體結構的氣密性>本體結構的氣密性。通過此種方式，實現對隧道施工中安全風險的管控。

4 安全風險控制方法應用效果

為了進一步驗證本文上述提出的控制方法在真實高瓦斯隧道施工項目當中是否能夠實現對其安全風險的有效控制，選擇以某隧道施工作為本文控制方法應用的項目，該工程整體施工結構為分離式長隧道結構，隧道內最大深度可達200 m以上，隧道整體結構完全穿過二疊系煤系地層，煤層厚度在0.25～4.16 m不等，具有沒有瓦斯突出危險，屬于典型的高瓦斯隧道施工類型。為了確保隧道施工的安全，引入本文上述提出的控制方法。針對該隧道施工中不同分區的需風量進行計算，并通過傳感器對實際隧道中的通風量進行測量，并將二者進行比較。若通風量大于或等于需風量，則說明施工過程中不具備安全風險或安全風險小；反之，若通風量小于需風量，則說明施工過程中所在區域內已經存在安全風險問題，現場施工人員需要及時撤離，以確保施工安全。根據現場實際情況，通過二者的比較也能夠實現對本文控制方法應用效果的對比，需風量的計算公式為：

(1)

式中：Q為高瓦斯隧道施工分段需風量；q為瓦斯絕對涌出量；K為瓦斯在涌出時的不均勻系數，通常K的計算取值在1.25～2.20；C為隧道內部瓦斯允許濃度值。根據上述公式，對5個不同隧道施工分段的需風量進行計算，并將其與實際通風量對比，得到如表2所示的控制效果記錄表。

表2 控制方法的控制效果記錄表

從表2中數據對比可以得出，在本文上述提出的控制方法應用下，各個隧道施工分區的實際通風量均超過了需風量設定上限，因此證明了各個分區的安全風險得到有效控制，本文控制方法具有可行性。

5 結束語

針對瓦斯氣體的性質、防治難點與危害，提出三個方面的安全風險控制措施。并在完成對措施的研究后，選擇以某隧道施工作為本文控制方法應用的項目，開展應用實驗。實驗結果證明，本文提出的控制方法在應用中可以保證隧道在施工中具有較高的通風量，能提升隧道施工的安全性與可靠性。因此，可在后續的研究中，通過對設計方法在市場內的推廣，提升高瓦斯隧道工程的經濟效益與市場收益。綜上所述，完成對本文此次課題的研究，實現對安全施工方案的全面優化。