基于瓦斯監測系統的軟巖隧道施工技術研究

姚鐵亮

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

瓦斯隧道施工相對而言比較復雜，除了需要關注開挖段圍巖地質特點、排查因為圍巖不穩定、底層軟弱失衡等帶來的隱患之外，還應該重點加強對隧道瓦斯含量的監測，動態掌握瓦斯賦存情況，提前制定事故應對預案并加強事故處置應急演練[1]。此外，在獲知瓦斯含量的基礎上，應對隧道施工技術方法進行適應性改進，加強通風措施建設，這樣才能在保證施工安全的基礎上，實現施工質量、工期與成本控制目標的完全統一[2]。本文根據寧纏隧道施工的實際情況，研究利用智能化瓦斯監測系統的可行性，同時對施工技術中最常用的軟巖變形技術進行適應性改進，相關成果有助于提高高瓦斯隧道的施工技術水平。

1 工程概況

1.1 基本情況

寧纏隧道是國道569曼德拉至大通公路寧纏埡口至克圖段公路NK-SG1標段中的關鍵部分，位于青海省海北州門源縣仙米鄉討拉溝村，雙線共計5980m。隧道地質環境復雜，洞口段為冰雪堆積層碎石，圍巖穩定性很差，淺埋段距離長，偏壓嚴重，事故安全風險極大，另外具有V級圍巖4211m，IV級圍巖1709m。隧址區內主要地層為第四系冰水洪積堆積層、石炭系下統炭質頁巖（夾煤線）與砂巖互層及泥盆系砂巖、炭質頁巖夾砂巖，同時富含基巖裂隙水，對隧道的施工影響較大。此外，該段隧道穿越煤層高瓦斯段，伴隨有高濃度硫化氫氣體，瓦斯硫化氫雙伴隨最高峰值集中在距離掌子面3m位置處，利用手持ADSK-4型便攜式氣體檢測儀進行觀測發現硫化氫氣體濃度可達21ppm、瓦斯濃度達0.3%。無論是地質水文條件，還是瓦斯硫化氫雙伴隨氣體環境，都給施工帶來了很多困難。

1.2 施工方案

隧道所處地層為第四系冰水洪積堆積層，母巖以砂礫為主，粉黏粒含量較高，遇水擾動變成泥，夾雜卵石、碎石，自穩性極差且涌水量大，開挖后易變形、突泥涌水、冒頂及塌方。硫化氫瓦斯雙伴隨氣體環境不僅限制了很多易產生靜電、運行中火花爆炸現象突出的機械設備的應用，還給施工人員的人身健康及生命安全帶來了潛在的威脅。針對這種特殊環境帶來的施工困難，在制定施工方案時重點從以下幾點入手：

（1）對常規施工方案進行改進，尤其針對隧道進口冰水洪積層富水堆積體碎石土段等環境，采用三臺階臨時仰拱+加大鎖腳施工工法，減小該段圍巖脫落的風險。另外，在富水或氣體濃度高的地段實施超前帷幕注漿或徑向注漿封堵措施，降低地下水或減少有毒有害氣體的溢出。

（2）重點做好瓦斯等有害氣體的監測，積極部署應用瓦斯監測系統，這是本文研究的重點。

（3）增強硫化氫、瓦斯等有毒有害氣體的超前預排放措施，采用物探法查明前方地下水情況，避免瓦斯、硫化氫有毒有害氣體和富含硫化氫的地下水涌出，濃度高的孔中可注堿性溶液中和，超前探孔采用氣體防突裝置。

（4）針對瓦斯、硫化氫等氣體含量動態變化的實際，在選擇機械設備、雷管等炸藥時，必須選用不會產生靜電和火花、煤礦許用的延時電雷管、等級不低于三級的煤礦許用炸藥等產品。另外，在確定開挖方式時，考慮到雷管延時不允許超過130ms的要求，結合現場實際情況合理確定炮眼布置和開挖斷面尺寸。

另外，為了取得預期的施工效果，需要嚴格按照圖紙設計，加強支護參數的正確設置，嚴格依據“短進尺、快支護、仰拱二襯及時跟進”的原則進行施工，保證施工安全和施工質量。重點需要加強瓦斯監測，對通用隧道施工技術進行適應性改進，最大限度發揮技術優勢，最終獲得理想的施工效果。

2 瓦斯監測體系設計

2.1 瓦斯監測系統

隧道瓦斯含量監測是一個系統工程，需要在工程項目準備階段進行體系框架的規劃，在隧道項目開工前建成，當監測到的瓦斯含量在一段時間內保持穩定且符合進洞施工要求時，才能組織人員進入隧道開始施工[3]。在整個隧道施工過程中，監測系統必須保證全天候運行，一旦發現瓦斯含量超標即刻報警，迅速組織人員撤離或者采取應急處理措施。待施工完成后，可以根據進度安排有序組織監測體系的拆除[4-5]。

進行隧道瓦斯含量檢測系統的總體設計，需要考慮隧道所在地的地質水文條件，同時結合工程項目預算采取自動監測與人工監測相結合的方法進行。在寧纏隧道施工過程中，為了最大限度減小人工投入，采取融合傳感器、聲光報警和智能數據分析等多種功能于一體的瓦斯含量自動監測分析平臺。另外，采用冗余監測與控制理念，將瓦斯含量監測納入施工安全管理人員的職責內，定期組織施工安全人員利用手持設備對隧道瓦斯含量進行檢測，現場督促通風措施的落實。寧纏隧道瓦斯含量監測系統體系框架如圖1所示。

圖1 寧纏隧道瓦斯含量監測系統體系框架

2.2 自動監測分析平臺技術應用

寧纏隧道瓦斯含量自動監測分析平臺是在改進KJ90NA瓦斯自動監測系統的基礎上發展起來的。KJ90NA瓦斯自動監測系統在很多國內隧道工程施工中被廣泛應用，集成了瓦斯監測、可視化顯示、災情預警等功能，具有運行穩定可靠、操作使用方便的優點。但是，該系統在實際使用過程中，存在智能化程度不高等缺陷，本文結合最新科學技術發展成果，對該系統進行改進和升級，形成智能化瓦斯含量監測系統（見圖2）。

圖2 智能化瓦斯含量監測系統整體布局

寧纏隧道在項目籌劃階段，選擇在隧道入口開闊地帶籌建隧道安全施工管理辦公室，在其中布設有智能化瓦斯含量監測系統。該系統設有中心機柜，機柜內集成了數據采集、數據分析、實時顯示、智能對比等功能。其中數據采集主要是利用1553總線將分布在隧道內的各種傳感器連接起來，利用基于神經網絡的數據融合算法將不同型號的傳感器數據進行歸一化，之后納入數據分析模塊進行對比分析；數據分析模塊基于服務器型CPU實現，增加了多核并行運算功能，確保數據處理能力有所提升，得到在線顯示與報警的功能，避免因為較長時間的延遲導致瓦斯泄露警情升級；實時顯示功能由串聯起來的計算機屏幕和指揮顯示大屏幕實現，同一內容可以在這兩個屏幕上同時顯示、也可以分屏顯示，確保監測人員和指揮人員可以同時辦公；智能對比功能主要在數據融合處理的基礎上將冗余數據與主用數據進行區分，對主用數據和冗余數據進行比較，當兩者結果一致時判定數據有效，否則重新進行監測。

除了中心機柜之外，智能化瓦斯含量監測系統設計有多種監測終端，包括各種類型的瓦斯含量監測傳感器，比如懸掛式甲烷傳感器、管道抽放用瓦斯傳感器，同時預留了手持式瓦斯傳感器的數據接口，這些終端接口通過1553總線實現與中心機柜的指令通信與數據傳輸；隧道內每間隔2m（轉彎處根據轉彎半徑進行適當考慮）設置有聲光報警裝置，一旦出現瓦斯含量超標或者其他險情可以第一時間進行報警。另外，隧道內瓦斯含量監測系統供電采用壁掛式電力轉接盒實現，在隧道安全施工管理辦公室內設置有配電機柜和電力分配管理系統。

2.3 瓦斯監測結果分析

寧纏隧道成功部署智能化瓦斯含量監測系統之后，在整個工程實施期間對隧道內的瓦斯含量實現了全天候的監測，部分監測結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在監測時間段內，會出現瓦斯超過警戒線的情況，此時智能監測系統及時啟動聲光報警裝置，向隧道內施工人員進行預警，并組織采取應急措施。另外，由圖3可以看出，瓦斯含量曲線變化幅度不大，較長時間域符合施工要求，瓦斯含量的變化并沒有對施工進度造成太大的影響。

圖3 寧纏隧道瓦斯監測結果示意圖

當瓦斯變化幅度較大或出現整體或局部位置超限情況時，需停止作業，采取瓦斯超限處理措施（見表1），以防止瓦斯爆炸事故的發生。

表1 瓦斯超限應對措施

3 軟巖變形施工技術優化

3.1 優化開挖工法

通過對寧纏隧道內瓦斯含量進行監測，可以發現隧道掌子面是瓦斯氣體的易聚集區域，因此采用軟巖變形施工技術進行隧道開挖時，需要對該段的施工技術進行適應性改進。為了確保在瓦斯含量增加時依然能夠取得較好的施工效果，在開挖階段加強對圍巖振動干擾的監測。根據上臺階開挖時圍巖受到振動擾動的影響較大這一實際情況，采取三臺階加臨時仰拱的方法改善局部支護效果，同時減小下沉量。除傳統的豎向支撐方法外，增設臨時仰拱支護措施，采用工字鋼對仰拱進行加強支護。在對圍巖擾動情況進行監測的過程中，一旦發現受力形變超過施工標準值，就立即對圍巖支護效果進行檢查，確保不會影響開挖進度。

在開挖過程中，寧纏隧道采用臨時仰拱和臨時隔壁相結合的措施，將整個施工空間劃分為小的封閉環狀空間，各個空間之間保留有足夠的通風條件，達到減小振動干擾的效果。

3.2 優化預加固措施

在施工過程中發現，寧纏隧道圍巖由于受到瓦斯中腐蝕性氣體的侵蝕，脫落現象比較嚴重。因此為了確保施工效果，同時避免因為再次受到瓦斯中腐蝕性氣體的侵蝕，采用玻璃纖維錨桿預加固，利用超前大管棚、預應力樹脂錨桿、鋼拱架和鎖腳錨桿等聯合變形控制技術，對玻璃纖維錨桿加固密度和加固長度進行優化分析，玻璃纖維錨桿間距設置為0.6m，每一環施作錨桿不超過6m，搭接長度不超過3m，合理的布置方式有效地減少圍巖的脫落，確保了施工質量。

4 結束語

高瓦斯隧道施工是一項比較復雜的系統工程，為了確保工程建設的施工工期、質量和安全，需要加強對瓦斯含量進行監測，根據監測值動態優化施工方法，以此達到預期的建設效果。本文結合寧纏隧道工程特點，研究了智能瓦斯監測體系，并實現了工程化部署，選擇應用廣泛的軟巖變形技術進行適應性改進。另外，高瓦斯隧道施工洞內設備全部為防爆型，施工人員需穿戴防靜電服、佩戴防毒面罩和自救器進入隧道進行施工，建立瓦斯隧道管理制度，加強超前地質預報探測，以超前探孔、地質雷達為主要探測手段，多種探測方法相結合進行綜合預報。通風采用雙風機雙風管壓入式通風，保證隧道內對新鮮空氣的需求。總之，該工程通過采取合理的措施，最終實現了高瓦斯隧道的安全施工。