鐵路高瓦斯大斷面隧道監測及通風施工技術

吳濤

摘要：以某鐵路隧道工程為例，基于高瓦斯大斷面隧道施工安全隱患多、質量控制要求高的特點，研究具體通風方式，構建具備通風參數檢測、通風狀態監控多項功能的通風監控系統。闡述高瓦斯大斷面隧道施工環境監控與安全預警的技術策略，結合實測數據研究高瓦斯大斷面隧道施工環境的安全程度，評價通風技術的可行性。研究結果表明：通過瓦斯隧道監測及通風技術的應用，可及時反饋現場施工情況，提高了瓦斯隧道通風管理水平，有利于營造安全的隧道施工環境，推動隧道施工的順利進行。

關鍵詞：高瓦斯隧道；監測技術；通風技術；控制指標

0? ?引言

瓦斯隧道通風系統可稀釋并排出施工現場的粉塵及有害氣體，改善隧道洞內施工環境，為工程人員提供安全保障。瓦斯隧道通風系統的運行水平直接影響施工安全狀況，本文以某鐵路隧道工程為例，構建具備通風參數檢測、通風狀態監控多項功能的通風監控系統，闡述高瓦斯大斷面隧道施工環境監控與安全預警的技術策略，結合實測數據研究高瓦斯大斷面隧道施工環境的安全程度，評價通風技術的可行性。

1? ?工程概況

某鐵路工程為單洞雙線隧道，起訖里程為DK607+329.1～DK615+600，全長8270.9m。隧道設進出口平行導坑，平導長度分別為2660m、2242m，平行導坑中線與左線線路中線間距為30m，兩線平行布置。工程現場鉆孔探測結果表明，單孔天然氣濃度最高值達到0.974，對隧道施工安全不利。結合勘察結果可知，DK607+800～DK610+050

和DK613+350～DK614+950段瓦斯濃度高，安全隱患多，需按高瓦斯段進行通風設計。

2? ?高瓦斯隧道通風方式

根據隧道結構布置及施工進度，分階段設計隧道通風方式：第一階段，采用壓入式通風方式，適用于進口平導、出口及出口平導；第二階段，進口與平導間1#橫通道聯通后采用巷道式通風方式，同時采用壓入式通風方式（出口平導）；第三、四、五階段，以巷道式通風改善進口和出口的施工環境，臨時封閉平導中部橫通道，防止污風回流[1]。

軸流式通風機屬于高瓦斯隧道的重要通風設備，各部位的設備型號不同，例如隧道正洞、平導、平導洞口分別采用SDF-NO13型、SDF-NO11.2型、SFC-6-NO18型軸流式通風機，配套SSF-NOl1.2/37型防爆射流風機，作為輔助裝置，以促進風流運動。襯砌臺車和洞室易積聚瓦斯，用VDT32-2型隔爆軸流式通風機進行排風。

3? ?高瓦斯隧道通風監控系統

根據全面性、及時性、準確性的通風監控要求，本鐵路隧道工程采用的是KJ101N型煤礦安全監控系統。

3.1? ?通風監測參數

通過風速傳感器、溫度傳感器等裝置監測隧道通風風流狀態。有毒有害氣體的監測范圍包含作業段的頂拱、坑道內氣體易滯留的凹處、距鉆探孔1m處附近等。重點監測瓦斯（CH）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、硫化氫（H₂S），將濃度低、含量低的有害氣體作為輔助監控對象。通風檢測范圍包含開挖工作面、突變段、漸變段、出口、通風口、坑道等。

3.2? ?通風監控系統組成與工作原理

監控分站配置由瓦斯監控設備、動力電源開關、風機開關等組成的甲烷風電閉鎖裝置，地面監控中心計算機軟件下發參數控制。每組風機配置的裝置及數量為：甲烷傳感器3臺；風筒傳感器、風速傳感器、編碼繼電器箱和設備開停傳感器，均為2臺；聲光報警器1臺。

在掘進工作面安設風速傳感器、甲烷傳感器等，在瓦斯隧道內敷設監控信號電纜，通風機監控采用電流型開停傳感器。根據監測信息判斷瓦斯濃度，采取對應的管控措施，具體如下：瓦斯濃度＞1.5%、風速＜0.25m/s時，快速斷電；瓦斯濃度＞1%，甲烷傳感器發出聲光報警；瓦斯濃度＜1%同時通風機可正常供風時，恢復供電[2]。

風速低于設定值或通風機停止運行、掘進工作面瓦斯濃度超限時，傳感器向安全監控分站傳輸信號，通過數據傳輸電纜向地面監控中心站傳輸數據，進行實時控制。如對高瓦斯濃度數值進行分析，并將其轉換為甲烷電閉鎖控制信號，安全監控分站接收此信號后，控制斷電器斷開被控電源。

4? ?施工環境監控與安全預警

4.1? ?傳感器的布置

4.1.1? ?掌子面傳感器布置

甲烷傳感器安裝在掌子面前≤5m的巷道左上部和右上部，均為1臺。溫度傳感器安裝位置在掌子面前≤5m的巷道中上部，共1臺。風速傳感器安裝位置為掌子面前10～15m的巷道中上部，共1臺。

瓦斯（CH₄）報警濃度為0.3%，超過此濃度隨即發出警報，此時需及時采取控制措施。瓦斯斷電濃度為0.5%時，出于安全考慮，達到該濃度時必須及時斷電。斷電對象為掌子面各非本質安全型電氣設備。濃度低于0.4%時復電，掌子面使用瓦斯自動檢測報警斷電儀時，若具備復電的條件，應采取人工復電。

根據溫度監測要求，各掌子面均設1臺溫度傳感器。放炮前，將所有掌子面的傳感器轉移至安全區域，放炮完成且確認現場無安全隱患后，移回掌子面的各類傳感器。移動過程中加強防護，避免磕碰受損。

4.1.2? ?回風巷傳感器布置

回風巷的甲烷傳感器共2臺，安裝位置在距回風口向掌子面方向10～15m的巷道左上部和右上部。CO傳感器的安裝位置為距回風口往掌子面方向15～20m的巷道中部，共1臺，瓦斯濃度達到0.3%時報警，達到0.5%時斷電，濃度低于0.4%時復電。

4.1.3? ?進風傳感器布置

進風甲烷傳感器數量為1臺，安裝位置在壓入式風機入口前巷道上部。在壓入式風機供電開關的前方電纜處，設1臺開停傳感器。瓦斯濃度達到0.3%時報警，達到0.5%時斷電，斷電對象為供風巷道內各非本質安全型電氣設備。濃度低于0.4%時復電[3]。

4.1.4? 巷道傳感器布置

在巷道的左上方和右上方分別安裝1臺甲烷傳感器，瓦斯濃度達到0.3%時報警，加強通風或采取其他控制措施。在抽出式風機的供電電纜處設1臺開停傳感器，在總回風巷測風站內巷道中間設1臺風速傳感器，報警上限、下限分別為0.5m/s、0.25m/s。

4.1.5? ?供風筒傳感器布置

在距掌子面≤50m的位置設置風筒傳感器，共1臺，穩定布設在供風筒內。

4.2? ?通風系統可靠性評價

瓦斯隧道通風系統正常運行的前提，在于原始設計數據準確可靠，通風系統的設計方式合理，設計方案科學可行。在通風系統運行時，可著重根據風質參數和洞內風量，評價其是否能夠正常運行。若參數設置合理且維持穩定，表明瓦斯隧道通風系統具有較高的可靠性。若參數設置不合理或大幅度波動，表明瓦斯隧道通風系統的可靠性較差。

對瓦斯隧道通風系統可靠性產生影響的關鍵因素體現在如下三方面：一是通風網絡，表現為結構布置的合理與否以及通風阻力的高低程度；二是通風動力裝置，以局部通風機和輔助通風機較為關鍵，兩者的穩定運行是通風動力裝置正常運行的前提，也是提高瓦斯隧道通風系統可靠性的必備條件；三是通風設施，即設施配置水平、設施運行穩定性、運行精度等，這幾項均會影響通風設施的應用效果。

為客觀評價瓦斯隧道通風系統的可靠性，需要選取與通風監測相關、實時性良好的指標，建立一套科學可行的評價體系。

4.3? ?風流狀態預警

實時監測通風系統中的風量和風流品質，根據兩方面的監測結果綜合評價風流狀態。風流不達標時，隨即報警。風流狀態與隧道風量布置、隧道施工污染程度等因素有關，良好的風流狀態是保障通風安全的重要前提，因此需要建立風流狀態評價指標，根據指標進行評價和管控。

風流狀態評價指標應與通風風流相關，并且直接關系到瓦斯隧道施工安全。在確定監測指標后，通過各類傳感器聯合監測，根據各項指標的監測結果綜合評價掘進工作面的通風安全狀況。若某項指標超出許可范圍，發出報警，需由專員進行管控。

4.4? ?通風安全數據處理及效果評價

全方位管控洞內各用風點的氣象參數，以此來保障通風安全。項目成立通風測試小組，測定風量、風速、靜壓、動壓等參數，綜合評價通風系統的運行狀態。按規范計算通風參數的理論控制值，將實測數據與之對比，進行量化分析。

4.4.1? 工作面風量計算

工作面風量計算如下：

Q₂=60V₁S（1）

式中：V₁為工作面風速（m/s）；S為巷道斷面積，本工程取126m²；Q₂為工作面風量。

取最大值作為供風量，按照此數據進行供風，保證瓦斯隧道掘進工作面有充足的新鮮風量。按用風地點各時段最多人數，根據個體對于施工現場通風條件的要求，每人每分鐘的風量不得少于4m³。風流中有毒有害氣體濃度需在允許范圍內，且無其他異常。根據前述方法進行計算后，取較大值作為最終結果。

4.4.2? 100m漏風率計算

100m漏風率計算如下：

Ｐ₁₀₀=Q₁-Q₂/Q₁·L/100×100%（2）

式中：Q₁為風機供風量，單位為m³/min；Q₂為風筒末端風量，即工作面風量，單位為m³/min；L為風筒長度，單位為m。

瓦斯隧道的風管應嚴密、穩定，抗靜電和阻燃性能均要可靠，100m漏風率不可超過2%，而為了更好地滿足此要求，還需保證風管口到開挖面的距離在5m以內[4]。

4.4.3? 安全管理效果評價

以某年11月份的瓦斯濃度監測結果為例，根據此階段的監測數據，評價瓦斯隧道施工現場的安全管理效果，判斷通風方案是否滿足隧道工程要求。日最高瓦斯濃度如表1所示。現場測風情況如表2所示。

根據11月的瓦斯濃度監測結果可知，日瓦斯濃度最高值達到0.76%，高于0.5%的次數為2次。雖然少部分時段存在瓦斯濃度較高的情況，但總體上隧道通風風流品質均達標，為此高瓦斯隧道適配的通風系統具有可行性。11月工作面的風量達到要求，風流風速也達標，但風筒100m漏風率超標1次，表明項目在風筒管理方面存在有待加強之處，需要根據現狀優化風筒管理措施，進一步降低風筒的百米漏風率。

5? ?結束語

高瓦斯隧道的有毒有害氣體類型多、含量高，加強通風與監測是保障施工安全的重要舉措。高瓦斯隧道通風與檢測技術，是以營造安全施工環境為基本目標而提出的。本文以某鐵路隧道工程為例，基于高瓦斯大斷面隧道施工安全隱患多、質量控制要求高的特點，研究具體通風方式，構建具備通風參數檢測、通風狀態監控多項功能的通風監控系統。

研究結果表明：采用高精度煤礦瓦斯監測系統，適配多種類型的傳感器，連續監測施工現場甲烷、一氧化碳、風速、風量等環境參數，以及通風設備和風筒的運行狀態，給高瓦斯隧道施工現場安全管控奠定了可靠基礎。通過瓦斯隧道監測及通風技術的應用，可及時反饋現場施工情況，提高了瓦斯隧道通風管理水平，有利于營造安全的隧道施工環境，推動隧道施工的順利進行。

參考文獻

[1] 暢燚.地鐵隧道施工技術及瓦斯隧道通風安全風險控制[J].工程機械與維修，2022（6）：168-170.

[2] 王軍章.探究復雜條件下隧道爆破施工技術方案[J].工程建設與設計，2022（8）：123-125.

[3] 李鳴.高瓦斯隧道通風技術研究[J].科技創新與生產力，2022（3）：142-144.

[4] 王應魁.高速公路低瓦斯隧道施工技術及控制要點[J].工程建設與設計，2020（4）：184-186.