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低瓦斯隧道施工要点和设计建议
中交一公局永江投资公司工程部 李建军
我公司第一合同段承担的黄瓜山隧道左线K9+372～K9+431和K11+289～K11+420共有59m、131m的穿煤段落，右线YK9+393～YK9+456和YK11+294～YK11+412 共有63m、118m穿煤段落。根据设计院提供的地质钻探资料表述，均为低瓦斯含量。因此低瓦斯段的施工成为制约隧道施工安全的主要因素之一。按照现行的公路隧道施工技术规范的要求，瓦斯隧道施工应参照《煤矿安全规程》执行，根据以往瓦斯隧道施工经验，我个人认为隧道施工与煤矿生产有着显著的差别。矿井施工使用长达几十年的防爆型机电设备均较固定。公路隧道施工工期较短，通风空间大且顺直，所用机械、设备在没有发现超过0.5%瓦斯含量和通过瓦斯段以后，不必要完全采取煤矿那种安全保护模式。如果教条的套搬《煤规》，必将增大华祥一标工程投资，所以，黄瓜山隧道施工理应结合工程实际和现场瓦斯含量采取瓦斯浓度限值防爆施工模式组织施工，则更有利于施工单位，下面就瓦斯的基本特性和低瓦斯隧道施工防范模式谈一下自己的看法。
1.瓦斯的基本特性
1.1 瓦斯基本特征
瓦斯是一种无色、无味、无臭的一种混合气体，主要成分为甲烷(CH4）与乙烯（C2H2)，比重为0.554（含量不同比重也有差异，但比普通空气要轻），具有能燃烧，能爆炸，能使人窒息的多种危害性，但它的最主要的危害是燃烧爆炸。瓦斯极易燃烧，但不能自燃，当与空气混合到一定浓度时，遇火源能燃烧或爆炸。当坑道中的瓦斯浓度小于5％或大于16％时，遇到火焰只是在火源附近燃烧而不会爆炸；瓦斯浓度在5％~6％到14％~16％时，遇到火源便会爆炸，9.5％左右时爆炸威力最大，但瓦斯浓度大于43％时，一般遇火也不能燃烧。
1.2 瓦斯的释放类型
瓦斯的释放是地层中的瓦斯气体在地应力作用下沿岩体构造裂隙外漏的表现。归纳起来，发生瓦斯释放有两个主要因素：地应力、瓦斯和围岩结构，而地应力和围岩中瓦斯的存在是引起瓦斯释放的主要原因。根据瓦斯从岩层中释放过程，可分为3种类型：
a. 瓦斯渗出：它是缓慢的、均匀的、不停的从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，如有一定压力有时带有一种“嘶嘶”的声音。
b. 瓦斯喷出：比上述渗出强烈，从煤层或岩层裂隙或孔洞中放出，喷出的时间有长有短，通常由较大的响声和压力。
c. 瓦斯突出：在短时间内，从煤层或岩层中突然猛烈地喷出大量的瓦斯，喷出的时间，可能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大的轰响，并夹有煤块或岩块，这往往与采空区有关（黄瓜山隧道由于设计探孔较少，据了解地方有可能存在未知的偷采坑口，极有可能存在未知的煤矿采空区，如果在施工中不做专项预案防范，极其容易发生瓦斯和有害气体从采空区向施工作业面突出，危害施工作业人员安全。）。
以上三种瓦斯放出形式，以第一种放出的瓦斯量为最大且持续时间长。
2 瓦斯防治方法
对于低瓦斯隧道的施工，关键就是解决好通风问题，黄瓜山隧道施工必须采取综合的治理措施，既要有一套完整的通风技术手段，又要有科学先进的规章制度，洞内施工要严格落实以下几项措施：
2．1 通风
排放和稀释瓦斯最有效的方法就是施工通风，压入式通风机必须装设在洞外或洞内新鲜风流中，避免污风循环。瓦斯工区的通风机应设两路电源，并应装设风电闭锁装置。当一路电源停止供电时，另一路应在15分钟内接通，保证风机正常运转。在瓦斯段施工，必须有一套同等性能的备用通风机，并经常保持良好的使用状态。
隧道通风是按照下列四种方法分别计算，取其最大值设计通风量：
a.按隧道内同时工作最多人数，以每人每分钟供给新鲜空气≥3m3计算隧道供风量；
b.按隧道内同时放炮使用最多炸药量计算风量；
c.按隧道内各工作面瓦斯涌出量计算风量；
d.按瓦斯隧道所需最小风速计算风量。
通风是瓦斯隧道施工的首要环节，参照《公路隧道施工技术规范》的施工通风参数和《铁路瓦斯隧道技术规范》中要求，全断面开挖时风速≥0.15m／s，坑道内风速≥0.2m／s。根据黄瓜山隧道煤层位置和开挖断面情况，通风风机建议安装如下两个型号（任选一种）：
型 号
转 速r/min
流 量m3/h
压 力Pa
高效流量m3/h
效 率
%
功 率kw
13.0A
1480
118000-
152000
4650-
6500
135000
86
132*2
14.0A
1480
132000-
170000
5000-
7000
150000
86
160*2
隧道单洞通风机风量应不小于2000m3 ／min，主风机采用燥音低、节能、变速的压入式射流风机。隧道的低瓦斯段的安全施工，通风条件的好坏是先决条件，在揭煤时工作面供风量不得小于1500m3／min（因随风管的延长风压和风量衰减较大），工作面瓦斯浓度不得超过0.5% ，工作面后方30m 回风范围内瓦斯浓度不得超过0.3%，并不得有局部瓦斯积聚存在，防止瓦斯积聚的风速不宜小于1 m/s。隧道内任意工作面瓦斯浓度控制在0.01%～0.04%。瓦斯隧道应采用抗静电、阻燃风管，风管口到开挖工作面的距离应小于5m，风管百米漏风率不应大于2%。
2．2 加强瓦斯监测
施工中严格瓦斯监测，随时掌握洞内瓦斯浓度情况，以便及时采取相应措施，确保洞内施工安全，具体做法如下：
隧道瓦斯监测部位图
2.2.1 隧道瓦斯检测采用人工检测和自动监测两种手段，自动KGJ4型煤矿用甲烷自动检测仪设于洞内工作面附近。瓦斯专职检测人员配备便携式JCB-2型甲烷测定报警器或GWJ-IA型光干涉型甲烷测定器AQ，对整个隧道(特别是揭煤工作面)进行瓦斯、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、氢气(H2)、氧气(O2)全面监控。当瓦斯超限时可立即声光报警，并立即切断洞内电源。实践说明，做好瓦斯及有害气体的监测、监控是瓦斯隧道安全施工的重要手段，切不可轻视。
2.2.2 当瓦斯自动监控系统报警时，瓦检员要迅速通知通风人员将风机转速提高，加大风机供风量；同时瓦检员加强对报警点及附近20m 的瓦斯浓度检测，当瓦斯浓度继续增大并不大于1.0%时，瓦检员通知瓦斯报警点的施工负责人安排该工作面工作人员将洞内施工机具整理好，并迅速的撤出洞外。
2.2.3 若是局部瓦斯积聚的地点瓦斯检测报警，瓦斯浓度未达到1.0%，瓦斯检测员通知通风人员对该地点加强通风，并继续加强瓦斯浓度检测，该地点可继续施工，但应绝对避免火源的产生。在加强通风的同时，增加瓦斯浓度的检测频率，为施工提共可靠的信息参数。
2.2.4 为防止瓦斯局部聚集必须采用光面爆破技术，避免开挖面出现凹陷聚集瓦斯。如果洞顶、车及人行横洞、二衬台车附近有瓦斯积聚，一般采用增挂风障的措施加以处理，也可采用空气引射器、气动风机等设备实施局部通风来消除。严禁使用火雷管爆破，当瓦斯浓度超过1.0%时，要停止放炮，超过1.5%时要停止施工，加强通风待浓度降至到标准以下，才能恢复施工。
2.2.5 当煤层段排放瓦斯时，瓦检员应通知施工队在洞口30m范围设岗。严禁烟火，除特许的人员外，其它任何人员不得接近该地。
2.2.6 瓦斯监测必须制度化，设立《瓦斯班(日)报表》、《瓦斯记录簿》，坚持“一炮三检制” （装药前、放炮前、放炮后都必须检查爆破地点附近的瓦斯，且放炮员、班组长、瓦检员都必须检查，当瓦斯浓度超过1％，不准爆破）、“三人连锁放炮制”（爆破前，放炮员将警戒牌交给班组长，由班组长派人警戒，并检查顶板与支架情况，将自己携带的放炮命令牌交给瓦斯检测工，瓦斯检测工经检查瓦斯浓度合格后，将自己携带的放炮牌交给放炮员，放炮员发出爆破口哨进行爆破，爆破后三牌各归原主）。在现场及时公布瓦斯记录，瓦检员必须随时掌握瓦斯变化情况，发现问题及时处理。
3. 瓦斯隧道施工的基本安全技术措施
在通过瓦斯段施工中，应详细记录瓦斯涌出地段涌出量的变化、工程地质及水文地质情况，在隧道二衬没有完全封闭瓦斯段或虽然封闭但由于围岩裂隙等原因仍有瓦斯气体存在的情况下，要严格按照以下规定施工：
3.1 电气设备安全技术规定要满足
3.1.1瓦斯工区内各级配电电压和各种机电设备的额定电压等级应符合要求即：高压不应大于10KV,低压不应大于1140 V。照明、手持式电气设备的额定电压和电话、信号装置的额定供电电压，在低瓦斯工区不应大于220 V。
3.1.2 所有洞内机电设备，不论移动或固定式都必须采用安全类型。
3.1.3 禁止洞内电气设备接零。
3.1.4 洞内任何操作人员（包括电、钳工），不得擅自打开电气设备进行处理，电气设备的修理工作应在洞外进行。
3.1.5 洞内各种机电设备，必须安设自动检测报警断电装置。
3.1.6 洞内各种机电设备的开关、保险丝盒等均匀密闭，主要闸刀应有加锁装置。
3.2 照明设备安全技术规定：
3.2.1 低瓦斯隧道照明电压不应大于220V。
3.2.2 使用的灯头、开关、灯泡等照明器材必须为防爆型。已衬砌地段的固定照明灯具，可采用EM -II型防爆照明灯。
3.2.3 灯具架设要离开易燃物30CM以上，固定架设高度不低于3M。
3.2.4 做现场移动照明时，应采用36V以下安全电压。
3.2.5工作人员进入隧道前，必须进行登记和接受洞口值班人员的检查，不准将火柴、打火机、损坏的灯头及其它易燃物品带入洞内；
3.2.6 当情况特殊不可避免时，在焊接、切割等工作地点前后各20m范围内，风流中瓦斯浓度不得大于0.5%，并不得有可燃物，两端应各设一个供水阀门和灭火器，并在作业完成前由专人检查，确认无残火后方可结束作业。
另外，在揭煤前应进行石门揭煤施工组织设计，其内容包括：揭开石门、半煤半岩等各阶段施工方法、支护手段、组织指挥、抢险救灾方案及安全措施等。
4 防止和处理瓦斯燃烧和爆炸的专项技术措施
4.1 隧道施工中瓦斯引燃与爆炸的主要原因主要是由以下原因造成：
违反操作规程:如在洞内点火吸烟，爆破器材不良，携带易燃品入内，明火照明等。
偶然事件引起:如洞内炽热的电灯泡被打碎，电路绝缘不良产生电火花等。瓦斯在坑道内燃烧时，受到坑道的阻碍而压缩，燃烧极易转化为爆炸。放炮也可能导致瓦斯爆炸。总之，在隧道施工中应防止火源的存在。
4.2 瓦斯燃爆防治的一般技术措施：
隧道在掘进过程中，预防瓦斯燃烧与爆炸的主要措施就是加强通风以降低瓦斯浓度，使其在允许值之下。除此以外还应做好以下工作：
防止喷出及突出：在接近揭煤工作面时，提前10-20米在掘进工作面的前方或两侧钻孔，探明是否有断层、裂缝、溶洞和废弃矿井，探明分布位置、瓦斯贮存情况，以便采取相应措施。钻孔过程中出现顶钻、夹钻、喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面。
排放瓦斯：瓦斯含量不大时，使其自然排放，亦可用风筒或管子将瓦斯引至回风流或距工作面20m以外的坑道中，以保证工作面开挖放炮的安全。当瓦斯量大，喷出强度大，持续时间长时，则可插管排放，当开挖面瓦斯含量较大，而且裂隙多、分布广时，可暂停开挖，封闭坑道抽放瓦斯。在裂隙小、瓦斯含量小时，可用粘土、水泥浆或其它材料堵塞裂隙，防止瓦斯喷出。在开挖工作面前方接近煤层3m以上，向煤层打若干φ75～300mm的超前钻孔排放瓦斯，钻孔周围形成卸压带，使集中应力移向煤体深部，达到防止突出的目的。也可采用水力冲孔，即在进行开挖之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲击若干直径较大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力。
震动性放炮诱导突出：在工作面布置较多的炮眼并装较多的炸药，撤出人员后远距离起爆，利用爆破时强大的震动力一次揭开具有突出危险性的煤层，主要有下列几种方法：
深孔松动爆破：在开挖工作面向煤体深部的应力集中带内布置几个长炮眼进行爆破。其目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，在工作面前方造成较长的卸压带，从而预防突出的发生。
煤层注水：通过钻孔将压力水注入煤层，使煤体湿润以改变煤的物理机械性质，减小或消除突出的危险性。
4.3 隧道施工过程中除采取上述防治措施外，尚应在设计、施工方面重点考虑到以下几方面：
当隧道通过煤层时，宜采用水炮泥，放炮喷雾，装岩（煤）洒水和通风等综合防尘措施。含瓦斯地段隧道衬砌断面，宜采用带仰拱的封闭式衬砌或加厚铺底，并视地质情况向不含瓦斯地段延伸一段距离（一般可采用10～20m）。对施工缝、沉降缝采用膨胀水泥砂浆填塞严密。瓦斯含量较高而且压力很大时，除采用上述封闭式衬砌结构外，还应向衬砌背后压注水泥化学浆液，隔绝瓦斯通路。无论正洞或其它辅助坑道，必须随掘进随衬砌，二衬尽量紧跟掘进面，缩小围岩暴露面，达到尽快封闭瓦斯地段。
隧道竣工后，应继续对瓦斯渗入及含量进行观测，当封堵等措施仍无法隔绝时，应考虑增设运营期间机械通风。
另外还要做好瓦斯燃烧和爆炸的处理专项技术措施（详细措施在给华祥一标的建议施工方案中论述）
5. 其他注意事项
5.1 瓦斯段掘进钻孔作业应符合下列规定：
隧道内非瓦斯工区和低瓦斯工区的电气设备与作业机械可使用非防爆型，但其行走机械严禁驶入瓦斯工区和瓦斯突出工区。
瓦斯工区内固定敷设的照明、通信、信号和控制用的电缆应采用铠装电缆、不延燃橡套电缆或矿用塑料电缆。
电缆与电气设备连接，必须使用与电气设备的防爆性能相符合的接线盒。电缆芯线必须使用齿形压线板或线鼻子与电气设备连接。
瓦斯工区内的低压电气设备，严禁使用油断路器、带油的起动器和一次线圈为低压的油浸变压器。已衬砌地段的固定照明灯具，可采用防爆照明灯。在通过瓦斯段施工时，开挖工作面附近的固定照明灯具，必须采用矿用防爆照明灯；
开工前必须对施工作业及管理人员进行安全技术培训。爆破、电工等特种作业人员必须持证上岗。
通风方案（包括供风能力、风机配置、风道布设等）必须满足稀释洞内瓦斯浓度达到设计允许范围以内并及时排出洞外的要求，并实行昼夜连续通风。在瓦斯易于积聚的空间，衬砌模板台车附近区域设置局部通风，消除瓦斯积聚。
5.2 黄瓜山隧道进口左线石门揭煤里程是K9+372，右线揭煤里程YK9+393,距离洞口约200m，向前60米左右即通过煤层。隧道出口的石门揭煤里程相对洞门较远（左右线出口里程是+286和+317），左线揭煤里程K11+420，右线揭煤里程YK11+304，均距离洞门近1000m，建议在施工中可将进出口端按照瓦斯里程分为瓦斯工区和正常工区，在穿过煤层低瓦斯区域并确认瓦斯已完全封闭的情况下可以按正常隧道进行施工。
6. 黄瓜山隧道施工图设计建议
由于瓦斯隧道一旦发生灾害将产生重大损失，设计、施工均应给予充分重视。由于没有正式设计图纸，现根据黄瓜山隧道送审稿图纸提出自己一些看法和建议：
6.1 线路纵坡问题
现有的公路和铁路隧道设计规范均未对瓦斯隧道的线路纵坡做出具体规定，黄瓜山隧道按照公路规范为特长隧道，隧道的施工和后期运营通风十分重要。目前送审稿的设计为人字坡，建成后将形成10.42m（进口）和17.88m（出口）与隧道中部拱顶的高差，也就是说在无风的条件下将会十几万立方的空气滞留在这一空间。瓦斯的比重按含量的不同在0.54～0.75kg/m3之间，小于空气比重1.293kg/ m3
，如有少量逸出将形成聚集。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》在编制过程中所作的调查，国内已建成的家竹臀、岩脚寨、炮台山等隧道的实际运营情况，得出隧道内尚不能达到运营期间完全没有瓦斯逸出的结论。由于现设计没有考虑在隧道中间拱部设通风竖井，而隧道建成后的纵向通风系统很难保证常年昼夜运行，隧道因为人字坡的缘故不能形成自然通风，这一问题将直接影响隧道施工和后期运营的安全，对于缺少季风的重庆地区尤为严重。据此建议：
第一方案：将黄瓜山隧道纵坡改为顺坡，进口做适当调高，出口调低（纵坡0.3%），这样尽管对于进口施工排水造成困难，但少量的瓦斯逸出可以做到自然排放，由于出口的降低隧道稍有延长，现在的地方果园道路可以保存不作改移，如果出口洞口段可以有效嵌入基岩，防滑桩也可以取消。
第二方案：在隧道中部最高点增设竖井（会增加很大投资，施工也较困难）,竖井深度约180m。
6.2 参照《铁路瓦斯隧道技术规范》，在确定斜井、竖井、横洞位置时，应避免通过或靠近煤层，不能避免时，宜减少通过或靠近煤层的长度。设计图中左线LK11+278，右线RK11+286.8两处人行横洞距离煤层十余米，是否在设计中或揭煤后根据煤层实际位置予以调整。
6.3 设计中地质探孔较少，是否增加探孔对煤层的主要物理性质和指标以及工业成分分析，包括重度、硬度、水分、挥发、固定碳、灰分、瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度和煤的自燃及煤尘爆炸性判断，以及明确是否存在采空区和具体位置，煤与瓦斯突出危险性判断等能够有详细描述以指导安全施工。；
6.4 全封闭防瓦斯地段有地下水时，宜采取在左右边墙下部外侧铺设纵向透水管，将地下水引离含瓦斯地段的排水措施。透水管终点宜设置气水分离装置，分离出的瓦斯气体可用管道引出洞外在高处做安全放散。因为公路尚无瓦斯隧道施工规范，以上为《铁路瓦斯隧道技术规范》条文，黄瓜山隧道设计排水系统较为完善，但是没有考虑瓦斯随排水逸出的问题，是否能在设计中考虑。
因为没有看到正式设计文件，根据送审稿提出自己 一点看法，很不成熟，希望能够为永江公司的建设有所增益。如有不周之处望指正。

2011年4月18日