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老周岩高瓦斯隧道无轨运输施工机械设备防爆改装技术

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西，西安，710021）
【摘要】文章结合渝黔铁路老周岩高瓦斯隧道采用无轨运输的实践，对相关机械设备进行有效的防爆改装，确保瓦斯条件下施工作业安全，对类似工程具有良好的借鉴。
【关键词】隧道工程；高瓦斯；无轨运输；防爆改装
1．引言
为确保施工安全，瓦斯隧道在出渣运输中，原则上只能采用有轨运输，以防止无轨运输设备发动机尾气等引发瓦斯爆炸。但通过对无轨运输设备进行适当的防爆改装，亦可确保瓦斯条件下施工作业安全，并能充分发挥无轨运输的优势，显著提高瓦斯隧道施工工效。机械设备防爆改装是瓦斯隧道无轨运输方案成功实施的关键。
老周岩隧道是渝黔铁路上的一座特长隧道，全长7536m。隧道紧邻东溪气田南侧，位于该气田侵染区，由于隧区地腹深处产储油气层较多，这些储气层中的天然气有可能顺裂隙向上运移，对隧道施工影响较大。其中正洞D2K84+740～D2K91+710为高瓦斯段。因工期紧任务重、安全风险大，采用有轨运输无法满足工程进度要求。
2．有轨与无轨运输的方案比较
2.1通风及防爆方面
2.1.1有轨运输
在采用有轨运输方案施工中，洞内的污染源主要是爆破气体及瓦斯气体，放炮后只需要20-30min即可开展工作，整个废气排出洞外需1.5个小时左右。但有轨运输，机车车轮与轨道之间的摩擦火花不可避免，扒渣机作业过程中的碰撞火花也不可避免，仍然存在安全风险。可见有轨运输并不能完全防爆，且因设备自身特点和轨道线路长，进行防爆改装很困难。
2.1.2无轨运输
采用无轨运输方案施工中，洞内的污染源除爆破气体、瓦斯气体外还有各种内燃车辆排放的废气，在放炮后20-30min内，掌子面附近（约500m）的炮烟向洞口方向压出，要到出渣工序结束2小时后，洞内废气才能完全排出。经调研兰渝铁路LYS-10标段肖家梁隧道瓦斯浓度最大值出现在爆破后，最大浓度也只有0.11%-0.12%，持续时间在2分钟内，在通风30min后检测瓦斯浓度为0.01%-0.06%之间，远低于发生爆炸的瓦斯浓度临界值，同时也满足规范对施工作业环境瓦斯浓度要求。
另外，在瓦斯固定及移动设备改装方面，无轨运输相关设备的改装相对简单、灵活，在加强隧道通风的条件下完全能保证施工安全。
2.2操作性能方面
2.2.1有轨运输
轨道运输速度较慢，对轨道的依存度大，灵活性差，易掉轨；
扒渣有死角，仰拱及上台阶扒渣必须采用挖掘机和装载机；
需要二次转载，对洞口场地要求较高，老周岩隧道洞口场地狭窄，难于形成转载系统。
2.2.2无轨运输
无轨运输速度快，车辆及各种机械设备操作机动灵活。
2.3工序衔接与循环时间方面
2.3.1有轨运输
由于轨道的影响，隧道出渣、混凝土衬砌、隧道仰拱施工、铺底砼施工同步进行困难，不易均衡生产和工序间的有效衔接，各工序间施工影响大。
出渣、混凝土浇筑、初支喷砼材料输送等对轨道依存度大，轨道出问题直接影响各个工序循环及施工进度。
在爆破后还需要及时接长轨道等，增加了作业工序，并且运输速度慢，灵活性差，施工循环时间长，各工序间相互制约，大幅降低了施工进度。
2.3.2无轨运输
采用无轨运输，不受制于轨道，运输灵活，速度快，工序循环影响不大。出渣、混凝土衬砌、隧道仰拱施工、底板砼施工采用栈桥可以同步进行，各工序影响不大，并且做到均衡生产，保证各工序正常衔接，能有效的提高施工进度。
爆破通风后可及时出渣，断面尺寸足够时可以采用多台车辆出渣，提高出渣速度，同时减少作业循环时间，提供进度。
2.4施工效率方面
无轨运输模式施工的出渣效率要比有轨运输模式高。根据调研隧道局施工的山西云台山铁路隧道有轨无轨施工效率对比看，Ⅳ级围岩无轨运输最大月进尺115.6m高于有轨运输94m，Ⅲ级围岩无轨运输最大月进尺160m，高于有轨运输135m，正常月平均进尺无轨运输较有轨运输多20m左右。
2.5维修保养方面
2.5.1有轨运输
有轨运输必须配备有足够的人专门负责铺轨整道，对机械和供电等维护和维修，这方面人力投资相对较大，轨道维修对出渣及其他各工序影响较大，直接影响工序衔接及施工进度。轨道出问题不能及时维修直接影响其他工序的正常施工，对轨道依存度大。
2.5.2无轨运输
机械维修保养方面无轨运输较有轨投入人力相对较少，设备维修对作业工序影响及进度影响相对较小，不会因为单个车辆维修而影响施工作业工序的正常进行。
3．运输方案的确定
通过上述分析，考虑到工期因素，老周岩隧道洞内运输决定采用无轨运输模式。
3.1无轨运输设备防爆改装原则
采取“以预警为主，防爆措施改装相结合”的原则：首先在包括运输和施工设备在内的相关机械设备上安装主动防御报警装置，且装置具备自动闭锁功能，在瓦斯浓度超限时能够自动使设备停止运转。其次，对机械的发动机温度较高的部位、排气管和电气系统进行防爆改装，作为第二道防线，以确保施工安全。
老周岩隧道施工中对运输车、挖掘机、装载机、砼罐车等设备加装了主动防御报警系统，并对发动机温度较高的部位、尾气和电气系统采取防爆改装措施。
3.2加装主动防御报警系统
3.2.1主动防御报警系统的选型
主动防御报警系统需要具备探测甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、流化氢等隧道常见有害气的功能，并且要具备高灵敏度、高可靠性的特点。
通过比选，采用了某公司研制的KDG18Z隧道车辆瓦斯监控装置，该装置能监测甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、流化氢等多种有害气体，系统传感器精度≤±0.1%、扫描间隔≤0.4s、控制执行时间≤1s、数据传输速率2400bps。同时，还具有体积小巧、安装方便、运行稳定、不影响施工车辆动力特性、改装快速、维护简单等优点，适合瓦斯隧道施工车辆在瓦斯内的瓦斯监测预警。
3.2.2主动防御报警系统的结构及系统工作原理
系统原理和结构组成如图1、图2所示。KDG18Z隧道车辆瓦斯监控装置即可采集各种传感器的信号，又可对控制器发出控制信号，使机械自动停止工作，实现闭锁。当瓦斯浓度上升较快或者是施工机械现场无人值守时，环境瓦斯浓度达到设定的报警值时，传感器自动发出声光报警；当环境瓦斯浓度达到设定的断电控制值，装置自动向机械的断油熄火控制器发出控制信号，使机械自动停止工作，实现闭锁。
32.3主动防御报警系统的安装
安装位置可根据机械自身的结构特点灵活选择，可安装在驾驶室、机械底部或侧面以及驾驶室与车箱连接处等。传感器安装于驾驶室顶部通风处。
3.2.4主动防御报警系统的使用要点
进入隧道作业前，驾驶员必须检查监控系统是否工作正常；隧道内作业时，监控系统必须保持开启状态；监控系统发出声光报警后，应立即将车辆熄灭，并撤离现场，通知相关人员；在洞内放炮前，所有车辆熄火或者开除洞外；放炮后，经检查确认安全后，方可进入洞内作业；若通过其它手段检测出隧道内瓦斯含量异常，应立即停止作业，待确认安全后方可重新作业；监控系统所带的瓦斯传感器必须按规定时间间隔进行零点较准，同时做好除尘工作；系统必须与监控系统、人工检测等预防措施搭配使用。
3.3运输车等设备防爆改装
3.3.1改装目的和原则
改装目的是防止机械设备产生的高温、尾气火焰及电气系统的花火等引发瓦斯爆炸。通过采取隔离、降温等措施，确保机械设备产生的高温和明火不与车外的瓦斯环境接触。改装的设备见表2。
3.3.2改装部位和改装方法
（1）对发动机温度较高的部位采用隔热材料进行包裹，使其与外界隔离。
（2）对发动机的尾气采取降温和消焰措施。发动机排气管改为双层水冷排气管，通过循环水降低排气温度；设置废弃气处理箱，从双层水冷排气管排出的废气再经过废气处理箱中水的过滤，消除了尾焰，并进一步降低了废气温度。
3）机械设备的电气系统防爆改装目的是确保无明火与车外瓦斯环境接触，改装电缆选用矿用防爆电缆。主要改装项目和改装措施：将照明系统中车头远光灯、车厢中间及车尾灯更换为矿用防爆灯；启动马达和发电机采用阻燃材料进行塑封使之与外界隔绝；蓄电池安装到隔爆电瓶箱中；启动马达开关、照明系统开关及工作指示灯全部封装隔爆控制箱内。
4．结语
（1）由老周岩隧道高瓦斯工区机械设备使用效果表明，通过适当防爆改装，无轨运输能满足瓦斯隧道施工安全要求，且相比有轨运输有明显的优势。
（2）老周岩隧道高瓦斯工区“以预警为主，防爆措施改装相结合”的改装方案，具有双重防护效果特点，有着更高的安全性，对能否用在其他瓦斯隧道需要做进一步研究。
参考文献
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