高瓦斯隧道監控與施工通風設計思路

張鳳偉

中國水利水電第七工程局有限公司 四川 成都 610299

在施工技術成熟度不斷提高的背景下，橫穿油氣盆地、煤系地層等瓦斯積聚區的隧道工程數量也在增多，瓦斯隧道工程也在增多。瓦斯作為一類有害氣體，會帶來中毒、窒息、爆炸等問題，因此做好隧道工程監控與通風設計，也成為工程作業期間需重點關注的內容。通過整理隧道監控與施工通風設計要點，能夠建立安全地隧道工程運營環境，延長隧道工程的使用壽命。

1 工程概況

觀音坪隧道，全長4575m，不良地質主要有活動斷裂、滑坡、高地應力、巖溶、有害氣體等。隧道穿越北川-映秀斷裂，易發突水突泥等施工災害，隧道穿越煤系地層，可能含有硫化氫、SO2等有害氣體。DK17+000～DK18+700，PDK17+050～PDK18+293段上覆飛來峰構造，分布可溶巖地層，巖溶中等發育。該隧道圍巖全部為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，隧道出口工區長度1998m，采用壓入式通風，以維持隧道工程作業環境的安全性。

2 高瓦斯隧道監控設計思路

2.1 量測項目

在觀音坪隧道工程作業過程中，開展監控量測活動的目的如下：（1）對于不同施工地層、支護結構波動情況進行梳理，了解隧道工程作業期間的安全情況。同時根據獲取到的數據信息，可以對地表下沉情況、周圍環境波動情況進行科學性分析。（2）對于圍巖工程的應力波動和圍巖變形情況進行實時監測，根據獲取數據論證支護襯砌結構的設計效果，以確定二次襯砌的具體時間。（3）基于現場實測信息，來直觀展示地下工程的變化規律與特征，從而為后續施工技術方案調整提供可靠依據。而該工程推行活動中，所需要完成的監測項目及相關信息如圖1所示。

圖1 量測項目相關內容論述

2.2 量測頻率

為得到準確的監控測量數據，需要科學控制項目的量測頻率，保證獲取數據的完整性與準確性。通常情況下，量測頻率會根據參考內容的不同展開針對性設計，具體分析如下：（1）基于監測面與開挖面距離（記作D，計量單位為m）的量測頻率如下：距離處于1D范圍內時，量測頻率為2次/d；距離處于1D-2D范圍內時，量測頻率為1次/d；距離處于2D-5D范圍內時，量測頻率為1次/（2-3）d；距離超過5D時，量測頻率為1次/7d。（2）基于位移速度的量測頻率如下：位移速度小于0.2mm/d時，量測頻率為1次/7d；位移速度在0.2mm/d到0.5mm/d時，量測頻率為1次/3d；位移速度在0.5mm/d到1.0mm/d時，量測頻率為1次/（2-3）d；位移速度在1.0mm/d到5.0mm/d時，量測頻率為1次/d；位移速度超過0.5mm/d時，量測頻率為2次/3d。

2.3 數據分析處理

在數據分析處理活動中，應秉持以下步驟進行處理：（1）做好數據采集工作，在該項目的監測活動中，所需要采集的數據數量較多，會利用水準儀、全站儀等設備來自動采集數據，所有采集到的數據也會自動傳輸到數據庫管理系統中展開進一步處理。（2）進行數據科學化整理，待每次觀測活動結束后，也需要及時做好原始數據的校核與整理，過程包括原始數據檢驗、各類物理量計算、制作各類表格、清除異常數據、信息初步分析等，所有整理后獲取的數據也會錄入到系統中展開進一步處理。（3）做好數據分析工作，利用比較分析法、繪圖法、各類應用模型，來完成監測物理量數值計算、變化規律計算、發展趨勢預測等工作，從而為隧道工程安全狀態分析與決策評估提供可靠依據。

2.4 擬定應急預案

在應急預案的擬定中，可分為以下幾種情況：（1）出現預警或報警問題后，需要對獲取到的數據展開科學性分析，了解問題出現原因并擬定處理措施，確定問題順利解決后，進入到下一環節。在后續監測活動中也需要做好重點區域增加測點密度，同時增加監測頻率，以獲取完整和準確的監測數據，利于后續活動的有序進行。（2）在發現異常問題后，需要及時將問題上報給相關單位，隨后組織臨時監測小組來加強觀測，如果遇到較為危險的情況，也需要及時做好相應的疏散工作，避免突發問題威脅到現場作業人員的生命安全。在隧道工程施工期間，也需要配置數量足夠的照明系統，保證觀測活動的連續性。針對日常使用的檢測儀器，也需要做好不定期校核，維持儀器工作狀態的穩定性，保證監測活動的有序進行。（3）在監測活動中如果遇到了惡劣天氣，為了降低惡劣天氣對儀器設備工作狀態的影響，也需要做好日常巡視工作，以提高獲取數據的準確性與完整性。

2.5 監測點損壞補救措施

在發現監測點損壞問題后，應采取以下措施進行處理：（1）在發現監測點損壞問題后，也需要在原來破損位置進行重新埋設，隨后也需要快速恢復觀測，以此來保證監測數據的連續性與可靠性。（2）對于新建的監測點，需要做好相應的圍護處理，圍護結構需保證其穩定性與可靠性，降低后續監測點重新被破壞的概率。（3）對于新建和已有的監測點，也會每日安排專人進行巡視，對于存在問題也需要采取措施進行處理。而且整個監測活動中的各類標志與材料，也需做好相應的儲備工作，同時需要保證所整理信息的完好性，以提高所整理信息的完整性與準確性。

3 高瓦斯隧道施工通風設計思路

3.1 明確設計標準

在該工程項目的施工活動中，需要遵循《客貨共線鐵路隧道工程施工技術規程》（Q/CR 9653-2017）中的以下標準：（1）隧道內部的氧氣百分比需要與外部環境一致，即不能低于20%。（2）隧道工程施工過程中，空氣當中的10%以上游離二氧化硅的粉塵濃度不能超過2mg/m3，而10%以下游離二氧化硅的粉塵濃度不能超過4mg/m3。（3）空氣當中的CO平均允許濃度不能超過29mg/m3，在15min內CO濃度容許值不能超過29mg/m3；空氣當中CO2體積分數不能超過0.5%；空氣中NOx的平均允許濃度不能超過5mg/m3。（4）隧道工程施工期間，內部溫度不能超過28℃，而且施工期間隧道工程內部噪聲值不能超過90dB。（5）隧道工程在全斷面開挖階段，內部通風風速不能低于0.15m/s，工區開挖階段的坑內通風風速不能低于0.25m/s，瓦斯濃度較高的工段，通風風速不能低于1m/s。

3.2 掌子面需風量計算

在掌子面需風量計算活動中，需要計算的指標與公式如下：（1）瓦斯涌出稀釋需風量（記作A），參考相應規范可依據以下公式進行計算：A=D·k1/（ρ2-ρ1），式中D表示掌子面瓦斯涌出量，計量單位為m3/min；k1表示掌子面不均衡系數，常用取值范圍為1.5到2.0；ρ2表示允許瓦斯濃度，計量單位為%；ρ1表示新風瓦斯濃度，計量單位為%，代入數據后可得A=1600m3/min。（2）規定風速需風量（記作A0），計算公式如下：60VminF≤A0≤60VmaxF，式中Vmax表示瓦斯工段的最高風速，計量單位為m/s；Vmin表示瓦斯工段的最低風速，計量單位為m/s；F表示掌子面面積，計量單位為㎡。代入數據后可得A0=2435.6m3/min。（3）洞內同時工作最多人數時的需風量，計算公式如下：A1=qmk，式中q表示個人單位時間需要的空氣量，計量單位為m3/min·人，本工程取值4m3/min·人；m表示洞內同時工作的人員數量，本工程取值50人；k表示風量備用系數，本工程取值1.15。代入公式后可得A1=230m3/min。（4）排除炮煙時的需風量（記作A2），具體的計算公式如下：，式中C表示表示單次爆破時所需的炸藥用量，計量單位為kg，本工程取值為58.38kg；S表示掌子面的開挖面積，計量單位為㎡，本工程取值65.68㎡；D表示炮煙的拋擲長度，計量單位為m，本工程取值為120m。代入公式中后可得A2=379.46m3/min。（5）正洞需風量計算，如表1所示，正洞內會配置若干內燃設備，根據配置表可得正洞需風量Q5=（1×0.6×110＋0.5×1×145＋0.45×3×150＋2×0.5×85）×4＝1704m3/min。

表1 一個工作面（正洞）內燃設備配置表

3.3 通風方式設計

在該隧道工程通風方式的設計上，會按照以下三個階段進行劃分：第一階段進口平導工區正洞小里程端貫通前采用壓入式通風、出口工區采用壓入式通風；第二階段進口平導工區正洞小里程端貫通后采用巷道式通風、出口工區均采用壓入式通風；第三階段進口平導工區與出口工區貫通后采用全隧縱向通風。而且在通風方式的設計中也需注意以下內容：（1）在瓦斯隧道施工過程中，需要做好連接通風處理，因檢修、停電等問題出現停風問題時，也需要及時撤出相關人員，并切斷電源設施。而且在恢復通風前，也需要先檢查瓦斯濃度，待其滿足安全作業要求后，次啊可以恢復正常作業。（2）瓦斯隧道工程不同開挖工作面，都需要建立獨立通風系統，禁止作業面串聯通風情況。針對瓦斯容易聚集的區域，也會增設空氣引射器、氣動風機等設備，以消除瓦斯積聚帶來的負面影響。（3）在巷道式通風活動中，正洞風機也需要隨著正洞開挖活動的開展向前移動，適當縮減通風系統長度，以滿足隧道工程的通風要求。對于隧道工程中不再使用橫通道位置也會按要求做好風門設計，避免系統回流的問題[1]。

3.4 施工供風布置

結合該隧道工程的基礎特點，需做好施工供風布置工作，結合該工程項目的基礎情況，會在隧道進、出口作業面位置布置空壓機房，作用是可以進行集中供風，而使用到的高壓風管直徑會選用φ150mm無縫鋼管進行施工，設備在進洞后會使用支架法，將其安裝在邊墻位置，會沿著隧道工程水溝上50cm的位置進行布置，布置高度不能影響仰拱、填充施工。在管道前段主風管頭位置也會對接分風器，并利用高壓軟管將不同風動工具進行連接。在該工程施工中，使用到的設備及壓縮空氣需要量如下：（1）風動鑿巖機，其在工作時壓縮空氣需要量計算公式為Q＝∑mKq，式中Q 表示壓縮空氣的需要量，計量單位為m3/min；m表示該型號風動工具的具體數量，在該工程施工中所用工具數量為20；K表示工具同時開動系數，本工程計量中的取值為0.5；q表示該類型風動工具的空氣消耗量，計量單位為m3/min，本工程取值為3.5m3/min，代入后可得Q=35m3/min[2]。（2）空壓機站生產率，具體的計算公式為P＝1.3Q，代入數據后可得P1＝1.3Q＝45.5m3/min。根據獲取到的相關數據可以得知，需要在單個工作面配置4臺20m3電動空壓機，其中2臺會作為備用設備，以提高隧道工程通風環境的安全性。

3.5 通風時的注意事項

在工程通風設計活動中，需注意以下內容：（1）在該隧道工程中，作業區域均為高瓦斯工區，使用到的通風機械會布置兩路電源，同時會布置風電閉鎖與瓦電閉鎖裝置，風機也需要布置備用設備，所有風管需具備抗靜電阻燃性能，以保證系統運行狀態的安全性。（2）正洞與平導施工過程中，需要配備專業的瓦斯檢測員，檢查隧道工程開挖面的瓦斯逸出情況，如果發現瓦斯異常問題，也需要進一步完成隧道開挖面與回風流中瓦斯濃度波動情況進行檢查，針對存在的異常問題也需采取措施進行處理，保證隧道工程作業環境的安全性。（3）做好通風管理工作，如果放炮位置20.0m以內風流當中瓦斯濃度超過了1%，那么此時禁止放炮，若是隧道工程開挖過程中，電動機、設備附近20.0m以內風流當中瓦斯濃度超過了1.5%，此時則需暫停設備工作，切斷電源，并安排人員及時撤離[3]。（4）在隧道工程通風設計方面會使用巷道式通風，所有布置的風扇都需滿足防爆要求，同時合理布局風扇位置，避免污染風進入主風機當中，對隧道工程安全運營產生威脅。

4 結束語

綜上所述，高瓦斯隧道工程具有施工難度高、施工風險高等特征，為保證隧道工程作業過程的安全性，需要在隧道工程作業期間做好監控與通風設計工作，一方面，可以營造安全的隧道工程作業環境，加快隧道工程的作業進度；另一方面，能夠降低安全隱患發生概率，提高隧道工程的施工質量。