何家坡高瓦斯隧道安全施工的“防”与“治”★

黄小亮

(中交二公局萌兴工程有限公司，陕西 西安 710119)

我国中西部地区地形起伏颇大，隧道建设是中西部高速公路修建中必不可少的环节。另一方面，据资料统计云贵川等西南地区煤炭资源分布广泛[1]。同时，西南地区长期受到地质构造作用，形成了丰富的煤层气资源，据统计西南地区高瓦斯矿井占比高达89%以上[2]。由此可知，我国西南地区大量公路隧道不可避免地穿越高瓦斯煤系地层，给隧道施工安全带来了巨大挑战。

鉴于瓦斯隧道施工环境复杂、瓦斯危害严重等特征，瓦斯隧道施工必须采取有效的防治措施。戎有龙[3]针对该高瓦斯公路隧道穿越薄煤层群的特殊工况，结合实际煤层群分布特征及煤层瓦斯参数，提出了一套完善的安全施工技术并进行了工程实践。胡科敏[4]从工法选择、爆破设计及瓦斯控制措施等方面对龙泉山瓦斯隧道进行了管控设计。任青阳等[5]采用水力压裂增透技术对正习高速公路天城坝隧道的瓦斯进行了抽放。龙港等[6]通过加密抽放钻孔的方式对隧道穿越构造煤层的瓦斯抽放技术进行了研究。另有文献从瓦斯隧道通风[7]、瓦斯涌出预测[8]、隧道揭煤技术[9]与设备防爆改装[10]等方面对瓦斯隧道的防治措施进行了研究。以上研究分别为各自的依托工程安全施工提供了有力的理论与技术支撑，形成了一系列有针对性的瓦斯隧道安全施工防治技术。然而，随着瓦斯隧道的煤层地质条件与瓦斯参数特征的改变，需要有针对性的制定防治措施。本文以何家坡高瓦斯隧道为工程依托，针对该瓦斯隧道的特殊工况提出了防控手段与治理措施。

1 何家坡高瓦斯隧道安全施工概况

1.1 工程概况

何家坡隧道位于贵州省贵阳市修文县小箐镇水冲湾，采用分离式设计。左洞起讫桩号ZK40+965～ZK42+633，长1 668 m；右洞起讫桩号YK40+940～YK42+585，长1 645 m。隧道设计时速100 km/h，建筑限界净宽14.5 m、净高5.0 m，设计荷载为公路为Ⅰ级。

地勘资料显示，隧道将在ZK41+355～ZK42+005(YK41+325～YK41+955)段穿过M1～M4共4层煤，其中M1煤层厚度为1.3 m～1.7 m，属于可采煤层。根据邻近煤矿资料显示，M1煤层矿井CH4绝对涌出量约为1.51 m3/min～8.42 m3/min，CO2绝对涌出量约为0.29 m3/min～6.08 m3/min。何家坡隧道M1煤层与矿井所采煤层属于同一煤层，因此设计何家坡隧道ZK41+355～ZK42+005 (YK41+325～ YK41+955)段为高瓦斯工区，如图1所示。另外，何家坡隧道穿煤段内存在采空区、岩溶、涌水与浅埋等复杂地质条件，给隧道穿越煤系地层施工带来了巨大挑战。

1.2 隧道瓦斯危害

隧道瓦斯是指从赋存地层中逸出的烷烃类气体，其成分以甲烷(CH4)为主，含有少量一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫等混合气体的总称叫做瓦斯。瓦斯气体在赋存地层中主要以两种形态存在：游离态瓦斯和吸附态瓦斯。其中，游离态瓦斯能在裂隙或孔隙中自由流动，一般占瓦斯总量的10%～20%；吸附态瓦斯又分为吸着态和吸收态，一般该状态瓦斯总量较高，且不能自由流动，如图2所示。

在隧道挖掘扰动下，隧道围岩产生损伤裂隙。游离态瓦斯会沿着裂隙渗流并涌入隧道掌子面，同时吸附态瓦斯解析为游离态也涌入隧道空间。当大量瓦斯气体涌入后，隧洞内的氧分压降低，可能造成人员窒息危害，当瓦斯中有含硫成分时还会造成人员中毒。以甲烷为主的瓦斯气体是一种极易燃烧的物质，在空气中氧气含量充足且具有火源的情况下会发生剧烈的燃烧甚至造成爆炸。另一方面，在隧道炮掘施工过程中，大量的煤、岩与瓦斯气体瞬间抛向隧道空间，冲毁隧道结构、施工台车与施工设备，并掩埋施工人员，这种危害称为煤与瓦斯突出。根据事故统计，在瓦斯隧道施工中，瓦斯爆炸事故出现的频次最多，例如董家山隧道瓦斯爆炸、七扇岩隧道瓦斯爆炸等事故。

2 何家坡高瓦斯隧道安全预防措施

鉴于瓦斯隧道施工中潜在的窒息、爆炸及煤与瓦斯突出等风险，何家坡高瓦斯隧道拟采取以防为主、防治结合的安全施工措施开展瓦斯工区施工。据国内外典型瓦斯隧道事故调查报告，90%以上的瓦斯隧道事故均存在施工预防管控不得当的情况。由此可见，防控工作是高瓦斯隧道安全施工的关键环节。何家坡高瓦斯隧道拟从五个方面着手，进行瓦斯工区的防控工作，如图3所示。

2.1 思想站位

项目进场后，首先选派技术骨干及相关管理人员赴重遵线黄家沟高瓦斯隧道、桐梓隧道以及桐新线建林岩高瓦斯隧道、新疆天山顺利隧道等地学习瓦斯隧道及不良地质隧道的施工经验，充分认识瓦斯隧道施工的重点与难点。其次，项目施工方多次邀请瓦斯隧道专家开展专题培训，并组织管理人员、施工班组以及相关人员学习研讨，全方位提高隧道管理与作业人员的思想站位。在此基础上，组织项目全体管理人员编制《何家坡高瓦斯隧道专项施工方案》并完成专家评审工作。

2.2 资金投入

必要的安全专项资金投入对于瓦斯隧道安全施工具有极其重要的作用。何家坡隧道作为项目控制性工程，项目方高度重视隧道施工的安全专项资金投入。截止目前，项目方已从隧道专项方案评审、现场观摩培训、隧道信息化监控系统、设备防爆改装等方面投入约550万元。另一方面，项目方设置了何家坡瓦斯隧道科学研究及咨询服务经费，并邀请国内高校隧道瓦斯治理团队开展科研与咨询服务，确保隧道施工安全。

2.3 管理制度

为满足何家坡高瓦斯隧道的施工安全，项目方建立了一套完整的高瓦斯隧道施工管理制度，具体包括高瓦斯隧道进洞管理制度、高瓦斯隧道仪器设备管理制度、高瓦斯隧道超前地质预报管理制度、高瓦斯隧道爆破安全管理制度、高瓦斯隧道防火防爆管理制度、高瓦斯隧道通风管理制度、高瓦斯隧道瓦斯监控与检测等14项制度，做到实施有标准，操作有程序。

2.4 人员配置

针对何家坡高瓦斯隧道，项目方成立了以项目经理为组长，其他班子及部门负责人等相关人员为组员的高瓦斯隧道管理领导小组，不定期进行瓦斯隧道施工安全检查及风险评估工作。在此基础上，聘请具有资质的特种作业人员成立瓦斯监测组、通风管理组、进洞管理组、施工爆破管理组等专项管理机构或班组，在项目经理部的直接领导下加强对高瓦斯隧道施工的安全管控。

2.5 过程监控

项目方重视何家坡瓦斯隧道施工的过程监控，分别从隧道洞口管理、门禁系统、供配电系统、瓦斯自动监测与人工复检、通风管理、爆破作业、动火作业等方面进行过程管控。做到严控进洞人员、确保通风要求、严管爆破动火，极大提高隧道施工的安全性。

3 何家坡高瓦斯隧道瓦斯治理技术

在预防为主的安全管理措施基础上，项目方采用七方面的治理技术来确保何家坡瓦斯隧道的安全施工，见图4。

3.1 超前地质预报

根据交通部《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》等规范指南编制了《何家坡隧道超前探测专项施工方案》，规定采用物探粗探与钻孔精探相结合的方式开展超前煤层探测。根据超前钻孔数据，采用Python语言开发了一套隧道煤层产状分析软件，可快速计算出煤层的真厚度、视厚度、倾角以及与隧道轴向的夹角等参数，并实现隧道与煤层的三维可视化显示，如图5所示。

3.2 隧道安全通风

为确保何家坡瓦斯隧道在瓦斯工区施工期间的通风可靠性，依据相关规范指南编制《何家坡隧道通风专项施工方案》，规定采用“双风机双风管”的通风布局，两趟风管均接至掌子面10 m以内，一趟使用一趟备用，必要时同时启用，具体通风布局如图6所示。当隧道主电源停电后，备用电源需在10 min内启动并开启风机，实行24 h不间断通风。瓦斯工区施工过程中，任何风机情况下风机停止，则作业动力设备必须立即停止工作。同时，建立通风监控机制，指派专人指挥风机系统，负责风量、风速等技术参数的检测工作，全程跟踪记录并签认操控流程。

3.3 防爆选型改装

首先编制《何家坡隧道供电专项施工方案》与《何家坡隧道设备防爆改装方案》，考虑到何家坡隧道瓦斯绝对瓦斯涌出量较大，在隧道施工距离低瓦斯工区200 m前，选取防爆的电气设备(包括电缆、用电设备、电气开关等)。另一方面，对隧道内作业的机械设备进行防爆改装，主要包括挖掘机、出渣车等设备，并组织开展了防爆改装性能验收。

3.4 监测监控预警

编制《何家坡隧道监控专项施工方案》，方案采取自动监控系统与人工瓦检相结合的方式来进行瓦斯监测。其中，自动监控系统是在普通隧道安全监控系统基础上，增加了有毒有害气体(如甲烷、硫化氢、一氧化碳等)实时监控，并按预警报警临界值自动向电器设备传递指令，保证系统实现风电闭锁、瓦电闭锁功能。人工瓦检采取三班倒的工序，切实执行“一炮三检”的瓦检规定，通过人工监测来检验修正自动监测系统。两者相互验证，共同对隧道瓦斯进行监测，提高瓦斯监测的可靠性。

3.5 煤层瓦斯抽排

何家坡隧道秉持“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的十六字瓦斯治理方针，首先基于超前钻探的煤层赋存特征、煤层瓦斯参数与隧道围岩构造等特征，开展煤层瓦斯抽(排)放适用性论证，选取适合何家坡隧道M1煤层的瓦斯抽放或者排放方案。在此基础上，选取适当的抽放半径进行抽(排)放钻孔布局设计，并编制相应的瓦斯抽(排)方案。

在瓦斯抽(排)钻孔施工及抽排瓦斯期间，加强隧道通风监测与管理。若采用排放瓦斯，则需要根据计算所需的分量和通风方式进行通风，确保隧道内的最大瓦斯含量浓度能被稀释降低至临界值(通常取体积浓度0.5%)以下。瓦斯抽(排)放完毕后需进行效果检验，待检验指标(如瓦斯浓度、抽采率、抽排量、瓦斯含量等)达标后方能开展揭煤施工。

3.6 隧道揭煤防突

按照规定，当隧道穿越的煤层厚度大于0.3 m时需要开展煤层突出危险性预测。根据地勘资料，何家坡隧道将穿越的M1煤层厚度为1.3 m～1.7 m，因此首先需开展突出危险性预测，并依据《防治煤与瓦斯突出细则》与《煤矿安全规程》等文件的规定，严格按照区域瓦斯防治的“四位一体”方针编制了《何家坡高瓦斯隧道揭煤专项施工方案》。

3.7 应急救援预案

针对何家坡隧道瓦斯工区施工中潜在的瓦斯超限、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、煤层自燃与煤尘爆炸等风险因素，依据GB/T 29639—2020生产经营单位生产安全事故应急预案编制导则等文件的规定编制了《何家坡高瓦斯隧道应急救援预案》，并依照AQ/T 9007—2019生产安全事故应急演练基本规范的规定进行了应急演练，从演练中找到预案的不足之处并反馈予以修正，形成最终的应急救援预案。

4 结语

本文总结了何家坡高瓦斯隧道穿越煤层、岩溶与采空区等不良地质环境过程中的预防管控措施和瓦斯防治技术。其中，预防措施分别从思想站位、资金投入、管理制度、人员配置与过程监控五方面进行管控；瓦斯防治主要从超前预报技术、安全通风技术、防爆改装技术、监测监控技术、瓦斯抽排技术、揭煤防突技术与应急救援预案七方面进行治理。最终，为何家坡高瓦斯隧道提供了一套预防为主、防治结合的安全管理及技术措施，可为瓦斯隧道施工提供一定的管理经验和技术支撑。