瓦斯隧道施工风险评估及处置措施研究

杨永斌 樊永强 高伟政 王庆 肖伟

摘 要：从人员、设备、环境及管理角度出发，建立瓦斯隧道施工风险评价体系。依托乘法原理与可拓层次模型，确定L隧道瓦斯风险等级。研究得出：L隧道风险等级评判结果为1.56，瓦斯涌出估算量为2.63 m3/min，瓦斯绝对涌出量为1.79 m3/min，隧道处于危险状态。最后，从施工通风、钻爆作业、电器设备与作业机械、瓦斯预测及监测方面给出危险处置建议。

关键词：瓦斯隧道;风险评价;组合赋权;层次可拓模型;现场测试

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-04

Abstract： From the perspective of personnel， equipment， environment and management， the risk evaluation system of gas tunnel construction is established. The gas risk level of L  tunnel is determined based on the multiplication principle and extension hierarchy model. The results show that the risk grade evaluation result of L tunnel is 1.56， the estimated gas emission is 2.63 m3/min， the absolute gas emission is 1.79 m3/min， and the tunnel is in a dangerous state. Suggestions on disease treatment are given from the aspects of construction ventilation， drilling and blasting operation， electrical equipment and operation machinery， gas prediction and monitoring.

Keywords： gas tunnel;risk assessment;combination weighting;hierarchical extension model;field test

瓦斯气体可致隧道施工人员中毒、窒息，甚至发生瓦斯爆炸。瓦斯隧道风险评价已成国内外相关学者研究的热点课题。

1 工程概述

本研究以成（都）简（阳）快速路L隧道为依托，隧道起止里程为ZK05+625～ZK10+630，长度为5 005 m，最大埋深为384 m。隧址区呈非对称状背斜，轴部平缓开阔，两端倾伏，出露第四系地层為Q2～Q3黏砂土、黏土及砂砾石层[1-3]。地质勘探结果表明：隧址区分布多套非均质侏罗系浅层天然气藏，瓦斯逸出和涌出呈现随机性和不均匀性，极易发生瓦斯爆炸、瓦斯燃烧等灾害，现场施工风险较高，属重难点施工工程。

2 构建风险评价指标

本研究基于人员、设备、环境（事故三要素）及管理因素构建瓦斯隧道风险评价体系，具体如表1所示[4]。

3 建立指标权重计算体系

3.1 组合赋权

采用德尔菲法（主观）和改进灰色关联度法（半客观）对评价指标进行组合赋权。基于式（1）乘法原理确定各指标最终权重ωzj[5]：

式中：αj、βj分别为基于德尔菲法、改进灰色关联度法计算权重。指标层组合赋权的仿真对比结果，如图1所示。

3.2 评价指标归一化

对于值越大越不易引发隧道瓦斯灾害的指标，归一化处理算法为：

对于值越大越易引发瓦斯灾害的指标，归一化处理算法为：

3.3 层次可拓计算

瓦斯隧道施工风险评价体系第j项事物同征物元Rj的经典域可用式（4）表示[6]：

式中：Nj为第j项评价等级;ci为第i项评价指标;Vij为Nj关于ci的量值范围，即经典域。

待评价瓦斯隧道节域P可表示为：

式中：ViP为P关于ci的量值范围，即P的节域。

Vij与ViP之间关系为：

通过式（7）计算待评价隧道瓦斯灾害物元等级关联函数：

ρ（Vi，Vij）按式（8）进行计算：

Vij按式（9）进行计算：

ρ（Vi，ViP）按式（10）计算：

每项指标考虑5阶段安全等级，见表2。

待评价物元风险等级的评价矩阵向量Kj（P）按式（11）进行计算：

物元P的安全等级按式（12）进行确定：

则此时可评定物元P安全等级为j0。

4 现场测试与计算

4.1 瓦斯含量测算

据《公路瓦斯隧道技术规程》PB51/T 2243—2016中朗格缪尔公式测算，瓦斯含量W为（单位为m3/t）：

式中：a、b为吸附常数，单位分别为cm3/g、MPa-1;P为瓦斯压强，单位为MPa;Mad、Aad为煤的水分、灰分，单位均为%;F为孔隙率;γ为视密度，单位为g/cm3。

4.2 瓦斯绝对涌出量

据瓦斯绝对涌出量QG评定瓦斯隧道安全等级，按式（14）进行计算[7]：

式中：Q为施工通风风量，单位为m3/min;v为风速，单位为m/s;c为风流中瓦斯平均浓度，单位为%;D为风筒直径，单位为m。

通过现场测试，L隧道掌子面上方1.5～2.0 m处左、中、右位置处瓦斯浓度值分别为0.89%、0.63%、0.59%，瓦斯平均浓度为0.703%。通风风速v为240 m/min，风筒直径D为1.5 m，瓦斯绝对涌出量QG=1.79 m3/min>1.5 m3/min，依据规范判定L瓦斯隧道处于中风险等级。

4.3 天然气溢出量估算

天然气溢出量是评价瓦斯隧道风险等级的重要参数，按式（15）估算天然气溢出量Qy，按式（16）估算瓦斯涌出量Gyo[8]。

式中：Ag为含气面积，单位为m2;h为储层平均有效厚度，单位为m;φ为平均有效孔隙度;Cp为天然气浓度值;Bgi为地层天然气体积系数。

L隧道现场测试资料表明：h值为20 m，Cp值为15%，Bgi考虑取1，φ为4.7%。天然气影响宽度按200 m考虑，甲烷体积分数为82.11%。可计算天然气溢出量为141 141 m3/min，瓦斯涌出量为2.63 m3/min>1.50 m3/min，属高瓦斯隧道。

4.4 验证计算结果

表3为组合赋权-层次可拓风险评价计算结果、规范计算结果和现场实际情况。可见，各算法结果与现场情况吻合度较好，验证了本研究评价体系的可靠性。

5 瓦斯隧道处治措施

5.1 施工通风方面

隧道内烟尘及有害气体可通过加强通风进行稀释，基于隧道瓦斯涌出量、爆破烟尘及施工作业要求进行通风设计。采用压入式通风，隧道内风速不应小于1 m/s，风筒口距掌子面距离应小于10 m，洞外风机距隧道洞口15～20 m，每100 m风管漏风率≤1%，瓦斯施工工区应保证24 h连续送风[9]。

通风系统采用双电源与双设备模式。通风管材具备阻燃、抗静电特征。隧道内二衬拱顶、台车及坍腔等瓦斯积聚区域应增设局部风扇，风扇内采用防爆型风机，并提高监测频率。二衬台车位置处加设增压风机，局部风机采用三专和闭锁设备。

5.2 钻爆作业方面

瓦斯施工工区内钻爆作业应坚持“少装药-多打眼-短进尺-快锚喷-强支护-勤检测”的施工原则，建立健全“一炮三检”制度和“三人连锁放炮”制度[10]。瓦斯工区采用煤矿许用炸药，炸药等级随瓦斯浓度不同调整。选用毫秒瞬发雷管或毫秒延期电雷管。选取柔软性与绝缘性较好的铜制电缆，采取随用随挂方式敷设起爆线。提升隧道支护结构强度及施作质量，采用全断面径向注浆、添加气密剂及涂抹密封膏方式阻止瓦斯气体逸入隧道。

5.3 电器设备与作业机械

瓦斯隧道工区掌子面照明采用EXD1型防爆矿灯，二次衬砌段施工采用EXD2型防爆灯，现场施工人员移动照明应采用矿用灯具。隧道内瓦斯监控设备应与所有非本质安全型电器设备连接，实现风-电闭锁和瓦斯-电闭锁功能。施工方尽可能购置本质安全型机械与设备。

隧道内所有电器设备与作业机械均应采用防爆型号。瓦斯隧道工区内严禁焊接作业，构造筋、连接筋采用现场绑扎方式进行固定，受力主筋采用套筒方式进行连接。在隧道外部加工钢拱架时应设置锁脚锚杆钢板，洞内施工时采用螺栓进行连接固定。

5.4 瓦斯预测及监测方面

瓦斯隧道采用超前钻孔和瞬变电磁法进行地质预报。根据现场工程地质条件，设计超前水平钻孔位置及数量，结合实际情况加大部分钻爆孔深度进行超前预报。

建立洞內设备24 h不间断监测与瓦检人员现场监测相结合的双监控制度，并制定相互校检、监测及报告制度。洞内瓦斯监测设备应垂直悬挂于拱顶风流稳定区域，距隧道侧壁≤20 cm，距拱顶≤30 cm。瓦斯检测人员必须跟班检测，尤其是特殊作业、盲区作业，保证工作区、回流风区及洞外排放气体中瓦斯含量不超标[11]。

5.5 施工管理方面

建立健全以项目经理为首的隧道瓦斯管理机构，完善通风管理制度，同时定期对现场施工、技术及管理人员进行安全教育与培训。培训内容应突出重点，内容全面，针对性及系统性强，充分提高人员的安全意识，并定期对施工人员进行体检。隧道内油库、电器设备存放点需配备足量砂箱、防火锹及灭火器。此外，实现瓦斯隧道施工工长、安全员、瓦检员“三员”同时在岗制的管理方案。

6 结论

①从人员、环境、设备（生产事故三要素）及管理角度出发，建立包含管理人员素质、技术人员素质等9项内容，筛选出管理人员平均受教育年限、管理人员参与类似工程年限等55项指标层的风险评价体系。

②经L隧道现场测试与计算，瓦斯绝对涌出量为1.79 m3/min，判定为高瓦斯隧道，隧道处于危险状态。瓦斯涌出估算量为2.63 m3/min，属高瓦斯隧道，L隧道处于危险状态，评判结果与隧道现场情况相符。

③针对L隧道现场瓦斯病害及笔者现场施工经验，从施工通风、钻爆作业、电器设备与作业机械、瓦斯预测及监测方面给出相应的处置建议。

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