高瓦斯隧道监控与施工通风设计思路

张凤伟

中国水利水电第七工程局有限公司 四川 成都 610299

在施工技术成熟度不断提高的背景下，横穿油气盆地、煤系地层等瓦斯积聚区的隧道工程数量也在增多，瓦斯隧道工程也在增多。瓦斯作为一类有害气体，会带来中毒、窒息、爆炸等问题，因此做好隧道工程监控与通风设计，也成为工程作业期间需重点关注的内容。通过整理隧道监控与施工通风设计要点，能够建立安全地隧道工程运营环境，延长隧道工程的使用寿命。

1 工程概况

观音坪隧道，全长4575m，不良地质主要有活动断裂、滑坡、高地应力、岩溶、有害气体等。隧道穿越北川-映秀断裂，易发突水突泥等施工灾害，隧道穿越煤系地层，可能含有硫化氢、SO2等有害气体。DK17+000～DK18+700，PDK17+050～PDK18+293段上覆飞来峰构造，分布可溶岩地层，岩溶中等发育。该隧道围岩全部为Ⅳ、Ⅴ级围岩，隧道出口工区长度1998m，采用压入式通风，以维持隧道工程作业环境的安全性。

2 高瓦斯隧道监控设计思路

2.1 量测项目

在观音坪隧道工程作业过程中，开展监控量测活动的目的如下：（1）对于不同施工地层、支护结构波动情况进行梳理，了解隧道工程作业期间的安全情况。同时根据获取到的数据信息，可以对地表下沉情况、周围环境波动情况进行科学性分析。（2）对于围岩工程的应力波动和围岩变形情况进行实时监测，根据获取数据论证支护衬砌结构的设计效果，以确定二次衬砌的具体时间。（3）基于现场实测信息，来直观展示地下工程的变化规律与特征，从而为后续施工技术方案调整提供可靠依据。而该工程推行活动中，所需要完成的监测项目及相关信息如图1所示。

图1 量测项目相关内容论述

2.2 量测频率

为得到准确的监控测量数据，需要科学控制项目的量测频率，保证获取数据的完整性与准确性。通常情况下，量测频率会根据参考内容的不同展开针对性设计，具体分析如下：（1）基于监测面与开挖面距离（记作D，计量单位为m）的量测频率如下：距离处于1D范围内时，量测频率为2次/d；距离处于1D-2D范围内时，量测频率为1次/d；距离处于2D-5D范围内时，量测频率为1次/（2-3）d；距离超过5D时，量测频率为1次/7d。（2）基于位移速度的量测频率如下：位移速度小于0.2mm/d时，量测频率为1次/7d；位移速度在0.2mm/d到0.5mm/d时，量测频率为1次/3d；位移速度在0.5mm/d到1.0mm/d时，量测频率为1次/（2-3）d；位移速度在1.0mm/d到5.0mm/d时，量测频率为1次/d；位移速度超过0.5mm/d时，量测频率为2次/3d。

2.3 数据分析处理

在数据分析处理活动中，应秉持以下步骤进行处理：（1）做好数据采集工作，在该项目的监测活动中，所需要采集的数据数量较多，会利用水准仪、全站仪等设备来自动采集数据，所有采集到的数据也会自动传输到数据库管理系统中展开进一步处理。（2）进行数据科学化整理，待每次观测活动结束后，也需要及时做好原始数据的校核与整理，过程包括原始数据检验、各类物理量计算、制作各类表格、清除异常数据、信息初步分析等，所有整理后获取的数据也会录入到系统中展开进一步处理。（3）做好数据分析工作，利用比较分析法、绘图法、各类应用模型，来完成监测物理量数值计算、变化规律计算、发展趋势预测等工作，从而为隧道工程安全状态分析与决策评估提供可靠依据。

2.4 拟定应急预案

在应急预案的拟定中，可分为以下几种情况：（1）出现预警或报警问题后，需要对获取到的数据展开科学性分析，了解问题出现原因并拟定处理措施，确定问题顺利解决后，进入到下一环节。在后续监测活动中也需要做好重点区域增加测点密度，同时增加监测频率，以获取完整和准确的监测数据，利于后续活动的有序进行。（2）在发现异常问题后，需要及时将问题上报给相关单位，随后组织临时监测小组来加强观测，如果遇到较为危险的情况，也需要及时做好相应的疏散工作，避免突发问题威胁到现场作业人员的生命安全。在隧道工程施工期间，也需要配置数量足够的照明系统，保证观测活动的连续性。针对日常使用的检测仪器，也需要做好不定期校核，维持仪器工作状态的稳定性，保证监测活动的有序进行。（3）在监测活动中如果遇到了恶劣天气，为了降低恶劣天气对仪器设备工作状态的影响，也需要做好日常巡视工作，以提高获取数据的准确性与完整性。

2.5 监测点损坏补救措施

在发现监测点损坏问题后，应采取以下措施进行处理：（1）在发现监测点损坏问题后，也需要在原来破损位置进行重新埋设，随后也需要快速恢复观测，以此来保证监测数据的连续性与可靠性。（2）对于新建的监测点，需要做好相应的围护处理，围护结构需保证其稳定性与可靠性，降低后续监测点重新被破坏的概率。（3）对于新建和已有的监测点，也会每日安排专人进行巡视，对于存在问题也需要采取措施进行处理。而且整个监测活动中的各类标志与材料，也需做好相应的储备工作，同时需要保证所整理信息的完好性，以提高所整理信息的完整性与准确性。

3 高瓦斯隧道施工通风设计思路

3.1 明确设计标准

在该工程项目的施工活动中，需要遵循《客货共线铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR 9653-2017）中的以下标准：（1）隧道内部的氧气百分比需要与外部环境一致，即不能低于20%。（2）隧道工程施工过程中，空气当中的10%以上游离二氧化硅的粉尘浓度不能超过2mg/m3，而10%以下游离二氧化硅的粉尘浓度不能超过4mg/m3。（3）空气当中的CO平均允许浓度不能超过29mg/m3，在15min内CO浓度容许值不能超过29mg/m3；空气当中CO2体积分数不能超过0.5%；空气中NOx的平均允许浓度不能超过5mg/m3。（4）隧道工程施工期间，内部温度不能超过28℃，而且施工期间隧道工程内部噪声值不能超过90dB。（5）隧道工程在全断面开挖阶段，内部通风风速不能低于0.15m/s，工区开挖阶段的坑内通风风速不能低于0.25m/s，瓦斯浓度较高的工段，通风风速不能低于1m/s。

3.2 掌子面需风量计算

在掌子面需风量计算活动中，需要计算的指标与公式如下：（1）瓦斯涌出稀释需风量（记作A），参考相应规范可依据以下公式进行计算：A=D·k1/（ρ2-ρ1），式中D表示掌子面瓦斯涌出量，计量单位为m3/min；k1表示掌子面不均衡系数，常用取值范围为1.5到2.0；ρ2表示允许瓦斯浓度，计量单位为%；ρ1表示新风瓦斯浓度，计量单位为%，代入数据后可得A=1600m3/min。（2）规定风速需风量（记作A0），计算公式如下：60VminF≤A0≤60VmaxF，式中Vmax表示瓦斯工段的最高风速，计量单位为m/s；Vmin表示瓦斯工段的最低风速，计量单位为m/s；F表示掌子面面积，计量单位为㎡。代入数据后可得A0=2435.6m3/min。（3）洞内同时工作最多人数时的需风量，计算公式如下：A1=qmk，式中q表示个人单位时间需要的空气量，计量单位为m3/min·人，本工程取值4m3/min·人；m表示洞内同时工作的人员数量，本工程取值50人；k表示风量备用系数，本工程取值1.15。代入公式后可得A1=230m3/min。（4）排除炮烟时的需风量（记作A2），具体的计算公式如下：，式中C表示表示单次爆破时所需的炸药用量，计量单位为kg，本工程取值为58.38kg；S表示掌子面的开挖面积，计量单位为㎡，本工程取值65.68㎡；D表示炮烟的抛掷长度，计量单位为m，本工程取值为120m。代入公式中后可得A2=379.46m3/min。（5）正洞需风量计算，如表1所示，正洞内会配置若干内燃设备，根据配置表可得正洞需风量Q5=（1×0.6×110＋0.5×1×145＋0.45×3×150＋2×0.5×85）×4＝1704m3/min。

表1 一个工作面（正洞）内燃设备配置表

3.3 通风方式设计

在该隧道工程通风方式的设计上，会按照以下三个阶段进行划分：第一阶段进口平导工区正洞小里程端贯通前采用压入式通风、出口工区采用压入式通风；第二阶段进口平导工区正洞小里程端贯通后采用巷道式通风、出口工区均采用压入式通风；第三阶段进口平导工区与出口工区贯通后采用全隧纵向通风。而且在通风方式的设计中也需注意以下内容：（1）在瓦斯隧道施工过程中，需要做好连接通风处理，因检修、停电等问题出现停风问题时，也需要及时撤出相关人员，并切断电源设施。而且在恢复通风前，也需要先检查瓦斯浓度，待其满足安全作业要求后，次啊可以恢复正常作业。（2）瓦斯隧道工程不同开挖工作面，都需要建立独立通风系统，禁止作业面串联通风情况。针对瓦斯容易聚集的区域，也会增设空气引射器、气动风机等设备，以消除瓦斯积聚带来的负面影响。（3）在巷道式通风活动中，正洞风机也需要随着正洞开挖活动的开展向前移动，适当缩减通风系统长度，以满足隧道工程的通风要求。对于隧道工程中不再使用横通道位置也会按要求做好风门设计，避免系统回流的问题[1]。

3.4 施工供风布置

结合该隧道工程的基础特点，需做好施工供风布置工作，结合该工程项目的基础情况，会在隧道进、出口作业面位置布置空压机房，作用是可以进行集中供风，而使用到的高压风管直径会选用φ150mm无缝钢管进行施工，设备在进洞后会使用支架法，将其安装在边墙位置，会沿着隧道工程水沟上50cm的位置进行布置，布置高度不能影响仰拱、填充施工。在管道前段主风管头位置也会对接分风器，并利用高压软管将不同风动工具进行连接。在该工程施工中，使用到的设备及压缩空气需要量如下：（1）风动凿岩机，其在工作时压缩空气需要量计算公式为Q＝∑mKq，式中Q 表示压缩空气的需要量，计量单位为m3/min；m表示该型号风动工具的具体数量，在该工程施工中所用工具数量为20；K表示工具同时开动系数，本工程计量中的取值为0.5；q表示该类型风动工具的空气消耗量，计量单位为m3/min，本工程取值为3.5m3/min，代入后可得Q=35m3/min[2]。（2）空压机站生产率，具体的计算公式为P＝1.3Q，代入数据后可得P1＝1.3Q＝45.5m3/min。根据获取到的相关数据可以得知，需要在单个工作面配置4台20m3电动空压机，其中2台会作为备用设备，以提高隧道工程通风环境的安全性。

3.5 通风时的注意事项

在工程通风设计活动中，需注意以下内容：（1）在该隧道工程中，作业区域均为高瓦斯工区，使用到的通风机械会布置两路电源，同时会布置风电闭锁与瓦电闭锁装置，风机也需要布置备用设备，所有风管需具备抗静电阻燃性能，以保证系统运行状态的安全性。（2）正洞与平导施工过程中，需要配备专业的瓦斯检测员，检查隧道工程开挖面的瓦斯逸出情况，如果发现瓦斯异常问题，也需要进一步完成隧道开挖面与回风流中瓦斯浓度波动情况进行检查，针对存在的异常问题也需采取措施进行处理，保证隧道工程作业环境的安全性。（3）做好通风管理工作，如果放炮位置20.0m以内风流当中瓦斯浓度超过了1%，那么此时禁止放炮，若是隧道工程开挖过程中，电动机、设备附近20.0m以内风流当中瓦斯浓度超过了1.5%，此时则需暂停设备工作，切断电源，并安排人员及时撤离[3]。（4）在隧道工程通风设计方面会使用巷道式通风，所有布置的风扇都需满足防爆要求，同时合理布局风扇位置，避免污染风进入主风机当中，对隧道工程安全运营产生威胁。

4 结束语

综上所述，高瓦斯隧道工程具有施工难度高、施工风险高等特征，为保证隧道工程作业过程的安全性，需要在隧道工程作业期间做好监控与通风设计工作，一方面，可以营造安全的隧道工程作业环境，加快隧道工程的作业进度；另一方面，能够降低安全隐患发生概率，提高隧道工程的施工质量。