摘 要：瓦斯隧道的安全施工是灵岩山隧道施工的重点和难点，本文详细介绍了瓦斯浓度监控的方法和具体方案。结合瓦斯超前地质预报，分析瓦斯影响范围，提出了相应的治理措施。同时，结合灵岩山瓦斯隧道提出了瓦斯隧道安全施工的详细技术方案。
关键词：高瓦斯；瓦斯监测；超前地质预报；隧道通风；隧道防突
前言
瓦斯是隧道及地下工程施工的一个重要地质灾害，因瓦斯异常涌出发生瓦斯爆炸事故而造成隧道塌方事故也是时有发生。瓦斯隧道工程的设计无法确保在施工前做到万无一失，加之瓦斯的易燃、易爆特性，施工存在很大的不确定性和高风险性。
目前，国外在瓦斯防治方面处于先进地位，主要体现在其意识及管理手段和先进的探测、监控设备上，国外的理论首先建立在"本质安全"的基础上，即从根本上消除瓦斯爆炸、燃烧的可能性，国外的设备也是本着"本质安全"的思想研发的，所有这些基本保证了瓦斯的安全性。
2005年以来，国家科技部会同相关部门正在加大瓦斯防治的课题研究，目前，科技部正启动"十二五"各项科技规划的研究制定工作，煤矿瓦斯治理利用的科技创新工作将作为重点内容纳入到国家主体科技计划中，并拟制定煤矿瓦斯治理和利用的科技专项规划，争取到"十二五"末期实现煤矿瓦斯治理和利用关键技术的重大突破；而在工程施工上，施工单位对此研究还比较欠缺，铁路、公路隧道穿越煤层的情况越来越多，加大瓦斯防治的需求也随之加大，所以急需针对隧道工程在瓦斯防治方面形成一整套行之有效的工法。
1 工程概况
灵岩山隧道是一座高瓦斯隧道，隧道全长1410m，根据勘探资料，吨煤瓦斯含量为6.26m3/t，瓦斯压力0.22Mpa，按《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002），瓦斯涌出量大于0.5 m3/min为高瓦斯工区，本隧道全部位于含煤地层中，推算隧道瓦斯涌出量应大于0.5 m3/min，所以，本隧道按高瓦斯工区施工。
2 瓦斯隧道监测方案设计
2.1 瓦斯隧道监测内容
在施工中，对安全生产影响最大的是瓦斯（主要成分是CH4）的浓度。故在本隧道施工中，主要以CH4为监测对象，采用自动瓦斯监控系统监测隧道内CH4气体的浓度变化情况。
2.2 监控方案设计
KJ-90NA自动监测系统采用分部式网络化结构，一体化嵌入式设计，具有红外遥控设置，独特的三级断电控制和超强异地交叉断电能力，可实现计算机远程多级联网集中控制和安全生产管理。该系统由洞外计算监控中心、洞内分站、洞内风速传感器、低浓度瓦斯传感器、远程断电仪和自动报警器组成，工作原理如图1所示。
灵岩山隧道出口自动瓦斯监测系统由2台主机（其中1台备用）、2个分站、6个低浓度瓦斯传感器、6个CO传感器、6个CO2传感器、6个温度传感器、6个风速传感器、3个开停传感器、3个风筒传感器等组成。隧道每间隔500～1000m平行设甲烷传感器、风速传感器一组。该系统瓦斯监测范围：0%～4%CH4，瓦斯检测反应速度≤30s；风速监测范围：0.3～15m/s。
在监控系统的设计中，掌子面拱顶下应布置两台低浓度瓦斯传感器，分站布置在距掌子面700m的地方（分站处设有低浓度瓦斯传感器1台、风速传感器1台），随着隧道不断掘进，分站和掌子面两台传感器同时前移。长距离独头掘进的隧道，每700m之间增设一组传感器。灵岩山隧道出口工区瓦斯监控系统平面布置图如图2所示。
2.3 传感器的布置
（1）开挖工作面传感器布置要求
低瓦斯隧道掘进工作面设低浓度瓦斯传感器，报警浓度为1.0%CH4，瓦斯断电浓度为1.5%CH4，复电浓度为小于1.0%CH4，断电范围为开挖工作面中全部非本质安全型电气设备。在实际施工过程中，使用瓦斯自动检测报警断电仪的开挖工作面，只准人工复电。人工复电前，必须进行瓦斯检查，确认瓦斯浓度达到《铁路瓦斯隧道技术规范》的规定后，方可人工复电。
（2）回风区传感器布置要求
低瓦斯隧道回风区，报警浓度为0.75%CH4，瓦斯断电浓度为0.75%CH4，复电浓度为小于0.75%CH4，断电范围为回风区全部非本质安全型电气设备。
（3）安设传感器的其他注意事项
①传感器应自由悬挂在拱顶下300mm处，其迎风流和背风流0.5m之内不有阻挡物。
②传感器悬挂处支护要良好，无滴水，走台架过程等不会损坏传感器。
2.4洞口中心站的布置要求
中心站计算机电源应由在线式不间断电源或交流稳压器加后备式不间断电源供给，中心站机房应采用空调设施及抗静电地板。
2.5 瓦斯浓度超限后的处理技术方案
（1）瓦斯浓度管理应按三级管理实施，即隧道内任何一处瓦斯浓度低于0.3%时可正常施工，当达到0.4%时应报警， 当达到0.5%时应停工检查并加强通风。
（2）在焊接、切割等工作点前后各20m范围内，风流中瓦斯浓度不得大于0.5%，并检查证明作业地点附近20m范围内隧道顶部、支护背板后无瓦斯积存时方可进行作业，作业完成后由专人检查确认无残火后方可结束作业。
（3）低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5m3/min时，为高瓦斯工区。
3 瓦斯地质超前预报
3.1通风方式
（1）进出口均采用压入式通风；
（2）仅考虑洞内作业和排除渗漏瓦斯的卫生和安全要求。
3.2通风设备
根据设计要求：通风设备主风机采用HP3LN26#，功率276.06KW，布置于洞口。洞内主风机采用FBDCZ（A）-6-N0型（防爆型，每台功率110KW）和局扇SLFJ100-2K型（防爆型，每台功率22KW），污浊风流应引至洞外高处排放，避免随新鲜风流进入洞内。
3.3风速要求
本隧道回风风速按0.5m/s设计，为防止瓦斯积聚，对如塌腔、模板台车、加宽段、避车洞等处增加局扇或高压风进行解决，对于一般段落采用射流风机卷吸升压以提高风速，从而解决回风流瓦斯的层流问题。
3.4瓦斯浓度
根据《铁路瓦斯隧道技术规范》，对隧道内不同地段的瓦斯浓度有不同的要求，具体内容见上表。为确保施工安全，放炮地点20m以内风流中瓦斯浓度达到1%时，严禁放炮，开挖风流中和电动机及其开关附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作和电机运转，撤出人员，切断电源，进行处理。本隧通风瓦斯浓度按小于0.5%考虑。
3.5通风的连续性
（1）根据《铁路瓦斯隧道技术规范》7.2.9瓦斯隧道施工期间，应实施连续通风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。
（2）每个洞口安装2台2×110kW轴流风机（1台运行，1台备用）通过Ф1.5m双抗风管（阻燃、抗静电）将新鲜空气送至掌子面。通风机设在洞外距洞口30m处。风管最前端距掌子面5m，并且前55m采用可折叠风管，以便放炮时将此55m迅速缩至炮烟抛掷区以外。
（3）掌子面至模板台车地段设置移动式局扇（将轴流风机安装在平板车上）配合软风管供风，以增加瓦斯易聚集地段的风速，防止瓦斯聚集。
（4）在掌子面至模板台车地段的死角、塌腔等部位用高压风将瓦斯引出。具体方案为根据瓦斯检测结果对其吹入高压风，将其聚集的瓦斯吹出，使之与回风混合后排出。
（5）在隧道的紧急停车加宽段处设置5.5kW局扇一台，以吹散该处聚集的瓦斯。
3.6通风管理
（1）成立专人的通风安装、使用、维修、维护的通风班组，每天进行巡检。保证管路顺直，无死弯、漏洞，其开机人员每天按班组对风机运行进行记录登记。
（2）通风系统安装后，首先，由项目部组织人员对通风设施进行验收，确认通风效果是否与设计相符。其次，项目部组织相关人员每周对通风进行定期检查。
（3）钻眼、喷锚、出碴运输、安装格栅钢架、掌子面塌方、塌方处理、瓦斯浓度大于或者等于0.5%时，风机要高速运转，加强检测确保洞内任一处瓦斯浓度降至0.5%以下才能施工。
（4）风机的停运，关开、变速由监控中心专人负责调度指挥，并且做好相应的记录并签认后备查，其他任何人不准擅自停机。当移动模板台车时，风机采取低档位供风，以保证供风的连续性。
（5）通风设施安装完正常运转后，每10天进行1次全面测风，对掌子面和其他用风地点，根据实际需要随时测风，每次测风结果做好记录并写在测风地点的记录牌上。若风速不能满足规范要求，采用适当的措施，进行风量调节。
（6）每7天在风管进风、出风口测一次风速及风压，并计算漏风率，如漏风率大于1%，分析查找原因，尽快改正，确保送至掌子面的风量与设计相符。
3.6通风平面示意附图
4 瓦斯防突预案
参考《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》，考虑到本隧道地质条件的复杂性和不确定性，为确保瓦斯隧道施工安全，制定瓦斯防突预案，一经发现可能发生瓦斯突出，应立即启动本预案。
4.1总体原则
（1）在施工过程中对瓦斯异常涌出或有突出危险段应严格按照《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》和有关规定实施防治煤（岩石）与瓦斯突出管理执行。
（2）根据超前探测钻孔施工情况、瓦斯压力和流量，参照《铁路瓦斯隧道技术规范》6.2.4条之规定"钻孔过程中出现顶钻、卡钻及喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面"，结合地勘地质报告情况，确定是否有异常涌出和突出危险。
4.2突出危险性预测
（1）突出危险性预测指标
①根据公路隧道的有关规定，参照煤矿《防治煤与瓦斯突出规定》和《铁路瓦斯隧道技术规范》的有关规定，结合隧道地质及瓦斯具体特点，采用以瓦斯压力P值为主、结合综合指标D、K值作为瓦斯突出危险性预测的定量指标。突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。其预测时的临界指标可参照下表所列突出临界值。
②如钻孔过程中出现顶钻、卡钻及喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面。
（2）突出危险性预测手段
综合煤矿预测掘进工作面防突预测手段主要为：采用地质雷达和电磁辐射技术预测物探方法初步预测工作面突出危险性，再采用钻探方法实施防突措施。根据现场实际情况，采用超前钻孔方法预测工作面突出危险性。隧道结合瓦斯探测孔，预测前方出现煤与瓦斯异常涌出或突出的可能性，若预测前方可能出现煤与瓦斯异常涌出或突出，可进行全断面超前瓦斯预测钻孔。预测孔超前安全距离保持10m以上，严禁超掘。
根据本项目隧道地质构造结构、瓦斯特点及现场实际情况，如全部钻孔预测均无突出危险且各项指标比较均匀，则可视为该工作面无突出危险，否则应视为该工作面有突出危险，应实施防治突出措施。
（3）防治突出措施
采用钻孔排放方案处治煤与瓦斯突出。瓦斯排放（检验）钻孔到超前探测钻孔的距离不大于2m，瓦斯排放效果检验采用与预测相同的方法。
5 结束语
通过本课题研究，对高瓦斯隧道在开挖、初期支护、二衬等全过程进行了详细的论述，尤其对在开挖过程中瓦斯检测的技术、遇到瓦斯浓度超限时瓦斯排放技术，初期支护中锚杆和钢架的无焊接联接技术等，这些都是以往瓦斯隧道施工的薄弱环节；同时，在超大涌水隧道中的高压劈裂预注浆堵水技术也是首创，在松散体上采用锚索及微型桩技术对其他工程也是很好的借鉴。
本课题组为以防万一均对炮孔进行了吹孔以降低瓦斯浓度，但也会影响功效。在以后需继续研究炮孔内瓦斯具体在多少浓度时才会因炸药爆炸引起瓦斯爆炸，以避免不必要的时间浪费。
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作者简介：吴星银（1958.11-）性别：男，民族（汉族可省略），籍贯（四川省简阳市）、2001年毕业于石家庄铁道学院工业与民用建筑专业，现供职单位：中铁二十三局集团第四工程有限公司，职称：工程师，研究方向：隧道施工。