0 引言

　　在隧道建设过程中，瓦斯事故造成的人员财产损失严重，我国瓦斯隧道的建设管理还处于起步阶段，相关施工技术和管理水平仍不成熟。瓦斯隧道施工领域缺乏一套系统、通用的标准化施工管理体系。周少东等^[1]探讨了地铁盾构隧道穿越瓦斯地层的施工技术;刘辉等^[2]研究了定量改进HAZOP法在瓦斯隧道施工通风安全中的应用;祝和意^[3]研究了高瓦斯盾构隧道施工控制关键技术;余红军等^[4]研究了高瓦斯隧道施工安全风险控制措施;康小兵等^[5]进行了高瓦斯隧道施工通风处理数值模拟分析;黄雄军^[6]进行了含瓦斯突出隧道破坏机理及其控制探讨;黄仁东等^[7]研究了基于熵权物元可拓模型的隧道瓦斯等级评价;郝俊锁^[8]研究了基于物联网的瓦斯隧道安全监控系统;彭立敏等^[9]研究了可拓法识别勘测阶段隧道瓦斯突出的模型与实例;晏启祥等^[10]研究了煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别;张雪金等^[11]进行了隧道施工开挖面瓦斯涌出及扩散规律研究;李志鹏等^[12]进行了隧道瓦斯爆炸数值分析与爆源类型确定研究;康小兵等^[13]探讨了隧道瓦斯灾害危险性评价;李永生等^[14]研究了天坪铁路隧道瓦斯抽放防突技术;高杨等^[15]探讨了铁路瓦斯隧道分类分级标准;赵钰^[16]研究了铁路瓦斯隧道施工控制技术。

　　本文以某轨道交通一期工程土建1标工程区间施工为背景，研究隧道工程瓦斯检(监)测方案，包括自动监测和人工检测，提出瓦斯浓度预警限值及处理措施，最后提出瓦斯隧道通风方案及设备安全隧道通风方式。

　　1 瓦斯隧道施工安全风险分析

　　某轨道交通一期工程土建1标工程盾构区间一共4个。根据《某轨道交通浅层天然危害气体分布特征专项勘察报告》共部署37口钻孔，已完钻并检测甲烷含量为0～8.5%，部分达到天然气燃爆极限。一般高瓦斯段应采用矿山法施工，低瓦斯段可采用盾构施工。

　　隧道内瓦斯浓度和其他有害气体浓度和触发条件决定了危害等级，如表1所示。

　　2 瓦斯检(监)测目的

　　区间地层中存在瓦斯，且有3个盾构区间为低瓦斯隧道，所以在盾构施工作业期间，对隧道内瓦斯的浓度应不间断地进行检(监)测，特别是易形成瓦斯积聚且风流难以到达的地方，如隧道拱顶、盾构机及后配台车的死角。采取固定点实时自动瓦斯监测和流动不间断人工瓦斯检测，一旦有异常情况，必须按照“隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施”中程序执行，确保施工安全。

　　3 瓦斯检(监)测方案

　　区间隧道瓦斯监控检测以自动监测系统为主、人工检测为辅。联络通道及暗挖隧道为人工检测方式。实时掌握隧道内瓦斯浓度，以CH₄为主，同时检(监)测H₂S,CO,CO₂。

　　  

　　表1 瓦斯及有害气体浓度和触发条件、危害等级 

　　 

　　 

　　

　　注:当瓦斯浓度<5%时，遇火不爆炸;CO浓度<5×10-5，连续2h无明显后果

　　表1 瓦斯及有害气体浓度和触发条件、危害等级

　　3.1 自动监测

　　盾构上主要关键位置共配备10个本安型固定式CH₄/CO/H₂S/CO₂监测装置，并将数据传输至地面监控室，实现甲烷浓度实时在线监测;当甲烷浓度达到设定的报警值/停机值/断电值时，会出现声光报警、停机、高压柜跳闸等不同反应的处理措施。

　　瓦斯自动监测系统应包含甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置功能，断电状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能是必备的，可实现风、瓦斯、电闭锁和声光报警。当瓦斯达到预警浓度时，所有设备都会发出报警信号;当瓦斯超过断电浓度时，断电仪会切断超限区电源，但自动监测系统仍正常发挥作用。

　　建立瓦斯监控中心，每个中心需配置合格的瓦斯监控人员，并采取24h连续值班制度，监控人员应熟悉自动监测设备的性能并熟练操作，在设备运行过程中随时记录，值班人员严禁擅离职守、脱岗、离岗。

　　3.1.1 自动监测系统

　　设计安装KJ90NA安全监控系统、KJ251人员定位系统、KJ526视频监控系统、监控室大屏显示系统，用于地铁瓦斯隧道施工环境安全综合监测。

　　KJ90NA瓦斯自动监控系统采用分布式网络化结构、一体化嵌入式设计，将独特的三级断电控制和超强异地交叉断电能力、红外遥控设置集合，实现计算机远程多级联网集中控制。

　　自动监控系统由监控中心站、分站，输入、输出设备组成，监控中心站不仅可以和分站间进行通信，还可接收分站的信息并对分站发出指令。在接收到分站信息后，中心站对信息进行处理、显示、报警。这些信息通过外围设备可以进行打印、上传和发送等。分站通过信息输入采集信号，在逻辑变换后，控制信号被输出，信号由断电器控制对象进行通、断电控制。图1所示为某区间监控系统拓扑图。

　　

　　图1 某区间监控系统拓扑图  

　　 

　　安装在洞内的CH₄传感器、H₂S传感器、CO传感器、CO₂传感器、温度传感器等被用来测定洞内瓦斯参数。首先，传感器将采集到的信息传给主控计算机分析处理，而后对洞内瓦斯、风速、风量进行实时监测和控制。当瓦斯超标时，系统将自动向洞外监控中心发出声光警报，然后监控中心会通过馈电断电器对设备进行自动断电以达到监控目的。该自动监控系统可进行全天候连续监控，从而实现安全预警和生产的目的。系统工作原理如图2所示。表2所示为瓦斯自动监控报警及处理标准。

　　

　　图2 监控系统工作原理  

　　 

　　3.1.2 监控室设置及传感器布置

　　1)监控室设置

　　监控室设置在洞外地面上，室内配备监控主机和大屏幕等。监控值班员实时掌控监控系统运行情况，发现报警、断电、分站无应答等异常情况，立即向项目经理部和维护人员汇报。

　　在地面监控室设置环境安全系统、人员定位系统及视频监控主机，井下传感器数据通过光纤网络传输至地面调度室，监控人员可通过主机及调度大屏对隧道内情况进行实时监控及历史数据查询，方便施工人员对现场进行管理，确保施工安全。安全监测系统采用独立网络传输，人员定位与视频监控系统合用网络传输系统，在盾构机延伸处设置主传输光缆绞盘，负责主传输光缆延展。

　　  

　　表2 瓦斯自动监控报警及处理标准 

　　 

　　 

　　

　　表2 瓦斯自动监控报警及处理标准

　　2)传感器布置

　　隧道盾构机上安装1套具备独立控制系统和电源的瓦斯自动监测设备，主要监测隧道内有毒气体含量，并将数据传输至主控室，同时通过光纤传输至地面，实现瓦斯浓度和有害气体实时在线监测。报警信号和关联设备的控制指令由监测控制系统发出，在接收到指令后，螺旋输送机闸门紧急关闭，停止盾构掘进。主机室的瓦斯浓度等监测数据应能传至地铁公司安全风险监控系统，实现集中管控。当有毒气体含量超标后，系统发出声光报警，作业人员立即采取相应措施。

　　3.1.3 固定瓦检仪安装位置

　　固定在盾构机上的瓦斯检测仪分别安装在螺旋机出土口、人仓门口、中前盾铰接密封位置顶部、3号拖车顶部、皮带机卸料口等重要位置。同时，在已成型隧道段每50m设置3个瓦斯气体自动监测探头，分别安装在隧道顶部及腰部位置，探头与盾构机上瓦电闭锁系统相连接，对隧道进行全面不间断监测。

　　3.2 人工检测

　　瓦斯监控员采用瓦斯检测仪和光干涉式瓦斯检测仪对作业区瓦斯浓度进行人工检测，每隔1～2h检测1次，并及时记录上报，做好存档。

　　3.2.1 瓦检人员

　　瓦检人员须经专门培训合格后且具有相关证件才能上岗。在岗的瓦检人员进行定期培训，每次培训后都要进行考核，不合格者不能上岗。

　　1)人工瓦检实行24h跟班巡检作业。

　　2)检测仪器、自救器和应急照明设施应由瓦检员携带完备，在巡检时，需由2人以上同时进行，且前后保持3～5m距离，后者负责监护。

　　3)瓦检人员在瓦斯检测过程中，严格执行瓦斯浓度超限处理措施，当检测到瓦斯浓度达0.5%时，向现场负责人报警，并对报警位置持续检测，与此同时，应向上级领导汇报情况;当瓦斯浓度达到1%时，瓦检人员应立即停止工作，并组织其他人员撤出，盾构机停机断电，并及时上报上级领导。

　　3.2.2 检测仪器

　　人工检测采用便携式复合气体检测仪或光干涉式甲烷测定器。

　　1)便携式复合气体检测仪

　　该仪器可检测多种气体(CH₄,CO,O₂,CO₂,H₂S等)，为隧道气体检测常规使用仪器，当检测到气体浓度超过警戒值时，仪器发出声光报警。

　　2)光干涉式甲烷测定器

　　该仪器通过测量气体折射率的变化对空气成分进行定量分析，用于测量空气中CH₄及CO₂浓度。本标段为低瓦斯隧道，使用低浓度光干涉式甲烷测定器(CJG10)，仪器瓦斯浓度测量范围为0～l0%。

　　4 瓦斯浓度预警限值及处理措施

　　4.1 瓦斯浓度预警限制

　　瓦斯浓度是指在回风流中检测得到的平均浓度，检测地点为盾构机台车外20m处。瓦斯浓度达到0.5%时，对隧道内作业人员进行预警;瓦斯浓度达到1%时，隧道内应停机。

　　4.2 瓦斯浓度预警处理措施

　　针对人工和自动瓦斯浓度监控体系检测出的不同瓦斯浓度，视情况采取措施进行处置，确保施工安全。在施工中必须严格要求，经常进行阶段性的检查，使瓦检人员能够严格按照岗位职责，做好检测数据记录、收集工作，确保数据真实可靠，为处置不同瓦斯浓度提供决策依据。表3所示为隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施。

　　  

　　表3 隧道内瓦斯浓度预警限值及超限处理措施 

　　 

　　 

　　

　　表3 隧道内瓦斯浓度预警限值及超限处理措施

　　注意事项如下。

　　1)螺旋机出土口的位置最高，一直处于最危险状态，须严格执行瓦斯隧道施工规范，提高警惕，防止事故发生。

　　2)掘进过程中，螺旋机出土时，皮带输送机上的渣土中含有一定量的瓦斯气体，导致洞内瓦斯浓度一定程度升高，应当得到重视。

　　5 瓦斯隧道通风

　　5.1 通风方式及选择

　　隧道通风分为全隧道通风和局部通风。全隧道通风主要针对整个隧道通风系统，局部通风主要是针对掌子面等局部作业地点的通风。隧道通风主要采用机械通风的方法，根据风道类型和通风机安装位置，分为压入式和巷道式。根据隧道内空气流向的不同，分为压入式、抽出式和混合式3种形式。

　　根据本工程实际情况，综合考虑隧道设备条件等各因素后，采用压入式通风方式可使足够新鲜空气到达掌子面。

　　5.2 瓦斯隧道通风设计方法

　　5.2.1 计算通风量

　　按以下5个方面分别计算通风需求量:(1)排出炮烟量;(2)隧道内最多工作人数;(3)允许最低风速;(4)瓦斯涌出量;(5)稀释、排出内燃机废气量。取最大值作为施工通风量需求值。

　　5.2.2 选择风管

　　根据隧道断面大小及洞内空间布置，选择风管直径、材质、连接形式及总体布置等。

　　5.2.3 计算通风阻力

　　根据风管布置，计算通风管道的通风阻力损失，包括沿程阻力损失和局部阻力损失。

　　5.2.4 选择通风机

　　根据施工通风量需求和管道阻力，初选通风机，绘制通风系统特性曲线，确定风机型号和性能要求。可选择单级轴流式、对旋轴流式或射流式。

　　5.3 某高瓦斯隧道通风系统设计

　　某轨道交通一期工程土建1标工程，盾构区间施工长度均≤300m，根据计算得知:单洞单线隧道需要风量1 170m³/min，考虑漏风，实际风机供风量须达1 203m³/min;单洞双线隧道需要风量2 370m³/min，考虑漏风，实际风机供风量须达2 424.5m³/min。

　　1)洞内通风管选用直径1.2mPVC增强塑纤布拉链式柔性风筒，具备抗静电阻燃性能，悬挂点间距5m;洞外段采用硬质风管。百米漏风率为2%，出风口距离掌子面距离<5m，回风速度为0.5m/s。

　　3)明确瓦斯浓度预警限值及超限处理措施，隧道内所有地点瓦斯浓度不得>1%，瓦斯浓度达到0.5%时，应进行预警;当浓度>1%时，应停止工作，查明原因，立刻采取相应处理措施，之后再进行检查，确认安全后方可施工。

　　4)研究通风选型计算，包括计算参数、风量计算、风压计算、功率计算、风机选型。根据本工程实际情况，综合考虑隧道掘进长度、布置形式，采用压入式通风方式，可使足够新鲜空气到达掌子面。

　　2)单洞单线、单洞双线风机分别采用SDF(B)-4-No11,SDF(B)-4-No12.5型多级变速隧道专用风机，单个工作面均按一备一用进行配置，距洞口≥20m，出风口采用Y形接头，确保备用风机在10min内能够启动供风。

　　3)通风机设置2路电源:网电和备用发电机。如果其中一路电源出现问题，另一路电源将在短时间内接通，从而保证风机正常运转。

　　4)通风控制系统设置风电闭锁装置，当通风机断电停止工作时，断电仪启动，切断该风机供风范围内的电源(瓦斯监控系统除外)。

　　表4为本工程瓦斯隧道通风系统设计。

　　6 结语

　　1)在瓦斯隧道施工时存在瓦斯事故特别重大危险源，隧道内瓦斯浓度和其他有害气体的浓度和触发条件决定了危害等级。瓦斯隧道修建中需要提高安全意识，严格执行相应安全措施。

　　2)对于瓦斯检(监)测方案，区间隧道瓦斯监控检测采用以自动监测系统为主、人工检测为辅。提出瓦斯自动监测包括自动监测系统和固定瓦检仪安装位置要求，在盾构施工作业期间，随时对隧道内瓦斯浓度进行人工检测。一旦发现异常情况，必须按照“隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施”中程序执行，确保施工安全。

　　  

　　表4 瓦斯隧道通风系统设计 

　　 

　　 

　　

　　表4 瓦斯隧道通风系统设计