高瓦斯隧道非防爆无轨运输风险防控技术探讨与应用——以渝黔铁路天坪隧道工程为例

王 栋

(1. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458； 2. 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室， 广东 广州 511455)

0 引言

随着我国交通事业的发展，修建的瓦斯隧道越来越多。据不完全统计，1949—1999年，我国修建了18座瓦斯隧道，占全国隧道总数的0.18%； 但2000—2009年，我国修建的瓦斯隧道已有60余座，其中长度3 km以上的32座，大大超过了2000年以前修建的瓦斯隧道总数[1]。2010年以来，相继修建了20多座采用防爆改装无轨运输技术施工的公路、铁路高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道，其中渝黔铁路新凉风垭隧道、重庆铁路枢纽东环线鹞子岩隧道为瓦斯突出隧道。

以往高瓦斯隧道施工运输均按规定采用有轨运输方式，主要是借鉴煤矿生产中防爆型有轨运输的成功经验与成果，相关规范也据此给出了明确规定。《铁路瓦斯隧道技术规范》[2]中11.1.2条规定“高瓦斯和瓦斯突出工区的作业机械应使用防爆型”，不再专门要求高瓦斯隧道施工必须采用有轨运输； 《煤矿安全规程》[3]中第三百九十二条规定，煤矿开采运输过程中可采用无轨脚轮车运输，但要求必须整车防爆。同时，诸多专家学者也对煤矿、公路、铁路的无轨运输技术进行了探索和研究。文献[4-5]分析煤矿无轨运输设备的发展及效能，为隧道采用无轨运输技术提供了一些参考和借鉴； 文献[6-12]对高瓦斯公路、铁路隧道采用防爆改装技术进行了研究和应用，着重阐述了隧道作业机械的配置、改装方案、改装系统及应用情况； 文献[13]对高瓦斯铁路隧道采用无轨运输方案进行了对比和分析，说明了采用无轨运输的重难点和优越性； 文献[14]对车载瓦斯监控系统的组成、工作过程及应用进行了详细的阐述，认为有效的瓦斯监控手段可保证高瓦斯隧道的施工安全。

研究成果表明，无轨运输及防爆改装技术已经成熟地应用于高瓦斯隧道的施工过程中，但是由于防爆改装只是对无轨运输设备的局部改装，而作为核心的柴油发动机无法更换为防爆柴油机，另外启动方式和刹车等改装难度很大，也没有进行改装，并未实现运输机械的整机防爆，仍为非防爆设备。因此，本文从高瓦斯隧道非防爆无轨运输技术的影响因素出发，分析其可行性，通过应用诸多降低瓦斯含量和涌出量的安全风险防控配套技术，降低瓦斯体积分数，同时通过对现场的应用效果和综合效益进行深入的探讨和分析，创新性地应用非防爆无轨技术，取得了良好的应用效果，以期为同类工程施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

渝黔铁路是连通重庆、贵阳两地的快速铁路，全长345 km。其中，天坪隧道位于贵州省北部，重庆与贵州省交界地段，为单洞双线铁路隧道。隧道全长13.98 km，设置“1个平导+2座斜井+1个横洞(主副井)”，划分为进口和斜井、斜井、横洞和出口4个工区。横洞工区负责承担DK128+997～DK124+860段4 137 m正洞、PDK128+240～PDK124+640段3 600 m平导的施工任务。隧道在DK127+710～+850段穿越龙潭组煤系地层，连续穿越C6、C5、C3煤层，层厚分别为1.33、2.45、2.6 m，瓦斯含量高、压力大，施工风险极大，确认横洞工区为瓦斯突出工区，天坪隧道为Ⅰ级高风险隧道。天坪隧道及辅助坑道布置示意见图1。

图1 天坪隧道及辅助坑道布置示意图

2 高瓦斯隧道非防爆无轨运输技术的可行性分析

2.1 安全管理因素

《铁路隧道施工规范》(铁建设﹝2002﹞24号)已于2009年2月25日被废止，正在实行的TZ 20—2008《铁路隧道工程施工技术指南》和TB 10120—2019《铁路瓦斯隧道技术规范》中也不再明确规定“高瓦斯和瓦斯突出隧道必须采用有轨运输”，TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中也没有对瓦斯隧道施工运输方式和运输设备提出明确要求，只是在12.3.9条中规定“高瓦斯和瓦斯突出工区的电气设备和作业机械应使用防爆型。非瓦斯工区、微瓦斯工区和低瓦斯工区的行走机械严禁驶入高瓦斯和瓦斯突出工区”。但由于TB 10204—2002《铁路隧道施工规范》推行多年，在隧道施工行业有比较根深蒂固的影响，所以目前大部分设计单位仍然按照以往的惯性思维设计高瓦斯隧道，即采用有轨运输方式施工。设计如此，作为业主和监理就会要求施工单位按照设计方案进行施工，那么施工单位在高瓦斯和瓦斯突出隧道推行非防爆无轨运输时就会阻力重重，也直接影响到非防爆无轨运输在瓦斯隧道施工中的推广应用。

2.2 技术因素

国内外针对无轨内燃防爆设备均研制出了合格产品，并在煤矿井下成功应用，但其功率均偏小，不适用于隧道施工，大功率的无轨内燃防爆设备必须定制，且不说定制价格高低，其应用可靠性也没有被验证。因此，其在煤炭行业应用实例很少，那么在隧道施工领域没有被推广应用也是很正常的。

无轨内燃设备防爆的技术原理都是相同的，该技术推动了防爆改装技术在瓦斯隧道施工中的尝试和应用，取得了一些初步成果，但没有形成系统性有说服力的结论。其面临的最大问题是，防爆改装只能做到部分防爆，不是整机防爆。虽然从原理上来说是属于非防爆设备，但是否满足规范和施工要求还需要进一步研究。其安全可靠性暂时得不到相关单位和部门的认可，直接影响了非防爆无轨运输技术在高瓦斯隧道施工领域的推广应用。

目前，煤矿定制的整机防爆无轨胶轮车有合规的防爆合格证，但是其防爆改装的部件与上述内容基本相同，并且无轨运输设备的防爆改装技术已经能有效防范和控制其机械温度和火花，所以单独从技术角度，高瓦斯隧道采用非防爆无轨运输方式施工是可行和可靠的。

2.3 经济因素

虽然有关铁路隧道各规范中，均未作出高瓦斯隧道必须用有轨运输的规定，也没有禁用“无轨运输”的规定，但进洞设备必须防爆的要求并没有任何变化。

对于瓦斯隧道施工来说，无轨运输若全部配置防爆设备，一次性投入很大。同时，因为同一单位连续施工多个瓦斯隧道的概率很低，防爆设备可重复利用率较低，耗油高； 另外，由于防爆无轨运输设备的效率与非防爆设备相比低得多，所以防爆设备基本都是为某个项目量身定制的。防爆设备在项目一次性摊销，再加上运营和维护费用也比较高，项目成本投入大幅度提高。防爆无轨运输设备费用及能耗统计见表1。

表1 防爆无轨运输设备费用及能耗统计

目前隧道的总体造价不高，全部采用防爆设备必然会大幅度提高施工成本，造成施工单位亏损，因此，从经济因素分析更应采用非防爆无轨运输技术。

3 非防爆无轨运输技术风险防控管理措施

3.1 隧道瓦斯抽放消突技术

参考《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》、《煤矿瓦斯抽放规范》、《煤矿瓦斯抽采基本指标》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等技术文件进行抽放方案设计，同时充分考虑隧道施工组织设计及现场实际情况，保证抽放方案的可行性、科学性、经济性。横洞工区为瓦斯突出工区，采用了穿层网格预抽煤层瓦斯技术，其原理是利用空气负压，通过巷道和钻孔抽放未受采动影响或未经人为松动卸压的煤层中的瓦斯。隧道穿层预抽煤层瓦斯钻孔布置示意见图2。

图2 隧道穿层预抽煤层瓦斯钻孔布置示意图

通过采用瓦斯抽放消突技术，大幅度降低了煤层中的瓦斯含量和压力，消除了瓦斯突出的危险。C6煤层瓦斯含量从11.47 m3/t降到5.51 m3/t，C5煤层瓦斯含量从9.87 m3/t降到5.73 m3/t； C3煤层瓦斯含量从13.91 m3/t降到4.44 m3/t，均低于标准要求的8 m3/t的判定值。

3.2 隧道瓦斯涌出量控制技术

3.2.1 煤壁瓦斯涌出量的控制

采取合理的瓦斯抽放措施后，隧道掘进面前方煤层的瓦斯含量和瓦斯压力都将相应降低，揭开煤层后，其瓦斯涌出强度也将发生变化。采用煤壁瓦斯涌出量理论计算模型，对比分析抽放前后的瓦斯涌出强度变化。根据现场测试及反演计算结果，天坪隧道煤层瓦斯参数见表2。抽放后瓦斯涌出量变化如图3所示。

表2 天坪隧道煤层瓦斯参数

由图3可知，采取瓦斯抽放措施后，煤层瓦斯强度明显降低，其初始涌出强度低于未抽放情况下对应数值的50%。煤壁瓦斯排放过程在理论上是无限的，但实际上经历一定暴露时间后，煤壁瓦斯涌出量下降到可以忽略不计的程度。根据图中所示，通风20 min后，煤壁瓦斯涌出强度即可控制在2.0 m3/min以内； 通风90 min后，煤壁瓦斯涌出量接近1.0 m3/min。经计算，瓦斯体积分数仅为0.1%。

图3 抽放瓦斯后瓦斯涌出量变化

初喷混凝土后瓦斯涌出量变化如图4所示。由图可知，隧道壁面初喷气密性混凝土封闭后，煤壁向洞内的瓦斯涌出量明显降低，并可控制在0.4 m3/min以内。因此，在开挖爆破并通风一段时间后，对煤壁进行喷浆封闭，可以有效降低煤壁的瓦斯涌出强度，减少瓦斯涌出量。

图4 初喷混凝土后瓦斯涌出量变化

3.2.2 落煤瓦斯涌出量的控制

天坪隧道瓦斯抽放前后落煤瓦斯涌出量如图5所示。由图可知，瓦斯抽放后，落煤瓦斯涌出量明显降低。由于煤体中大部分游离瓦斯均被抽放排出，所以抽放后，落煤瓦斯涌出量基本上低于未抽放情况的50%。

图5 天坪隧道瓦斯抽放前后落煤瓦斯涌出量

开挖面积与瓦斯涌出量的关系如图6所示。由图可知，随着开挖面积增加，单位面积瓦斯涌出强度会略有降低，但是单位时间内总的瓦斯涌出量呈明显增大趋势。可以得出，减小每次开挖的面积对于减小落煤瓦斯涌出量是有显著效果的。

图6 开挖面积与瓦斯涌出量的关系

总之，在掌子面爆破排烟后，将暴露的煤岩壁初喷4 cm厚的气密性混凝土，通过减少开挖进尺来减少煤壁暴露面积，这样既可稳定围岩和掌子面，又可降低出碴期间瓦斯涌出量，有利于对瓦斯体积分数的控制。出碴期间作业面的瓦斯涌出量一般都在0.3 m3/min以下，初期支护完成后，因围岩喷射气密性混凝土的厚度达到15 cm以上，瓦斯涌出量更低，经计算，通风20 min后现场落煤和煤壁的瓦斯总体积分数为0.28%，实现了对瓦斯涌出量和体积分数的有效控制。

3.3 隧道瓦斯自动监控及智能化通风技术

正洞C3煤层揭煤时间为2015年4月20日，对此阶段揭煤过程中的智能化通风控制系统(布置图见图7)进行了测试，对瓦斯自动监控数据进行了收集，在洞口设置了远程监控平台(见图8)。

图7 天坪隧道正洞揭煤施工节能控制通风系统布置示意图

图8 现场控制平台

在应用过程中，对揭煤施工循环工序进行分析。根据隧道风机智能化控制系统与瓦斯监控系统采集的瓦斯、一氧化碳体积分数变化绘制成曲线，结果分别如图9和图10所示。这个循环的施工工序是： 23:35放炮—00:25开始出碴—02:15出碴结束、准备立拱—03:25开始立拱—05:45立拱结束、开始喷浆—07:50喷浆结束、准备打钻、循环结束。

图9 瓦斯体积分数随时间变化的曲线

图10 一氧化碳体积分数随时间变化的曲线

放炮后掌子面传感器的一氧化碳体积分数超标，瓦斯在放炮过程中溢出，在炮后30 min内将一氧化碳体积分数降到了规范允许值以内，此阶段风量的主要控制因素为一氧化碳和瓦斯。随着掌子面扒碴，暴露的煤层瓦斯再次溢出，直至出碴阶段，瓦斯溢出量一直较大，持续时间大约50 min，此阶段风量的主要控制因素为瓦斯气体。之后瓦斯体积分数一直未超过0.3%，实现了对整个作业循环瓦斯的全过程监控，保证了隧道的安全施工。

3.4 隧道瓦车闭锁技术

车载瓦车闭锁系统是实现瓦斯隧道非防爆无轨运输的关键辅助技术。在隧道施工过程中，将该系统安装于内燃设备上，能实时监测其周围环境空气中的瓦斯体积分数。当环境瓦斯体积分数超过报警限值，系统发出声光报警； 如果瓦斯体积分数继续升高，超过断电上限值后，监控系统发出车辆自动断油断电控制信号，控制车辆上相关电子系统实现自动断电熄火功能，并且在声光报警解除前无法启动车辆； 当环境瓦斯体积分数降低到安全限值以下报警解除后，该内燃设备方可再次启动。

在施工的全过程中，应定期对瓦斯监控系统进行鉴定和调校，保证车载瓦车系统的可靠运行。在施工过程中，所有无轨装运设备(出碴汽车、装载机、混凝土罐车、农用车等)均安装了瓦车闭锁系统，并设定了0.25%的警报体积分数和0.3%的闭锁体积分数，其安装与应用情况见图11。运输期间由于瓦斯体积分数一直处在0.3%以下，未触发过瓦斯闭锁。

(a) (b)

自2014年11月20日起，在140 m煤层瓦斯区段的施工期间，通过上述技术的综合应用，并严格落实瓦斯突出工区非防爆无轨运输的配套安全措施，在出碴过程中一直采用非防爆无轨运输设备，从来没有因为运输设备非防爆问题发生过安全事故，安全顺利地穿过了有瓦斯突出危险的煤系地层。

4 非防爆无轨运输技术应用的综合效益分析

采用非防爆无轨运输，不用一次性投入重新购置防爆设备的费用，将无轨运输的成本大大降低，使其与有轨运输相比，除了具有用人少、专用设备少、机动、高效、高产的优势外，在经济上也具有一定的优势。本文结合天坪隧道，从人工、设备、运输成本、轨道材料、施工进度5个方面，对2种运输方式进行经济对比分析，来分析天坪隧道采用无轨运输的综合效益。

4.1 人员投入

有轨运输需配置人员65人，无轨运输需配置人员48人，与有轨运输相比少配置17人，按照施组工期计算可节约人工费用284万元。2种运输方式人员配置见表3。

表3 2种运输方式人员配置

4.2 机械设备投入

4.2.1 有轨运输投入情况

有轨运输主要投入设备为电瓶车、矿车、充电机、混凝土运输车、挖装机等，根据实际情况，电瓶车、矿车、混凝土运输车有部分旧机可以修复使用，挖装机进行新购。有轨运输设备购置及前期安装调试费用预计需要603万元，其设备投入情况见表4。

表4 有轨运输设备投入分析

4.2.2 无轨运输投入情况

无轨运输设备挖掘机、装载机、自卸汽车、混凝土运输车、混凝土输送泵、农用车都是现成的设备，无需重新购置，没有新的投入(有轨与无轨均需具有的防爆电器等设施未统计之内)，但由于现场对上述设备进行了局部防爆改装，投入了240万元改装费用。

4.3 运输成本投入

有轨运输月运输成本为92.4万元，无轨运输月运输成本为57.9万元，通过比较，不考虑前期设备投入和安装费用，无轨运输消耗明显较低，每月主要设备消耗降低34.5万元左右，按35个月工期计算，可降低成本1 207万元。2种运输方式的月运输成本分析见表5和表6。

表5 有轨运输月成本投入分析

表6 无轨运输月成本投入分析

4.4 轨道材料投入

对于有轨运输需要投入43 kg/m的钢轨约32 000 m，钢枕约20 000根，道岔5副，预计材料投入约1 100万元； 而无轨运输不需要这方面的投入，可以节省约1 100万元材料费。有轨运输轨道材料配置见表7。

表7 有轨运输轨道材料配置

4.5 施工进度对比

4.5.1 有轨运输施工进度分析

有轨运输轨道管理和安装复杂，并且洞内多工序作业时会相互影响，导致运输效率较低，从而一定程度上影响施工进度。采用有轨运输正洞每月施工进度为： Ⅴ级围岩58 m，Ⅳ级围岩96 m，Ⅲ级围岩126 m，Ⅱ级围岩143 m。有轨运输方式的施工进度分析见表8。

表8 有轨运输施工进度分析

4.5.2 无轨运输施工进度分析

无轨运输采用汽车出碴和进料，相互之间干扰较小，可以不考虑运输工具之间相互影响。正洞每月施工进度为： Ⅴ级围岩70 m，Ⅳ级围岩106 m，Ⅲ级围岩185 m，Ⅱ级围岩217 m。无轨运输方式的施工进度分析见表9。

表9 无轨运输施工进度分析

对上述2种运输方式进度指标统计分析的前提施工方法为： 正洞Ⅴ级围岩采用三台阶七步法施工，每循环施工2榀拱架，拱架间距0.6 m； Ⅳ级围岩采用两台阶法施工； Ⅲ级和Ⅱ级围岩采用全断面施工。

无轨运输与有轨运输相比，施工进度分别提高： Ⅴ级围岩20.69%、Ⅳ级围岩10.42%、Ⅲ级围岩46.83%、Ⅱ级围岩51.75%。根据计算，掘进施工工期可由33.8个月缩短为28.4个月，节约5.4个月，降低管理费270万元。

综上，与有轨运输相比，无轨运输可节约人工费284万元，设备投入减少363万元，施工运输成本降低1 207万元，轨料投入节省1 100万元，管理费降低270万元，总计可节约成本3 224万元，在保证施工安全的前提下也节省了施工成本。

5 结论与讨论

本文依托渝黔铁路天坪隧道成功应用了非防爆无轨运输技术，总结分析了影响非防爆无轨运输技术应用的安全、技术和经济因素，认为在高瓦斯工区和瓦斯突出工区应用非防爆无轨运输技术是一项系统工程，必须保证从源头上控制瓦斯的涌出量和瓦斯体积分数，为实现非防爆无轨运输技术奠定安全前提。瓦斯的抽放实现了对瓦斯涌出量的有效控制，降低了施工过程中涌入隧道的瓦斯体积分数，保证了非防爆无轨运输技术的安全实施； 而配套的通风技术、瓦斯自动监控技术实现了对隧道通风量和瓦斯体积分数的全方位监控，保证了隧道无轨运输的可靠运行，同时辅以瓦车闭锁技术，真正做到了非防爆无轨运输机械本身瓦斯体积分数的及时准确监测。施工期间的瓦斯体积分数从未超过0.3%，节约工期5.4个月，节省成本3 200万，最终实现了高瓦斯隧道非防爆无轨运输的安全高效经济施工。

但是在应用过程中，也存在以下问题影响了高瓦斯隧道非防爆无轨运输技术的推广和应用。

1)高瓦斯隧道完全采用非防爆无轨运输方式施工必须先满足相关规范和标准的要求，其安全性、适用性和可靠性还没有完全得到证实，还需要在施工过程中进一步推广和研究。

2)瓦斯工区不能自始至终按一个瓦斯等级进行管理，不计成本地追求过度安全的行为，应该像瓦斯隧道“就高定级，分区管理”一样，实行“就高定级，分段管理，前后兼顾”的原则。

3)高瓦斯隧道实行的防爆改装无轨运输技术已经取得了一定成功，但是由于防爆改装只是对无轨设备的局部改装，核心部件并未更换为防爆设备，且启动方式和刹车方式也无法改装，其合规性无法保证。因此，无轨从原理来说仍是非防爆设备，这直接影响了其在隧道施工领域的推广应用，建议在高瓦斯和瓦斯突出隧道施工过程中管控措施到位的前提下，积累一定的瓦斯突出隧道施工经验，加快推进非防爆无轨运输技术的推广和应用。