瓦斯地层与隧道施工：瓦斯概念、影响因素及安全措施

（一）瓦斯的概念

瓦斯是地下工程中有害气体的总称。其中以沼气（甲烷CH4）为主，其他还有CO2、H2S、SO2和N2等。瓦斯在煤层中的含量最多。

当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等岩层，或从其附近围岩破碎、节理发育的地层中穿过时，可能会遇到瓦斯。如果隧道内空气中瓦斯浓度达到爆炸限度，一旦与火源接触，就会引起爆炸，给隧道施工安全带来很大的危害。

（二）瓦斯的性质

（1）瓦斯（沼气）为无色、无臭、无味的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起，发出类似苹果的香味，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人窒息或发生死亡事故。

（2）瓦斯比重为0.554，仅占空气一半，所以在隧道内，瓦斯容易存在坑道顶部，其扩散速度比空气快1.6倍，很容易透过裂隙发达、结构松散的岩层。

（3）瓦斯不能自燃，但极易燃烧，其燃烧的火焰颜色，随瓦斯浓度的增大而变淡，空气中含有少量瓦斯时火焰呈蓝色，浓度达5%左右时，火焰呈淡青色。

（三）瓦斯的燃烧和爆炸性

当坑道中的瓦斯，浓度小于5%遇到火源时，瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸；瓦斯浓度在5%～6%到14%～16%时，遇到火源具有爆炸性；瓦斯浓度大于14%～16%时，一般不爆炸，但遇火能平静地燃烧，瓦斯浓度爆炸界限见表9-6-1。

表9-6-1　瓦斯浓度爆炸界限

瓦斯燃烧时，遇到障碍而受压缩，即能转燃烧为爆炸。爆炸时能发生高温，封闭状态的爆炸（即容积为常数），温度可达2150℃～2650℃，能向四周自由扩张时的爆炸（即压力为常数）；温度可达1850°C。坑道中发生瓦斯爆炸后，坑道中完全无氧，而充满氮气、二氧化碳及一氧化碳气。这些有害气体很快传布到邻近的坑道和工作面，凡是来不及躲避的人，都会中毒窒息，甚至死亡。

瓦斯爆炸时，爆炸波运动造成暴风在前，火焰在后，暴风遇到积存瓦斯，使它先受到压力，然后火焰点燃发生爆炸。第二次瓦斯受到的压力比原来的压力大，因此爆炸后的破坏力也更巨剧烈。

（四）瓦斯放出的形式

从岩层中放出瓦斯，可分为施工阶段和运营阶段。

1.施工阶段三种类型

（1）瓦斯的渗出：它是缓慢地、均匀地、不停地从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，有时带有一种嘶音。

（2）瓦斯的喷出：比上述渗出强烈，从煤层或岩层裂缝或孔洞中放出，喷出的时间有长有短，通常有较大的响声和压力。

（3）瓦斯的突出：在短时间内，从煤层或岩层中，突然猛烈地喷出大量瓦斯，喷出的时间，可能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。

以上三种瓦斯放出形式，以第一种放出的瓦斯量为大。

2.运营阶段

地层中瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和施工缝等通道渗入隧道内。瓦斯渗入量不仅与煤层中瓦斯含量、压差有关，而且与衬砌材料、接缝材料的渗透性质有关，也与隧道内空气的流动速度等因素有关。

（五）影响瓦斯涌出的因素

（1）隧道通过蕴含量大的煤层或煤层群时，瓦斯涌出量大。

（2）隧道通过煤层，埋置深度越深，瓦斯涌出量也随之增加。

（3）放炮振动时，瓦斯容易从围岩裂隙排放涌入坑道。

（4）地面大气压的变化，对瓦斯涌出量的影响特别显著；当大气压下降时，甚至会造成瓦斯涌出高峰。

（5）坍方冒顶、地板裂隙、围岩暴露过久或临近煤层积存瓦斯，都容易放出大量瓦斯。

（6）遇到断层或接近贮存大量瓦斯的溶洞，坑道瓦斯涌出量倍增。

（六）防止瓦斯事故的措施

对瓦斯的防治，可采取“早避开、强通风、勤检查、强防爆、多排放、快封闭”的措施，具体就是在勘察设计时尽量探明瓦斯情况以使线路避开该地段，或尽量少地穿过含有瓦斯的地段、在施工中要加强通风，以降低坑道中的瓦斯含量。并用防爆设备和防爆施工规程，如能排放的瓦斯可用钻孔、通道排放，对瓦斯地段的隧道衬砌要用带仰拱的封闭式衬砌，防止隧道在运营使用中瓦斯泄露。

（1）隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。

（2）隧道通过瓦斯地区的施工方法，宜采用全断面开挖法。

（3）加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。(www.xing528.com)

（4）洞内空气中允许的瓦斯浓度应控制在规定值以下。

①洞内总回风风流中小于0.75%；

②从其他工作面进来的风流中小于0.5%；

③掘进工作面2%以下；

④工作面装药爆破前1%以下。

如瓦斯浓度超过上述规定，工作人员必须立即撤到符合规定的地段，并切断电源。

（5）开挖工作面风流中和电机附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停工、停机，撤出人员，切断电源，进行处理。

（6）瓦斯隧道必须加强通风，防止瓦斯积聚。

（7）如开挖进入煤层，瓦斯排放量较大，使用一般的通风手段难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。

（8）采用防爆设施。

（七）严格执行有关制度

（1）严格执行瓦斯防爆的技术安全规则与有关制度。指定专人定时或随时测量洞内风流和瓦斯含量。瓦斯检查手段可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪（图9-6-1）。

图9-6-1　瓦斯报警器

（2）洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电筒及其他易燃品带入洞内。

（3）进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育。抢救人员未经专门培训不准在瓦斯爆炸后进洞抢救。

（4）瓦斯检查人员必须挑选工作认真负责、有一定业务能力、经过专业培训、考试合格者，方可进行监测工作。

【思考与练习】

1.什么是黄土？

2.黄土的分类有哪些？

3.黄土地层隧道施工要求有哪些？

4.溶洞对隧道工程的影响有哪些？

5.隧道遇到溶洞的处理措施有哪些，注意事项有哪些？

6.膨胀性围岩的分级标准有哪些？

7.膨胀性围岩隧道施工要点有哪些？

8.隧道内岩爆的特点是什么？

9.岩爆产生的条件和防治措施？

10.施工中对岩爆的主要措施有哪些？

11.影响瓦斯涌出的因素有哪些？

12.施工中防止瓦斯事故的措施有哪些？

13.松散地层和流沙地段的特点有哪些？

14.流沙地层的预防措施有哪些？