陰宏武
(中鐵一局集團第四工程有限公司,陜西 咸陽 712000)
在進行公路、鐵路的隧道施工中,經(jīng)常會遇到含有瓦斯的地層,瓦斯對隧道施工的危害無需贅述,嚴重時往往會發(fā)生劇烈的瓦斯爆炸,造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3374-2020)規(guī)定,瓦斯隧道工區(qū)分為非瓦斯工區(qū)、微瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)、煤與瓦斯突出工區(qū)五類。當(dāng)工區(qū)范圍內(nèi)絕對瓦斯涌出量小于1.0m3/min時屬于微瓦斯工區(qū),當(dāng)絕對瓦斯涌出量小于3.0m3/min時屬于低瓦斯工區(qū),當(dāng)絕對瓦斯涌出量大于等于3.0m3/min時屬于高瓦斯工區(qū)?!惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB10120-2019)與公路規(guī)范的判定標(biāo)準略有出入,其判定指標(biāo)比公路規(guī)范更加嚴苛。公路規(guī)范和鐵路規(guī)范都明確規(guī)定:微瓦斯和低瓦斯工區(qū)的作業(yè)機械可以使用非防爆型,高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的作業(yè)機械必須使用防爆型。
按現(xiàn)行國家標(biāo)準,防爆型機械應(yīng)符合《爆炸性環(huán)境》(GB 3836.1~4-2010)、《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》(GB/T 19854-2018)、《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》(MT990-2006)、《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》(MT/T989-2006)等標(biāo)準的規(guī)定,經(jīng)過國家指定的檢驗單位檢驗合格,取得防爆合格證后才能投入使用。
目前國內(nèi)生產(chǎn)防爆型機械的企業(yè)數(shù)量不在少數(shù),已經(jīng)取得防爆合格證的作業(yè)機械,類型和規(guī)格型號也為數(shù)眾多,如裝載機、挖掘機、自卸汽車、混凝土攪拌運輸車等。但是現(xiàn)有的這些防爆型設(shè)備都明顯存在著功率偏小、施工能力有限等不足之處,比如配置內(nèi)燃柴油機的裝載機,現(xiàn)有防爆機型的最大功率都在60kw以下,額定載重量不大于2t(約1.0m3);挖掘機斗容量不大于0.5m3,自卸汽車最大載重量為8-10t,混凝土攪拌運輸車最大容量不大于2m3。這樣的施工能力,與國內(nèi)公路、鐵路隧道施工常規(guī)配置的2.3m3以上的裝載機,1.0m3以上的挖掘機,20t以上的自卸汽車,8m3以上的混凝土攪拌運輸車等設(shè)備相比較,其施工能力基本屬于微不足道了,根本滿足不了現(xiàn)場的施工要求和工期需要。而對于電動施工設(shè)備,因為目前蓄電池技術(shù)還處于起步階段,普遍存在著持續(xù)時間差強人意,所以生產(chǎn)電動施工機械的廠商少之又少,僅個別國際領(lǐng)先企業(yè)如卡特彼勒、沃爾沃、比亞迪等公司正在研發(fā)和試制大型電動施工設(shè)備。
對于高瓦斯隧道的施工,施工單位目前普遍采用的應(yīng)對方式是對作業(yè)機械進行防爆改裝,使作業(yè)機械具備防爆能力。改裝的方式主要有三種類型:一是為作業(yè)機械加裝檢測和控制系統(tǒng),使作業(yè)機械在被檢測到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)后強制熄火而停止作業(yè),我們可以稱之為瓦斯閉鎖模式;二是對作業(yè)機械的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等主要部件進行局部或全面的防爆改裝,使機械具備一定的防爆能力,我們稱之為設(shè)備防爆改裝模式;三是融合以上兩種方式,既對作業(yè)機械進行防爆改裝,又加裝檢測和控制系統(tǒng),全面提升機械的防爆性能,我們稱之為全面防護模式。
瓦斯閉鎖模式,主要是在施工的機械設(shè)備上安裝瓦斯檢測儀器,實時監(jiān)測施工機械工作區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?,?dāng)瓦斯?jié)舛却笥陬A(yù)先設(shè)定的警戒線時(一般為0.5%),報警器發(fā)出聲光報警,提示機械操作人員立即熄火停機,撤離危險區(qū)域。如果操作人員未執(zhí)行停機或出現(xiàn)誤操作,控制系統(tǒng)會在發(fā)出報警信號后預(yù)設(shè)時間內(nèi)(一般為60秒)通過自動裝置強制斷電斷油,迫使作業(yè)機械停機。當(dāng)工作區(qū)域瓦斯?jié)舛冉档椭涟踩秶鷥?nèi)后,機械不會自動重啟,必須經(jīng)過手動恢復(fù)才能重新啟動;在工作區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛冗€沒有降到安全范圍內(nèi)時,控制系統(tǒng)會自動鎖死,即使手動復(fù)位也無法啟動。
瓦斯閉鎖模式的優(yōu)點是:
(1)改裝簡單快捷,維護方便、難度小,成本低廉系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,故障率低。改裝范圍小,對機械的原有系統(tǒng)性能基本沒有影響。實現(xiàn)自動控制,防止人為因素和誤操作。(2)適用范圍廣,可以通過簡單地換用不同的監(jiān)測儀器來實現(xiàn)對硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等多種有害氣體,或爆炸性粉塵等進行安全防護。
瓦斯閉鎖模式的缺點是:
(1)作業(yè)機械本身不具備防爆性能。(2)不能滿足瓦斯突出工區(qū)的使用要求。
瓦斯閉鎖模式優(yōu)點突出,效果明顯,得到了大多數(shù)單位的青睞和認可,被各施工單位廣泛采用,如渝廣高速華瑩山隧道、成都軌道交通18號線龍泉山隧道、西成客專黃家梁隧道等。部分單位在使用過程中,又增加了動力機機體溫度監(jiān)測、排氣檢測、機械故障閉鎖等附加防護功能,進一步提升了瓦斯閉鎖模式的可靠性。
防爆改裝模式是指對作業(yè)機械的各個主要組成系統(tǒng)進行防爆改造,使其本身具有一定程度的防爆性能。目前主要是對機械的動力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行改裝,包括改裝進氣系統(tǒng),防止發(fā)動機回火;改裝排氣系統(tǒng),降低機體表面溫度,消除排氣火焰和火花;改裝電氣系統(tǒng),采用防爆發(fā)電機、防爆啟動馬達、防爆燈具和開關(guān)等;改裝控制系統(tǒng),隨時監(jiān)測防爆功能是否正常運行等。
防爆改裝模式的優(yōu)點是:(1)作業(yè)機械具備了局部防爆性能,提高了機械的安全性。(2)有效擴大了作業(yè)機械的使用范圍,比如在瓦斯突出工區(qū)。
防爆改裝模式的缺點是:(1)機械只有局部防爆性能,依然達不到防爆設(shè)備的標(biāo)準。(2)改裝成本高。(3)改裝技術(shù)難度大。(4)對機械原有性能影響大,機械效率下降明顯。(5)維護難度大,成本高,系統(tǒng)可靠性差。
防爆改裝模式是施工單位在高瓦斯隧道施工方法探索的過程中,早期的一種應(yīng)對措施,比如南大梁高速公路華瑩山隧道,都汶公路紫坪鋪隧道都采用了這種改裝方式。但這種改裝方式存在明顯的不足,包括改裝技術(shù)難度大,成本高,對機械原有性能影響大,系統(tǒng)可靠性差等等;且這種改裝方式只是對作業(yè)機械的原有結(jié)構(gòu)進行了局部的改裝改造,并不符合國家關(guān)于防爆設(shè)備的規(guī)范要求,所以也就無法滿足在高瓦斯環(huán)境中的使用要求。近年來有施工單位逐漸嘗試在這種改裝模式的基礎(chǔ)上,再增加瓦斯閉鎖功能,以期實現(xiàn)更高的安全可靠性。
全面防護模式就是同時采用瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式,全面提升作業(yè)機械的防爆性能。全面防護模式兼具了瓦斯閉鎖模式和防爆改裝模式的優(yōu)點,同時也延襲了兩種模式的缺點和不足,特別是系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本高、對機械原有性能影響大、系統(tǒng)可靠性差等方面。
全面防護模式是目前國內(nèi)高瓦斯隧道施工過程中,作業(yè)機械可以采用的最全面的防護措施,蒙華鐵路集義隧道、成貴鐵路文革隧道、天府機場高速公路龍泉山1號隧道等都采用了這種改裝模式。
瓦斯閉鎖模式的核心就是瓦斯?jié)舛瘸^警戒范圍時,作業(yè)機械停止工作,機械本身不具備任何防爆性能。防爆改裝模式雖然對作業(yè)機械進行了改裝改造,使機械具備了局部的防爆能力,但是機械本身不是按防爆設(shè)備的標(biāo)準進行設(shè)計、制造的,除改裝部分外的其他結(jié)構(gòu)和部件不具有防爆性,所以也不符合國家對防爆設(shè)備的檢驗、驗收規(guī)范;因此在實際使用過程中,防爆改裝模式也只能在瓦斯?jié)舛忍幱诰浞秶鷥?nèi)時使用。全面防護模式根據(jù)其工作原理可知也不能在高瓦斯環(huán)境中使用。
根據(jù)以上分析可知,目前無論是采用哪種改裝方式,作業(yè)機械都是在瓦斯?jié)舛炔怀^警戒范圍時使用,當(dāng)超過警戒范圍時停機。而且,即使是采用完全符合防爆標(biāo)準的作業(yè)機械,其在施工過程中也會不可避免地產(chǎn)生摩擦高溫或碰撞火花,也同樣具有引發(fā)瓦斯爆炸的危險性。由此可知,如何判定作業(yè)工區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛仁欠癯^警戒范圍,以及如何采取應(yīng)對措施以保證瓦斯?jié)舛炔怀^警戒范圍,才是高瓦斯隧道安全施工的關(guān)鍵所在。
按照目前執(zhí)行的公路規(guī)范和鐵路規(guī)要求,高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的作業(yè)機械必須使用防爆型。即將開始于2020年5月1日起執(zhí)行的《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3374—2020)中,對設(shè)備的防爆措施及防爆能力提出了新的解釋。
規(guī)范第9.3.3條規(guī)定:高瓦斯工區(qū)和煤與瓦斯突出工區(qū)的挖掘機、裝載機、運輸車、混凝土罐車、混凝土泵車等作業(yè)機械應(yīng)采取防爆措施。高瓦斯工區(qū)的作業(yè)機械可安裝車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置;煤與瓦斯突出工區(qū)的燃油作業(yè)機械應(yīng)使用礦用防爆型柴油動力裝置。其條文說明中指出:車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置,是在作業(yè)機械上加裝防爆或煤安認證的監(jiān)控設(shè)備,提示車輛駕駛?cè)藛T及時停止作業(yè)和控制車輛的所有供電線路,從而達到防爆目的。礦用防爆型柴油動力裝置是按車輛原有的電氣線路原理及功能,對蓄電池、發(fā)電機、啟動器(點火裝置)、用電設(shè)備(如照明指示燈具、喇叭、音箱、收音機、點煙器、空調(diào)設(shè)備等)、發(fā)熱部件、排氣口等采取防爆措施,改裝后的設(shè)備本身即具備防爆能力。
新規(guī)范指出,高瓦斯工區(qū)的作業(yè)機械可安裝車載瓦斯自動監(jiān)控報警與斷電系統(tǒng)的防爆裝置,也就是本文中提到的瓦斯閉鎖模式;煤與瓦斯突出工區(qū)的燃油作業(yè)機械應(yīng)使用礦用防爆型柴油動力裝置,也就是本文中提到的防爆改裝模式。新規(guī)范的實施,將對高瓦斯隧道施工設(shè)備的防爆改裝方式起到極大的指導(dǎo)、規(guī)則作用,也使目前施工單位未能執(zhí)行國家規(guī)范的尷尬局面得以緩解。