阴宏武

（中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000）

1 概述

在进行公路、铁路的隧道施工中，经常会遇到含有瓦斯的地层，瓦斯对隧道施工的危害无需赘述，严重时往往会发生剧烈的瓦斯爆炸，造成重大人员伤亡和财产损失。根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374-2020）规定，瓦斯隧道工区分为非瓦斯工区、微瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、煤与瓦斯突出工区五类。当工区范围内绝对瓦斯涌出量小于1.0m3/min时属于微瓦斯工区，当绝对瓦斯涌出量小于3.0m3/min时属于低瓦斯工区，当绝对瓦斯涌出量大于等于3.0m3/min时属于高瓦斯工区。《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2019）与公路规范的判定标准略有出入，其判定指标比公路规范更加严苛。公路规范和铁路规范都明确规定：微瓦斯和低瓦斯工区的作业机械可以使用非防爆型，高瓦斯工区和瓦斯突出工区的作业机械必须使用防爆型。

2 防爆型作业机械的应用现状

按现行国家标准，防爆型机械应符合《爆炸性环境》（GB 3836.1~4-2010)、《爆炸性环境用工业车辆防爆技术通则》（GB/T 19854-2018)、《矿用防爆柴油机通用技术条件》（MT990-2006）、《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》（MT/T989-2006）等标准的规定，经过国家指定的检验单位检验合格，取得防爆合格证后才能投入使用。

目前国内生产防爆型机械的企业数量不在少数，已经取得防爆合格证的作业机械，类型和规格型号也为数众多，如装载机、挖掘机、自卸汽车、混凝土搅拌运输车等。但是现有的这些防爆型设备都明显存在着功率偏小、施工能力有限等不足之处，比如配置内燃柴油机的装载机，现有防爆机型的最大功率都在60kw以下，额定载重量不大于2t（约1.0m3）；挖掘机斗容量不大于0.5m3，自卸汽车最大载重量为8-10t，混凝土搅拌运输车最大容量不大于2m3。这样的施工能力，与国内公路、铁路隧道施工常规配置的2.3m3以上的装载机，1.0m3以上的挖掘机，20t以上的自卸汽车，8m3以上的混凝土搅拌运输车等设备相比较，其施工能力基本属于微不足道了，根本满足不了现场的施工要求和工期需要。而对于电动施工设备，因为目前蓄电池技术还处于起步阶段，普遍存在着持续时间差强人意，所以生产电动施工机械的厂商少之又少，仅个别国际领先企业如卡特彼勒、沃尔沃、比亚迪等公司正在研发和试制大型电动施工设备。

3 施工单位目前的应对措施

对于高瓦斯隧道的施工，施工单位目前普遍采用的应对方式是对作业机械进行防爆改装，使作业机械具备防爆能力。改装的方式主要有三种类型：一是为作业机械加装检测和控制系统，使作业机械在被检测到瓦斯浓度超标后强制熄火而停止作业，我们可以称之为瓦斯闭锁模式；二是对作业机械的动力系统、传动系统等主要部件进行局部或全面的防爆改装，使机械具备一定的防爆能力，我们称之为设备防爆改装模式；三是融合以上两种方式，既对作业机械进行防爆改装，又加装检测和控制系统，全面提升机械的防爆性能，我们称之为全面防护模式。

3.1 瓦斯闭锁模式

瓦斯闭锁模式，主要是在施工的机械设备上安装瓦斯检测仪器，实时监测施工机械工作区域内的瓦斯浓度，当瓦斯浓度大于预先设定的警戒线时（一般为0.5%），报警器发出声光报警，提示机械操作人员立即熄火停机，撤离危险区域。如果操作人员未执行停机或出现误操作，控制系统会在发出报警信号后预设时间内（一般为60秒）通过自动装置强制断电断油，迫使作业机械停机。当工作区域瓦斯浓度降低至安全范围内后，机械不会自动重启，必须经过手动恢复才能重新启动；在工作区域内瓦斯浓度还没有降到安全范围内时，控制系统会自动锁死，即使手动复位也无法启动。

瓦斯闭锁模式的优点是：

（1）改装简单快捷，维护方便、难度小，成本低廉系统运行稳定可靠，故障率低。改装范围小，对机械的原有系统性能基本没有影响。实现自动控制，防止人为因素和误操作。（2）适用范围广，可以通过简单地换用不同的监测仪器来实现对硫化氢、一氧化碳、二氧化碳等多种有害气体，或爆炸性粉尘等进行安全防护。

瓦斯闭锁模式的缺点是：

（1）作业机械本身不具备防爆性能。（2）不能满足瓦斯突出工区的使用要求。

瓦斯闭锁模式优点突出，效果明显，得到了大多数单位的青睐和认可，被各施工单位广泛采用，如渝广高速华莹山隧道、成都轨道交通18号线龙泉山隧道、西成客专黄家梁隧道等。部分单位在使用过程中，又增加了动力机机体温度监测、排气检测、机械故障闭锁等附加防护功能，进一步提升了瓦斯闭锁模式的可靠性。

3.2 防爆改装模式

防爆改装模式是指对作业机械的各个主要组成系统进行防爆改造，使其本身具有一定程度的防爆性能。目前主要是对机械的动力系统和电气系统进行改装，包括改装进气系统，防止发动机回火；改装排气系统，降低机体表面温度，消除排气火焰和火花；改装电气系统，采用防爆发电机、防爆启动马达、防爆灯具和开关等；改装控制系统，随时监测防爆功能是否正常运行等。

防爆改装模式的优点是：（1）作业机械具备了局部防爆性能，提高了机械的安全性。（2）有效扩大了作业机械的使用范围，比如在瓦斯突出工区。

防爆改装模式的缺点是：（1）机械只有局部防爆性能，依然达不到防爆设备的标准。（2）改装成本高。（3）改装技术难度大。（4）对机械原有性能影响大，机械效率下降明显。（5）维护难度大，成本高，系统可靠性差。

防爆改装模式是施工单位在高瓦斯隧道施工方法探索的过程中，早期的一种应对措施，比如南大梁高速公路华莹山隧道，都汶公路紫坪铺隧道都采用了这种改装方式。但这种改装方式存在明显的不足，包括改装技术难度大，成本高，对机械原有性能影响大，系统可靠性差等等；且这种改装方式只是对作业机械的原有结构进行了局部的改装改造，并不符合国家关于防爆设备的规范要求，所以也就无法满足在高瓦斯环境中的使用要求。近年来有施工单位逐渐尝试在这种改装模式的基础上，再增加瓦斯闭锁功能，以期实现更高的安全可靠性。

3.3 全面防护模式

全面防护模式就是同时采用瓦斯闭锁模式和防爆改装模式，全面提升作业机械的防爆性能。全面防护模式兼具了瓦斯闭锁模式和防爆改装模式的优点，同时也延袭了两种模式的缺点和不足，特别是系统复杂、技术难度大、成本高、对机械原有性能影响大、系统可靠性差等方面。

全面防护模式是目前国内高瓦斯隧道施工过程中，作业机械可以采用的最全面的防护措施，蒙华铁路集义隧道、成贵铁路文革隧道、天府机场高速公路龙泉山1号隧道等都采用了这种改装模式。

4 各种改装模式的分析

瓦斯闭锁模式的核心就是瓦斯浓度超过警戒范围时，作业机械停止工作，机械本身不具备任何防爆性能。防爆改装模式虽然对作业机械进行了改装改造，使机械具备了局部的防爆能力，但是机械本身不是按防爆设备的标准进行设计、制造的，除改装部分外的其他结构和部件不具有防爆性，所以也不符合国家对防爆设备的检验、验收规范；因此在实际使用过程中，防爆改装模式也只能在瓦斯浓度处于警戒范围内时使用。全面防护模式根据其工作原理可知也不能在高瓦斯环境中使用。

根据以上分析可知，目前无论是采用哪种改装方式，作业机械都是在瓦斯浓度不超过警戒范围时使用，当超过警戒范围时停机。而且，即使是采用完全符合防爆标准的作业机械，其在施工过程中也会不可避免地产生摩擦高温或碰撞火花，也同样具有引发瓦斯爆炸的危险性。由此可知，如何判定作业工区内瓦斯浓度是否超过警戒范围，以及如何采取应对措施以保证瓦斯浓度不超过警戒范围，才是高瓦斯隧道安全施工的关键所在。

5 结语

按照目前执行的公路规范和铁路规要求，高瓦斯工区和瓦斯突出工区的作业机械必须使用防爆型。即将开始于2020年5月1日起执行的《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374—2020）中，对设备的防爆措施及防爆能力提出了新的解释。

规范第9.3.3条规定：高瓦斯工区和煤与瓦斯突出工区的挖掘机、装载机、运输车、混凝土罐车、混凝土泵车等作业机械应采取防爆措施。高瓦斯工区的作业机械可安装车载瓦斯自动监控报警与断电系统的防爆装置；煤与瓦斯突出工区的燃油作业机械应使用矿用防爆型柴油动力装置。其条文说明中指出：车载瓦斯自动监控报警与断电系统的防爆装置，是在作业机械上加装防爆或煤安认证的监控设备，提示车辆驾驶人员及时停止作业和控制车辆的所有供电线路，从而达到防爆目的。矿用防爆型柴油动力装置是按车辆原有的电气线路原理及功能，对蓄电池、发电机、启动器（点火装置）、用电设备（如照明指示灯具、喇叭、音箱、收音机、点烟器、空调设备等）、发热部件、排气口等采取防爆措施，改装后的设备本身即具备防爆能力。

新规范指出，高瓦斯工区的作业机械可安装车载瓦斯自动监控报警与断电系统的防爆装置，也就是本文中提到的瓦斯闭锁模式；煤与瓦斯突出工区的燃油作业机械应使用矿用防爆型柴油动力装置，也就是本文中提到的防爆改装模式。新规范的实施，将对高瓦斯隧道施工设备的防爆改装方式起到极大的指导、规则作用，也使目前施工单位未能执行国家规范的尴尬局面得以缓解。