云南綠汁江龍門水電站高瓦斯隧洞施工

陳彰毅

（湖南水總水利水電建設(shè)有限公司 長(zhǎng)沙市 410007）

1 工程概況

云南龍禹電力發(fā)展有限公司投資建設(shè)的云南綠汁江龍門水電站，位于云南紅河一級(jí)支流綠汁江中游的高山峽谷中，地理坐標(biāo)東經(jīng)102°2′，北緯24°26′。電站裝機(jī)39MW，投資3.25億。該工程全長(zhǎng)5376m的發(fā)電引水隧洞為全線的控制性工程，隧洞為城門洞形，最大斷面尺寸7.5m×6.5m，最小斷面尺寸6.3 m×5.3m，襯砌厚度（0.35～0.5）m；開挖斷面7.5m×6.5 m，隧洞平均開挖斷面面積為42.7m2。整個(gè)發(fā)電引水隧洞于2008年10月5日開工，計(jì)劃于2011年2月28日完工，因施工中途遇高瓦斯涌出，施工難度增加，進(jìn)度滯后，延期至2012年7月份完工。

2 龍門水電站發(fā)電引水隧洞工程地質(zhì)條件

根據(jù)剖面地質(zhì)測(cè)繪及平面地質(zhì)調(diào)查，隧洞上覆巖體厚度大，圍巖為三疊系上統(tǒng)一平浪群干海子組（T3g）黑色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，巖石較為軟弱，物理力學(xué)強(qiáng)度一般。N10°E·NW∠40°～45°，傾向右岸，巖石強(qiáng)風(fēng)化層厚（1～3）m。未見有大的斷裂帶，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，走向與洞向斜交，該段位于地下水位之下，巖體完整性較好，成洞條件較好，屬Ⅲ類圍巖，k0=（15～30）MPa/cm，堅(jiān)固性系數(shù)f=（2.0～2.5）。

引水發(fā)電隧洞圍巖整體雖然比較穩(wěn)定，但通過泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、泥晶灰?guī)r區(qū)，有7條區(qū)域性大斷裂穿越洞身，存在滲流、塌方等地質(zhì)問題，且隧洞穿過煤系地層的情況不清楚，煤層賦存狀態(tài)及煤層瓦斯參數(shù)也不清楚，給隧洞施工造成較大的不確定因素。圖1為龍門水電站工程區(qū)域構(gòu)造綱要圖。

圖1 龍門水電站工程區(qū)域構(gòu)造綱要圖

3 瓦斯?fàn)顩r

2010年7月5日晚19：40隧洞開挖至距支洞1200m穿過黑色泥質(zhì)粉砂巖和泥巖時(shí)，遇到瓦斯、氯、硫等有害氣體，工人在焊接工字鋼金屬支架和錨桿時(shí)，出現(xiàn)約20cm高的火焰，建設(shè)單位隨即停止了一切作業(yè)。經(jīng)檢查在掌子面右側(cè)墻角裂縫處有氣體涌出，用便攜式瓦斯檢測(cè)儀檢測(cè)出瓦斯最大濃度達(dá)到3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1.5%瓦斯隧洞全部停止施工的界限，并接近5%的爆炸濃度，情況危急。

從工程地質(zhì)勘察報(bào)告分析，該隧洞要穿過三疊系上統(tǒng)一平浪群干海子組（T3g）底層，該地層中有煤層存在，但煤層賦存情況和具體位置不清，無煤層瓦斯含量等參數(shù)。隧洞是否需穿過煤層不詳。隧洞揭露情況表明，圍巖為黑色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，巖石較為軟弱，物理力學(xué)強(qiáng)度一般，屬Ⅳ類圍巖，未遇到煤層或煤線。根據(jù) 《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB 10120—2002）中4.1節(jié)中“當(dāng)全工區(qū)的瓦斯涌出量小于0.5m3／min時(shí)，為低瓦斯工區(qū)；大于或等于0.5 m3／min時(shí)，為高瓦斯工區(qū)”。根據(jù)上述隧洞瓦斯的涌出情況，為確保施工安全，龍門水電站發(fā)電引水隧洞穿過煤系地層段按高瓦斯工區(qū)管理。

4 高瓦斯隧洞工區(qū)施工方案

由于龍門水電站發(fā)電引水隧洞穿過煤系地層段按高瓦斯工區(qū)管理。因此施工方法將與常規(guī)隧洞工區(qū)的施工方法有很大的區(qū)別，包括更換設(shè)備、增加供電線路、調(diào)整施工方法等等，具體的施工方法如下。

4.1 已揭露圍巖的初期支護(hù)

龍門電站引水隧洞穿過煤系地層段為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，巖石較為軟弱，物理力學(xué)強(qiáng)度一般。在開挖過程中按Ⅲ類圍巖開挖的地段，不架設(shè)鋼支撐。此段采用C20氣密性噴射混凝土(厚15cm，采用濕噴)、Φ8雙層鋼筋網(wǎng)片、砂漿錨桿聯(lián)合支護(hù)(間距1m×1m梅花型布置)，以減小瓦斯的滲出量。在開挖過程中按Ⅳ類圍巖開挖的地段，除按Ⅲ類圍巖采用的錨、網(wǎng)、噴支護(hù)外，還要架設(shè)15#工字鋼支架，棚距1m。

4.2 更換電器及設(shè)備

（1）電器更換。

龍門水電站發(fā)電引水隧洞穿過煤系地層段工區(qū)內(nèi)的所有電器全部更換為防爆型，包括更換防爆燈、防爆開關(guān)，移動(dòng)光源采用煤礦專用礦燈，隧洞開挖1500m時(shí)防爆變壓器進(jìn)洞。隧洞內(nèi)電纜與電氣設(shè)備連接，使用與電氣設(shè)備的防爆性能相符合的接線盒。電纜芯線使用齒形壓線板或線鼻子與電氣設(shè)備連接。

隧洞內(nèi)由于未進(jìn)行襯砌，所有照明燈具均選用ExdI型礦用防爆照明燈，移動(dòng)照明使用礦燈。

（2）施工設(shè)備更換。

將目前的普通扒渣機(jī)更換為防爆扒渣機(jī)、普通排渣汽車更換為防爆排渣汽車、普通噴漿機(jī)更換為防爆噴漿機(jī)等，根據(jù)后期情況決定是否更換為防爆混凝土運(yùn)輸車和防爆混凝土輸送泵等。

附表為前期主要更換和增加的設(shè)備、電纜。

附表 前期主要更換和增加的設(shè)備、電纜表

隧洞內(nèi)凡容易碰到的、裸露的電氣設(shè)備及其帶動(dòng)機(jī)械外露的傳動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，都必須加裝護(hù)罩或遮欄。通風(fēng)機(jī)和開挖工作面的電氣設(shè)備均裝設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置。當(dāng)通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)立即自動(dòng)切斷通風(fēng)機(jī)供風(fēng)區(qū)段的一切電源。

隧洞內(nèi)的低壓電氣設(shè)備，嚴(yán)禁使用油斷路器、帶油的起動(dòng)器和一次線圈為低壓的油潯變壓器。

（3）更換電纜。

隧洞內(nèi)原使用的低壓和高壓電纜分別為DLV-35、DLV-120鋁芯電纜，將鋁芯電纜更換為銅芯電纜，銅芯電纜為不延燃橡套電纜；移動(dòng)式和手持式的電纜，更換為專用的不延燃電纜。

（4）電器保護(hù)。

隧洞內(nèi)36V以上的和由于絕緣損壞可能帶有危險(xiǎn)電壓的電氣設(shè)備的金屬外殼、構(gòu)架等，都有保護(hù)接地，其接地電阻值滿足下列要求：接地網(wǎng)上任一保護(hù)接地點(diǎn)的接地電阻值不得大于2Ω；移動(dòng)式或手持式電氣設(shè)備與接地網(wǎng)間的保護(hù)接地所用的電纜芯線的電阻值不得大于1Ω。

為確保隧洞內(nèi)電氣設(shè)備的安全，將在洞口處裝設(shè)避雷裝置，防止雷擊供電線路，將金屬進(jìn)行3次集中接地。

4.3 增加供電線路

高瓦斯隧洞工區(qū)按規(guī)范要求通風(fēng)設(shè)施必須采用2路電源，安裝風(fēng)電閉鎖裝置，當(dāng)1路電源出現(xiàn)故障時(shí)，另1路電源立即供電，確保隧洞內(nèi)供電暢通。目前洞內(nèi)采用高壓進(jìn)洞，電纜布置在流水方向左側(cè)，與水管分別布置在隧洞兩側(cè)，電纜鋪設(shè)方式為懸掛方式布置。

4.4 超前煤層探測(cè)和瓦斯檢測(cè)

因隧洞掌子面兩側(cè)墻角附近有大量瓦斯涌出，根據(jù)內(nèi)開挖掌子面圍巖情況，采用超前探孔的形式進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探孔采用專用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，探孔深度≥60m，在隧道左右兩側(cè)（距底板1.2m，距開挖輪廓線0.8m）各施工1個(gè)探孔。探孔施工過程中密切觀察巖芯情況，通過巖芯的情況以了解前方隧洞通過的地層層序、年代、巖層種類及含煤地層的分布，煤層數(shù)及頂?shù)装逄卣骱臀恢茫簩雍穸?、傾角，隧洞穿煤里程及長(zhǎng)度；通過分析煤層數(shù)據(jù)，煤層瓦斯含量參數(shù)，了解煤的自燃及煤塵爆炸可能性，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

由于超前地質(zhì)探孔需要觀測(cè)的數(shù)據(jù)多且專業(yè)，且施工存在較大的危險(xiǎn)性，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)湖南水總委托專業(yè)部門進(jìn)行作業(yè)。

在目前尚不能準(zhǔn)確判斷隧洞一定揭穿到煤層時(shí)，利用現(xiàn)有的氣腿式鑿巖機(jī)在掌子面打3～5個(gè)孔（需打到最大深度6m），探明掌子面前方的圍巖情況。同時(shí)觀測(cè)鉆孔瓦斯涌出的情況，可根據(jù)鉆孔巖粉、瓦斯的涌出情況和掌子面瓦斯涌出量的大小分析判斷，以探明前方的圍巖情況。采用此方法時(shí)需制定專門的安全措施。

4.5 揭 煤

經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)，引水隧洞有需穿過煤層，則按如下方法揭煤：

（1）石門揭煤。

采用 “低爆力震動(dòng)放炮部分露煤揭石門方法”，露煤揭開石門及過石門坎見圖2。

圖2 過石門坎示意圖

（2）過石門坎。

施工原則：勤檢驗(yàn)、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快噴錨。

（3）煤層掘進(jìn)。

4.6 隧洞開挖

隧洞開挖前方有煤層存在時(shí)，按有煤層的情況進(jìn)行開挖。

隧洞穿過煤層段，需要采用煤層段的專項(xiàng)施工方案，嚴(yán)格按照短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)、強(qiáng)通風(fēng)、快噴錨的原則組織施工，每次開挖進(jìn)尺控制在1m以內(nèi)，保持每次開挖體積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護(hù)。

4.7 初期支護(hù)

當(dāng)隧洞穿過煤層段時(shí)，開挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)形式為15#工字鋼支架、C20氣密性噴射混凝土、Φ8雙層鋼筋網(wǎng)片、自進(jìn)式中空錨桿聯(lián)合支護(hù)。

4.8 二次襯砌

當(dāng)隧洞貫通后從隧洞中部向隧洞進(jìn)口和出口兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行二次襯砌，在進(jìn)入有瓦斯涌出段時(shí)，在二次襯砌和初期支護(hù)之間鋪設(shè)高密度PE板，同時(shí)隧洞二次襯砌選擇摻氣密劑的襯砌混凝土?；炷猎诙赐鈹嚢枵炯袛囍?，采用混凝土運(yùn)輸車將混凝土運(yùn)送至指定地點(diǎn)，混凝土輸送泵泵送入模。

4.9 排放瓦斯和水

（1）全封閉防瓦斯地段有地下水時(shí)，含有瓦斯的水通過二襯后的排水盲管排至隧洞中部的排水溝內(nèi)，用水氣分離裝置分離后，水通過中部的排水溝排出，瓦斯采用鋼管統(tǒng)一排出。在隧洞方向左側(cè)二襯內(nèi)埋設(shè)一根DN50的鋼管，鋼管的一端伸出隧洞并高出洞口10m。

（2）從隧洞內(nèi)引出瓦斯的金屬管，其上端管口距地面不應(yīng)小于10m，并應(yīng)妥善接地，防止雷擊。瓦斯放空管的接地電阻不得大于5Ω，其周圍20m內(nèi)禁止有明火火源及易燃易爆物品。

4.10 通 風(fēng)

根據(jù)隧洞的情況分最大瓦斯涌出量、瓦斯隧洞最低風(fēng)速和掘進(jìn)工作面一次爆破最大炸藥量計(jì)算出掌子面每分鐘需要的風(fēng)量為1230m3，故選用2臺(tái)110kW的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)（1臺(tái)通風(fēng)機(jī)每分鐘的最大供風(fēng)量為1950m3，由于目前瓦斯涌出點(diǎn)距洞口1200m，1臺(tái)風(fēng)機(jī)輸送到掌子面的風(fēng)量?jī)H為900 m3，故需要2臺(tái)風(fēng)機(jī)）并備用2臺(tái)，當(dāng)隧洞長(zhǎng)度大于1500m時(shí)增加2臺(tái)110kW的軸流風(fēng)機(jī)接力送風(fēng)。隧洞錯(cuò)車道處安裝局扇，定期進(jìn)行通風(fēng)。布置在洞口的軸流風(fēng)機(jī)，位置一定要選在上風(fēng)向處，且距洞口的距離必須≥30m，確保送風(fēng)質(zhì)量，防止由隧洞內(nèi)排除的含有粉塵和瓦斯氣體的空氣被吸入軸流風(fēng)機(jī)造成二次污染。

瓦斯隧洞在施工期間，實(shí)施連續(xù)通風(fēng)。因檢修、停電等原因停風(fēng)時(shí)，必須撤出人員，切斷電源?；謴?fù)通風(fēng)前，必須檢查瓦斯?jié)舛?。通風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)兩路電源，并應(yīng)裝設(shè)風(fēng)電、瓦斯電閉鎖裝置。當(dāng)一路電源停止供電時(shí)，另一路應(yīng)在15min內(nèi)接通，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

瓦斯隧洞應(yīng)采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管。風(fēng)管出風(fēng)口到開挖面距離小于5m，風(fēng)管百米漏風(fēng)率不大于2%。

4.11 消 防

在隧洞開口上方垂高20m的位置設(shè)置消防水池（以前使用的高壓水池由于地形的原因不能再進(jìn)行擴(kuò)建），水池的容積為300m3；在進(jìn)洞方向左側(cè)儲(chǔ)備消防用砂，消防用砂數(shù)量不得少于100m3。

在進(jìn)洞方向左側(cè)設(shè)置一條消防供水系統(tǒng)，每隔100m設(shè)置1個(gè)消火栓，供水系統(tǒng)距掌子面不超過15m。

在作業(yè)區(qū)附近放置滅火器，滅火器的數(shù)量不少于10個(gè)。

4.12 瓦斯檢測(cè)

在隧洞施工過程中采用人工巡檢和瓦斯遙測(cè)儀連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，運(yùn)行如圖3。

（1）瓦斯檢測(cè)由專職瓦檢人員負(fù)責(zé)，瓦檢員應(yīng)完全了解自己所使用儀器的功能和原理，熟悉瓦斯檢測(cè)儀器的操作程序及保養(yǎng)辦法，嚴(yán)格按照檢測(cè)要求，嚴(yán)格按照儀器說明進(jìn)行操作，及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)出各檢測(cè)部位的瓦斯?jié)舛?，不得出現(xiàn)空班、漏檢、少檢、假檢等違規(guī)情況。

圖3 瓦斯檢測(cè)運(yùn)行圖

（2）瓦檢員現(xiàn)場(chǎng)必須嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮機(jī)制”。每班瓦斯?jié)舛葯z測(cè)不少于2～3次，有異?，F(xiàn)象時(shí)每小時(shí)檢測(cè)1次，特殊情況時(shí)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)值班人員不間斷落實(shí)檢測(cè)工作，當(dāng)隧洞內(nèi)瓦斯超限時(shí)，瓦檢員有權(quán)要求立即停止工作、撤除人員，同時(shí)立即向現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人匯報(bào)，并逐級(jí)上報(bào)。

（3）瓦檢員檢測(cè)結(jié)果必須經(jīng)當(dāng)班負(fù)責(zé)人簽字確認(rèn)，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果告知現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人、安檢負(fù)責(zé)人以及現(xiàn)場(chǎng)值班調(diào)度，現(xiàn)場(chǎng)值班調(diào)度負(fù)責(zé)洞口瓦斯?jié)舛雀嬷ぷ?，即在洞口瓦斯?jié)舛雀嬷粕厦鞔_洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛惹闆r。瓦檢員在交接班過程中必須交清洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛群蜋z測(cè)重點(diǎn)關(guān)注部位，同時(shí)將監(jiān)測(cè)濃度出洞后告知項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

（4）瓦斯檢測(cè)儀器采用固定式和便攜式瓦斯檢測(cè)儀器，并定期對(duì)瓦檢儀進(jìn)行校驗(yàn)（或委外校驗(yàn)），確保其檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。校驗(yàn)項(xiàng)目包括對(duì)零、靈敏度、報(bào)警點(diǎn)、指示值等。

5 結(jié) 語(yǔ)

在隧洞工程施工中，遇到高瓦斯涌出是非常危險(xiǎn)的，如何做好高瓦斯條件下的隧洞安全施工，是隧洞施工中面臨的難題之一。該項(xiàng)目在建設(shè)業(yè)主和施工單位的共同努力下，嚴(yán)格執(zhí)行高瓦斯工區(qū)安全施工管理，不間斷的進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，及時(shí)掌握瓦斯涌出情況和圍巖變形情況，有效加強(qiáng)通風(fēng)，確保各項(xiàng)安全保障措施落實(shí)到位，施工中不斷總結(jié)和完善施工方案，成功攻克難關(guān)，圓滿完成了施工任務(wù)，取得良好效果，諸多施工經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)和借鑒。