談滬昆高鐵大茶山瓦斯突出隧道的設(shè)計(jì)

唐 進(jìn) 才

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

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談滬昆高鐵大茶山瓦斯突出隧道的設(shè)計(jì)

唐 進(jìn) 才

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

根據(jù)滬昆高鐵大茶山瓦斯突出隧道煤系地層的特性，從全封閉襯砌結(jié)構(gòu)、揭煤防突、施工通風(fēng)、施工組織、盲溝排水與瓦斯排放、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)等方面，介紹了大茶山隧道施工期間及運(yùn)營(yíng)期間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，為類似工程設(shè)計(jì)提供了思路。

隧道，瓦斯，煤系地層，通風(fēng)系統(tǒng)

0 引言

隨著我國(guó)近年鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，穿越賦存高壓力煤層瓦斯的鐵路隧道也越來越多，煤與瓦斯突出也是隧道施工中較為常見的重大風(fēng)險(xiǎn)之一。本文結(jié)合滬昆高鐵大茶山隧道的工程特性，介紹了瓦斯隧道各系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)情況。

1 隧道概況

新建鐵路滬昆高鐵的重點(diǎn)控制工程之一——大茶山隧道位于貴州省關(guān)嶺—普安區(qū)間，隧道全長(zhǎng)9 956 m，雙線隧道，也是滬昆高鐵的一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道縱坡為人字坡。全隧采用“進(jìn)口橫洞+洞身斜井+出口平導(dǎo)”方案組織施工，橫洞及斜井均采用無(wú)軌雙車道運(yùn)輸，平導(dǎo)采用無(wú)軌單車道運(yùn)輸。

2011年6月，大茶山隧道斜井開挖至XDK0+614時(shí)，井底揭示一層厚為0.2 m～1.3 m煤層并有瓦斯溢出，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的瓦斯?jié)舛冗_(dá)3.5%?，F(xiàn)場(chǎng)立即停工。后經(jīng)過詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘及瓦斯參數(shù)的測(cè)定與評(píng)價(jià)，進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)工程措施進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)行了多個(gè)煤系地層專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了施工組織與通風(fēng)方案，施工現(xiàn)場(chǎng)也采取了瓦斯監(jiān)測(cè)與控制集成系統(tǒng)、專項(xiàng)通風(fēng)系統(tǒng)等多項(xiàng)安全措施，本隧已于2015年6月順利安全貫通。

2 地質(zhì)概況

大茶山隧道位于云貴高原侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，隧道最大埋深約500 m。隧道區(qū)基巖大多裸露，為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組二段(T2g2)、一段(T2g1)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組三四段(T1yn3+4)、二段(T1yn2)、一段(T1yn1)、飛仙關(guān)組(T1f)。

大茶山隧道斜井與正洞穿越二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興—龍?zhí)督M(P2c+d+l)含煤地層，其中正洞穿越長(zhǎng)度達(dá)1 150 m，斜井穿越長(zhǎng)度670 m。含煤地層巖性為灰～深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層等組成。其中長(zhǎng)興—大隆組含煤線及透鏡狀煤；龍?zhí)督M有五個(gè)煤組，含煤層及煤線5-30層，普遍有3層～5層可采。穿越煤層屬半亮～半暗型，變質(zhì)程度煙煤階段為瓦斯氣體主要生氣階段，并且龍?zhí)督M上部粉砂巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為瓦斯蓋層，巖石顆粒較細(xì)、致密，對(duì)瓦斯封閉較好。隧道穿越煤系地層段瓦斯含量大。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔參數(shù)分析及專題研究成果，本隧道正洞主要穿越6層煤層，斜井穿越其中的5層煤層。隧道通過煤層地段瓦斯壓力采用值為1.14 MPa，隧道的含煤段煤的瓦斯含量為11.74 m3/t。隧道開挖斷面上瓦斯涌出量為1.59 m3/min～10.22 m3/min。根據(jù)本隧的煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，穿越的 6層煤層均屬瓦斯突出危險(xiǎn)性煤層，并具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，隧道穿越煤層自燃傾向性為自燃，煤塵爆炸性為無(wú)煤塵爆炸性。

3 大茶山隧道施工期間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)大茶山隧道煤系地層參數(shù)及龍?zhí)督M煤層相關(guān)特性，結(jié)合客運(yùn)專線大斷面施工的特點(diǎn)及施工可行性情況，進(jìn)行了全封閉襯砌結(jié)構(gòu)、揭煤防突、施工通風(fēng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 全封閉襯砌結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料分析及圍巖級(jí)別的調(diào)整，按照相關(guān)規(guī)范及規(guī)程要求于正洞及斜井瓦斯段落均設(shè)置全封閉復(fù)合式襯砌，并考慮斷層破碎帶的影響，對(duì)段落進(jìn)行了適當(dāng)延長(zhǎng)，加強(qiáng)了瓦斯段落的超前支護(hù)與加強(qiáng)支護(hù)。

全封閉復(fù)合式襯砌除滿足結(jié)構(gòu)受力的要求外，還應(yīng)滿足初支厚度不小于15 cm，二次襯砌厚度不小于40 cm的規(guī)定。

全封閉襯砌段落噴射混凝土及模筑混凝土中摻氣密劑，以滿足其透氣系數(shù)的要求。氣密性噴混凝土要求其透氣系數(shù)不得大于10-10cm/s；氣密性模筑混凝土要求其透氣系數(shù)不得大于10-11cm/s；設(shè)置閉孔型泡沫塑料墊層、瓦斯隔離層(本隧采用2 mm防水板代替)，并對(duì)施工縫進(jìn)行氣密處理。相關(guān)附屬洞室也應(yīng)滿足全封閉的要求。

Vc型復(fù)合襯砌見圖1，斜井V級(jí)全封閉襯砌見圖2。

3.2 揭煤防突系統(tǒng)

斜井先于正洞揭煤，在斜井揭煤前進(jìn)行了煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，揭煤防突作業(yè)流程見圖3。首先采取超前鉆孔、物探等手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以預(yù)測(cè)煤層位置、產(chǎn)狀、厚度等。然后在掌子面距推測(cè)煤層10 m垂距處，施作探測(cè)孔(φ89)，探測(cè)孔必須穿透煤層并且進(jìn)入頂(底)板煤層不小于0.5 m，以進(jìn)一步掌握煤層基本情況，如煤層方位、厚度、瓦斯賦存等；在掌子面距煤層5 m垂距處，施作3孔φ89預(yù)測(cè)孔，該鉆孔用于進(jìn)一步測(cè)定煤層更加詳盡的特性指標(biāo)，如瓦斯壓力、鉆屑指標(biāo)等。最后根據(jù)《鐵路隧道瓦斯技術(shù)規(guī)范》按石門揭煤的判別標(biāo)準(zhǔn)采用瓦斯壓力、鉆屑指標(biāo)法確定煤層是否有突出危險(xiǎn)。若該煤層無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，進(jìn)行揭煤作業(yè)；若存在突出危險(xiǎn)，則采取防突措施，即揭煤前采取瓦斯抽排放等措施降低瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)大茶山隧道瓦斯的附著狀態(tài)，本次設(shè)計(jì)按瓦斯排放考慮。斜井在距預(yù)測(cè)煤層5 m垂距掌子面處向煤層前段施作排放鉆孔(φ89)，排放鉆孔應(yīng)穿透煤層并進(jìn)入頂(底)板巖層不小于0.5 m。

正洞排放孔布置見圖4。

瓦斯抽排放措施實(shí)施后，必須進(jìn)行瓦斯排放效果檢驗(yàn)，以確認(rèn)是否有效。當(dāng)瓦斯防突效果措施檢驗(yàn)有效后，對(duì)煤層進(jìn)行揭煤。

1)斜井、正洞均采用震動(dòng)放炮分段分部揭煤；正洞采用分部揭煤，各部逐一揭煤。其中，石門工作面距煤層的垂距不得小于2 m。

2)揭煤前必須施作完成加強(qiáng)支護(hù)、超前支護(hù)等工程措施。

3)進(jìn)入煤系地層段后，必須采用濕式鉆孔，爆破作業(yè)采用煤礦許用乳化炸藥。

3.3 施工通風(fēng)

大茶山隧道橫洞工區(qū)、斜井工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，本次通風(fēng)設(shè)計(jì)按爆破排煙、掌子面作業(yè)要求、煤層地段瓦斯壓力1.14 MPa和隧道開挖斷面上瓦斯涌出量1.59 m3/min～10.22 m3/min進(jìn)行設(shè)計(jì)，并要求正洞及斜井內(nèi)仰拱填充面以上斷面內(nèi)凈空最小風(fēng)速大于1 m/s，橫洞工區(qū)和斜井工區(qū)均配置2套通風(fēng)系統(tǒng)同時(shí)向掌子面供風(fēng)，兩工區(qū)均采用內(nèi)徑1.8 m的雙抗風(fēng)筒(抗靜電、阻燃)，百米漏風(fēng)率要求不大于1%，并且要求風(fēng)管口至掌子面的距離不超過5 m，以保證通風(fēng)效果。施工期間可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)揭示的瓦斯情況，必要時(shí)可進(jìn)一步加強(qiáng)通風(fēng)。橫洞和斜井工區(qū)洞口設(shè)置2臺(tái)防爆型扇風(fēng)機(jī)，采用每臺(tái)功率2×315 kW，并預(yù)留了備用風(fēng)機(jī)，距離洞口的距離不得小于30 m。

3.4 施工組織

隧道洞身通過煤層煤系地層段進(jìn)度指標(biāo)采用設(shè)計(jì)原則的正常值，施工中每一層有瓦斯突出性煤層考慮1個(gè)月排放停頓時(shí)間；斜井煤層煤系地層段進(jìn)度指標(biāo)按正常指標(biāo)，施工每層有瓦斯突出性煤層考慮0.5個(gè)月排放停頓時(shí)間。其余地段進(jìn)度指標(biāo)按照設(shè)計(jì)原則選取。同時(shí)，經(jīng)過計(jì)算分析，斜井工區(qū)為瓦斯突出煤系地層段，斜井施工正洞若按2個(gè)工作面考慮，施工通風(fēng)所需風(fēng)速大于6 m/s，不滿足TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南不應(yīng)大于6 m/s的要求。因此，斜井施工正洞只能按1個(gè)工作面考慮。同時(shí)橫洞及斜井瓦斯突出工區(qū)均采用無(wú)軌運(yùn)輸方式，工區(qū)內(nèi)施工機(jī)械、電氣設(shè)備均采用防爆型，風(fēng)管采用阻燃和抗靜電的雙抗風(fēng)管。

4 大茶山隧道運(yùn)營(yíng)期間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 盲溝排水與瓦斯排放系統(tǒng)

為避免隧道運(yùn)營(yíng)期間地下水通過盲管將瓦斯氣體帶入隧道內(nèi)或瓦斯氣體直接通過盲管流入隧道內(nèi)，全封閉段落縱向及環(huán)向盲管內(nèi)不得接入側(cè)溝，環(huán)向盲管與縱向盲管采用三通連接，通過水氣分離室對(duì)地下水進(jìn)行水氣分離后，才能將地下水排入側(cè)溝。水氣分離室分離出的瓦斯氣體通過預(yù)埋與襯砌背后的φ100鍍鋅鋼管排出斜井洞口。全隧共設(shè)置4處水氣分離室。為保證全封閉段落縱向盲管的有效性及排水能力，全封閉襯砌左右邊墻均設(shè)置2根φ100 HDPE波紋管。

全封閉段落地下水的排放路徑：環(huán)向波紋管→縱向波紋管→洞內(nèi)水氣分離室→洞內(nèi)側(cè)溝。

全封閉段落瓦斯等有害氣體的排放路徑：環(huán)向波紋管→縱向波紋管→洞內(nèi)水氣分離室→縱向φ100鍍鋅鋼管→排出斜井洞口。

4.2 運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)

本隧運(yùn)營(yíng)期間，采用自動(dòng)檢測(cè)方式進(jìn)行瓦斯檢測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有瓦斯超限報(bào)警等功能。隧道運(yùn)營(yíng)中瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都不得大于0.5%。運(yùn)營(yíng)期間設(shè)置機(jī)械通風(fēng)稀釋并排除瓦斯等有害氣體，運(yùn)營(yíng)通風(fēng)采用全射流縱向通風(fēng)方案，從隧道平導(dǎo)供送新鮮風(fēng)，將瓦斯等有害氣體從隧道進(jìn)口排出洞外，洞內(nèi)排除瓦斯等有害氣體的風(fēng)速不小于1.5 m/s。

鐵路運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，保證隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都不得大于0.5%，當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档偷?.3%時(shí)，可停止通風(fēng)。

[1] TB 10120—2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 張海波.非煤系地層瓦斯隧道設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),1997(11):31-35.

[3] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.大茶山隧道設(shè)計(jì)圖[Z].

Discussion on Dachashan gas outburst tunnel design of Shanghai-Kunming high-speed rail

Tang Jincai

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupLimitedLiabilityCompany,Chengdu610031,China)

According to the characteristics of Dachashan gas outburst tunnel coal measure strata of Shanghai-Kunming high-speed rail, from the all closed lining structure, coal burst prevention, construction ventilation, construction organization, blind drainage and gas emissions, operation ventilation and other aspects, this paper introduced the system design situation during Dachashan tunnel construction and operation period, provided way for similar engineering design.

tunnel, gas, coal measure strata, ventilation system

2016-11-27

唐進(jìn)才(1985- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0194-03

U452

A