重慶地鐵銅鑼山低瓦斯隧道施工技術

許晶晶

重慶地鐵六號線二期銅鑼山隧道全長5633.4m，是目前國內(nèi)城市軌道交通工程領域擬建和在建隧道工程中最長山嶺隧道，地質(zhì)條件極為復雜，施工難度極大。采用雙洞分離式隧道結構設計形式，并通過復合式TBM和鉆爆法分段施工，隧道具有高壓地下水、腐蝕性地下水、瓦斯、煤層、溶洞、石膏巖、采空區(qū)、斷層、破碎帶等多種不良地質(zhì)條件［1］。

1 瓦斯發(fā)現(xiàn)情況

1.1 發(fā)現(xiàn)不明氣（液）體情況

銅鑼山隧道進口開挖至DK9+500掌子面出砟時，施工人員聞到刺鼻的煤油味道，現(xiàn)場人員持便攜式瓦斯檢測儀未檢測到瓦斯氣體。對掌子面左側超前水平鉆孔進行瓦斯檢測時，發(fā)現(xiàn)存在瓦斯氣體，含量為0.35%。經(jīng)連續(xù)檢測，水平鉆孔內(nèi)瓦斯含量為0～2%不等。

1.2 油氣專項勘察概況

隨后，設計單位聯(lián)系委托湖南省煤炭地質(zhì)勘察院，對隧道涌出的不明油、氣進行專項勘察。隧道掌子面空氣中檢測不到瓦斯，但在工作面一些炮眼內(nèi)檢測到瓦斯?jié)舛仍?.18%～10%以上，可聞到煤油味道，但巖壁及鉆孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有油漬逸出。

設計單位勘察人員至隧道現(xiàn)場測試，經(jīng)檢測，隧道內(nèi)掌子面附近空氣中不論是停風狀態(tài)還是正常通風狀態(tài)下都檢測不到瓦斯?jié)舛?，隧道?nèi)瓦斯絕對涌出量為微量（無法測出）。

在隧道掌子面中部與地層走向垂直方向進行地質(zhì)勘探鉆孔，終孔深度為30m，在鉆孔進尺16～17m、24～25m，29～30m段各取一個巖石芯樣，采用目前國內(nèi)最先進的高精度水浴溫度控制含氣量解析儀對巖芯進行現(xiàn)場氣體解吸測定，并將巖樣送專業(yè)實驗室進行殘余氣體量測試，測試結果顯示其巖樣平均含氣量為0.038m3/t。同時對瓦斯壓力進行測試，得到結果為孔內(nèi)瓦斯壓力為0。

1.3 隧道油氣地質(zhì)條件評價

（1）銅鑼山隧道涌出氣體是以甲烷為主的瓦斯氣，包含有一氧化碳、二氧化碳氣體成分，其中最高鉆孔中瓦斯?jié)舛葴y試值超過10%，大大超過規(guī)范規(guī)定的標準值，存在一定的爆炸危險性；

（2）瓦斯的來源主要是二疊系下統(tǒng)棲霞組古油氣床，隨著地層結構破碎帶上升位移而儲存在巖層裂隙內(nèi)，受隧道爆破施工的影響造成瓦斯不斷涌出。目前銅鑼山隧道內(nèi)瓦斯絕對涌出量為微量，小于規(guī)定的0.5m3/min，本次暫且定性該隧道為低瓦斯隧道；

（3）銅鑼山隧道內(nèi)棲霞組段灰?guī)r瓦斯含量為0.038m3/t，小于規(guī)范規(guī)定的0.5m3/t，目前隧道內(nèi)發(fā)現(xiàn)油漬逸出，則本次將隧道通過的二疊系下統(tǒng)棲霞組地層瓦斯地段等級暫定為三級。

本隧道有害氣體主要以甲烷為主的瓦斯氣，蘊藏在地下多孔隙巖層中，比重約0.65，比空氣輕，具有無色、無味、無毒之特性，易積聚在坑道頂部，滲透性高，擴散速度大，約為空氣的1.6倍，容易透過裂隙發(fā)達，結構松散的巖石。其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的一氧化碳，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣，以及微量的惰性氣體。

2 瓦斯地段設計情況

根據(jù)銅鑼山隧道進口油氣專項勘察結果，該隧道進口定性為低瓦斯隧道，DK9+550～DK9+850段瓦斯地段等級為三級。

2.1 瓦斯地段專項結構設計

根據(jù)油氣專項補勘結果，對照瓦斯規(guī)范相關規(guī)定，本隧道進口工區(qū)為低瓦斯工區(qū)，瓦斯等級為三級，同時考慮瓦斯具有滲透擴散的特點，結構設計段落向瓦斯段兩端各延伸50m，對隧道DK9+500～DK9+900段共計400m襯砌結構進行加強設計。

（1）DK9+500～DK9+850段圍巖級別維持原設計Ⅲ級，DK9+850～DK9+900段圍巖級別由原設計Ⅱ級變更為Ⅲ級，該段按三級瓦斯地段設計，圍巖級別及段落長度根據(jù)實際揭示巖性及圍巖進行動態(tài)調(diào)整。

（2）瓦斯地段襯砌結構加強原則。

①根據(jù)瓦斯規(guī)范：“4.2.4含瓦斯地段的噴射混凝土厚度不應小于15cm，模筑混凝土襯砌厚度不應小于40cm”的要求，對Ⅲ級襯徹支護參數(shù)進行修正。

②考慮到瓦斯具有從壓力高地段向壓力低地段滲透擴散的特點，結構封閉措施在瓦斯、非瓦斯工區(qū)分界處，向非瓦斯工區(qū)延伸不小于50m。

③噴混凝土及摸筑混凝土中需摻加氣密劑。要求摻用氣密劑后，噴混凝土中透氣系數(shù)不應大于10-10cm/s，模筑混凝土中透氣系數(shù)不應大于10-11cm/s。

④考慮后期運營安全，為隔離瓦斯或減少瓦斯溢出，隧道開挖后，全斷面采用徑向注漿。

（3）具體措施。

①DK9+500～DK9+850段350m，襯砌支護類型采用Ⅲw-qfb-2型（見表1）；全斷面采用徑向注漿封堵瓦斯。

②DK9+850～DK9+900段50m，襯砌支護類型采用Ⅲw-qfb-1型（見表1）；全斷面采用徑向注漿封堵瓦斯。

表1 瓦斯隧道襯砌支護參數(shù)表

③DK9+895左側專用洞室采用初期支護及二次襯砌混凝土摻加氣密劑，同正洞。

④瓦斯里程范圍應根據(jù)現(xiàn)場施工檢測結果動態(tài)調(diào)整；圍巖級別根據(jù)實際揭示確定。

⑤原已部分施做完畢的部位（如仰拱、下臺階等部位）維持現(xiàn)狀，及時施做徑向注漿措施。

2.2 低瓦斯工區(qū)防排水、防排氣設計

隧道內(nèi)瓦斯絕對涌出量雖為微量，但經(jīng)采用徑向注漿措施后可進一步減少瓦斯溢出，隧道排水系統(tǒng)維持原設計，防水、氣措施如下：

（1）DK9+500～DK9+900段隧道環(huán)、縱向施工縫處在原設計中埋止水帶+背貼止水帶的復合措施基礎上，增加雙組份聚硫密封膏嵌縫氣密性處理，其封閉瓦斯性能不應小于襯砌本體，如圖1、2所示。

圖1 縱向施工縫氣密防水處理構造圖

圖2 拱墻環(huán)向施工縫氣密防水處理構造圖

（2）在瓦斯段與非瓦斯段交界處（DK9+500～DK9+900）端頭初支與二襯之間全環(huán)向設置20cm寬雙組份聚硫密封膏，防止有害氣體從瓦斯地段向非瓦斯地段滲透擴散［2］，如圖3所示。

圖3 仰拱環(huán)向施工縫氣密防水處理構造圖

3 瓦斯隧道施工方法、工藝及技術要求

3.1 施工原則

根據(jù)現(xiàn)行《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》、《煤礦安全規(guī)程》有關規(guī)定進行施工，為確保施工安全，瓦斯工區(qū)的鉆爆作業(yè)應滿足《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》（5鉆爆作業(yè)）的基本要求，瓦斯隧道施工堅持“多打眼、少裝藥、短進尺、快噴錨、強支護、勤檢測”的原則［3］。

3.2 施工方法及工藝

經(jīng)過計算，現(xiàn)場通風設備能滿足臺階法施工的風速要求，因而現(xiàn)場采用臺階法施工，開挖循環(huán)進尺控制在2～3.0m?？刂崎_挖循環(huán)進尺為短進尺，以保證開挖面積較小，開挖輪廓能迅速得到支護，減短有害氣體溢出時間，減少溢出量。同時要求工序間隔盡量縮短，盡快施做二襯封閉瓦斯地段。瓦斯隧道施工工藝流程圖見圖4，各工作面施工最小步距如圖5所示。

3.2.1 開挖方法

（1）瓦斯隧道鉆爆原則。

低瓦斯工區(qū)需使用安全等級不低于二級的煤礦許用炸藥，采用煤礦許用電雷管進行起爆，最后一段的延期時間不得大于130ms。爆破采用光面爆破技術，炮泥封堵，炮泥采用水炮泥和黏土炮泥。爆破網(wǎng)路和連線采用串聯(lián)方式，連接接頭相互扭緊，明線部分包裹絕緣層并懸空，母線與電纜、電線、信號線分別掛在巷道兩側；若同側，母線需掛在電纜以下不小于0.3m。

圖4 瓦斯隧道施工工藝流程圖

圖5 各工作面施工最小步距示意圖

母線采用絕緣母線單回路爆破，嚴禁將瞬發(fā)電雷管與毫秒電雷管在同一串聯(lián)網(wǎng)絡中使用［4］。

鉆爆參數(shù)：通過爆破試驗確定爆破參數(shù)，試驗時參照表2選擇。

掏槽方式：采用大面積深孔楔形掏槽。

Ⅲ級圍巖臺階法鉆爆設計，爆破網(wǎng)絡示意圖如圖6。

（2）鉆爆作業(yè)。

表2 光面爆破參數(shù)表

圖6 Ⅲ級圍巖炮眼布置圖

采用光面爆破，減少巖面坑洼不平造成局部瓦斯積聚。瓦斯工區(qū)鉆孔作業(yè)必須采用濕式鉆孔，作業(yè)點附近20m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_到1%時，必須停止鉆孔作業(yè)。

瓦斯工區(qū)裝藥與爆破作業(yè)應符合下列規(guī)定：

爆破地點20m內(nèi)，風流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?%；爆破地點20m內(nèi)，運輸車、碎石、碴堆等物體阻塞開挖斷面不得大于1/3；通風應風量足，風向穩(wěn)，局部無循環(huán)風；炮眼內(nèi)巖粉應清除干凈；炮眼封泥不足或不嚴，不應進行爆破，瓦斯工區(qū)的爆破作業(yè)必須采用煤礦許用炸藥。

（3）爆破效果檢查及優(yōu)化。

超欠挖檢查；開挖輪廓圓順，開挖面平整檢查；爆破進尺是否達到爆破設計要求；爆出石碴塊是否符合裝碴要求；炮眼痕跡保存率，硬巖≥80%，中硬巖≥60%，并在開挖輪廓面上均勻分布；兩次爆破銜接臺階不大于10cm。

每次爆破后檢查爆破效果，及時修正爆破參數(shù)，提高爆破效果，改善技術經(jīng)濟指標；根據(jù)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性軟硬情況，修正眼距，用藥量，特別是周邊眼；根據(jù)爆破后石碴的塊度修正參數(shù)。根據(jù)爆破振速監(jiān)測，調(diào)整單響起爆炸藥量及雷管段數(shù)；根據(jù)開挖面凹凸情況修正鉆眼深度，爆破眼眼底基本落于同一斷面上。

3.2.2 初期支護與襯砌

（1）初期支護施工。

開挖后及時初噴封閉掌子面，防止氣體外泄，噴射混凝土采用C25氣密性混凝土，厚5cm。有鋼架地段及時安裝鋼架，鋼架在洞外加工時，增加鎖腳錨桿聯(lián)接鋼板，在洞內(nèi)采用螺母固定鎖腳錨桿，嚴禁焊接；無鋼架地段，及時埋設厚度標識，確保噴射混凝土厚度滿足設計要求。

氣密性C25噴混凝土，要求其透氣系數(shù)不得大于10-10cm/s；氣密性噴混凝土配合比應根據(jù)現(xiàn)場采用的膠凝材料、骨料特性及氣密性混凝土的技術要求進行調(diào)整配置，并取樣檢驗，氣密劑選用非引氣型?；炷翑嚢钑r注意：水泥、氣密劑及砂先干拌1.5～2min，再加入碎石、水攪拌1.5～2min。隧道初期支護采用濕噴混凝土施工工藝，設備選用濕噴機械手作業(yè)。

鋼筋、鋼架應采用螺絲、套筒或鋼絲綁扎聯(lián)接，不得進行電焊、氣焊、噴燈焊接、切割等工作。特殊情況下不得不焊接、切割時，必須嚴格遵守動火的有關規(guī)定，制定安全措施，設專人進行檢查、監(jiān)督。在焊接、切割等工作點前后各20m范圍內(nèi)無可燃物，風流中瓦斯?jié)舛炔坏么笥?.5%，并檢查作業(yè)點附近20m范圍內(nèi)隧道頂部、支護背板后無瓦斯積存，在作業(yè)點至少配2個滅火器、1個供水閥門，經(jīng)專人檢查同意后方可進行作業(yè)。作業(yè)完成后由專人檢查確認無殘火后方可結束作業(yè)，作業(yè)完成后應澆水噴灑，并觀察1h。

加強頂板管理，堅持敲幫問頂，及時清除浮渣，對松散體及時進行注漿固結，以防傾出造成垮幫垮頂。臺車作業(yè)前，必須先進行瓦斯?jié)舛葯z測，達標后施工人員方可作業(yè)。

（2）全斷面徑向注漿。

為隔離瓦斯或減少瓦斯溢出，隧道開挖初期支護完畢后，應及時施做全斷面徑向注漿（圖7、圖8所示）。

徑向注漿施工方法如下：

初期支護施工完成后鉆孔，采用錨固劑粘接鋼管與孔壁，利用噴混凝土作止?jié){墻。

實施壓漿，壓漿過程采用跳孔間隔壓漿，實施擠密型注漿措施。

圖7 全斷面徑向注漿斷面圖

圖8 注漿終孔展開加固模式圖

注漿過程中若發(fā)生串漿，則關閉孔口閥門或堵塞孔口，待其它孔注漿完畢后再打開閥門；若發(fā)生流水，則繼續(xù)注漿，直至每個孔達到注漿結束標準。

全斷面徑向注漿結束標準：單孔結束標準：當達到設計終壓并繼續(xù)注漿10min以上，單孔進漿量小于初始進漿量的1/4。

全段結束注漿標準：所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏漿現(xiàn)象。進行壓水試驗，在1.0MPa壓力下，進水量小于2L/m·min。施工單位應進行現(xiàn)場注漿試驗，以便根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，確定合理的注漿參數(shù)，并進行隧道周邊的徑向注漿。

（3）二次襯砌。

瓦斯段二次襯砌采用氣密性模筑混凝土，要求其透氣系數(shù)不得大于10-11cm/s；氣密性砼配合比應根據(jù)現(xiàn)場采用的膠凝材料、骨料特性及氣密性砼的技術要求進行調(diào)整配置，并取樣檢驗。二次襯砌結構抗?jié)B等級不小于P12?；炷翝仓^程必須連續(xù)澆筑，不得中斷，防止出現(xiàn)施工縫。同時，要求加強振搗確?；炷撩軐崱澜F(xiàn)場焊接作業(yè)，要求構造鋼筋、連接鋼筋采用綁扎方式，主受力筋采用套筒連接。

針對氣密性混凝土施工進行專門配合比設計并作實驗技術分析，保證混凝土性能達到設計要求，同時配備專業(yè)的檢測設備。

3.3 防排水與防排氣

依據(jù)油氣專項勘察結果，銅鑼山隧道進口工區(qū)瓦斯來源主要是二疊系下統(tǒng)棲霞組古油氣床。隨著地層構造破碎帶上升并儲存在巖層裂隙內(nèi)，隧道爆破施工造成瓦斯不斷涌出，隧道內(nèi)瓦斯絕對涌出量雖為微量，但經(jīng)采用徑向注漿的措施后可進一步減少瓦斯溢出，具體措施如下：

（1）防水、氣措施。

DK9+500～DK9+900段隧道環(huán)、縱向施工縫處在原設計中埋止水帶+背貼止水帶的復核措施基礎上，增加雙組份聚硫密封膏嵌縫氣密性處理，其封閉瓦斯性能不應小于襯砌本體。

在瓦斯段與非瓦斯段交界處（DK9+500、DK9+900）端頭初支與二襯之間全環(huán)向設置20cm寬雙組份聚硫密封膏，防止有害氣體從瓦斯地段向非瓦斯地段滲透擴散。

（3）雙組份聚硫密封膏嵌縫工藝如下：

①在澆混凝土表面進行鑿毛，并鑿除先澆混凝土表面的水泥砂漿和松軟層，用水沖洗干凈。

②密封膠的配制：把箱內(nèi)1桶白色聚硫膠（A組份）與1袋黑色固化劑（B組份）充分攪拌均勻，直到無色差為止。

③涂雙組份聚硫密封膠時，用泥子刀將配制好的雙組份聚硫密封膠涂抹到施工縫面并達到規(guī)定厚度。

④涂抹完雙組份密封膠后及時施做二襯襯砌。

（2）排水系統(tǒng)。

排水系統(tǒng)維持原設計。

4 結束語

低瓦斯隧道因其瓦斯及其他有害氣體涌出和積聚，施工潛在風險大，施工難度大，規(guī)范要求嚴。在日常施工過程中，需嚴格執(zhí)行“一炮三檢”制度，及時準確掌握各作業(yè)面瓦斯氣體濃度情況，采取相應措施，嚴把安全質(zhì)量關，做好瓦斯氣體滲溢封堵的同時，加強洞內(nèi)通風，確保各作業(yè)面瓦斯聚集濃度低于規(guī)范允許范圍。針對低瓦斯地鐵隧道的現(xiàn)場實際，安全高效的組織施工，在確保工程安全質(zhì)量的前提下，通過施工技術控制，有效加快施工進度，提高工程整體經(jīng)濟效益。

［1］ 新建黔江至張家界至常德鐵路指導性施工組織設計［Z］. 2014.

［2］銅鑼山隧道進口油氣處治專項設計［Z］. 2016.

［3］TB 10120—2002. 鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范［S］.

［4］GB 6722—2014. 爆破安全規(guī)程［S］.