供水工程瓦斯隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

趙維煒

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110006)

1 工程概況

柴河供水工程2-4#支洞位于遼寧省沈陽市沈北新區(qū)灣道河子，為供水工程臨時(shí)支洞，支洞控制段隧洞設(shè)計(jì)全長3475m，樁號(hào)為S34+213.000-S37+688.000，縱坡i=0.099‰。供水隧洞開挖斷面為圓拱斜墻形，成洞斷面為圓形D=3.9m。工程施工至掌子面(樁號(hào)S34+811)支立鋼拱架焊接時(shí)引燃少量可燃?xì)怏w，現(xiàn)場利用100%量程光干涉瓦斯檢測儀實(shí)測上游掌子面地面2m以下空間瓦斯?jié)舛葹?-3.8%，掌子面頂部噴射混凝土封閉部位瓦斯?jié)舛?.8-4.6%，掌子面未噴射混凝土部位瓦斯?jié)舛茸罡邽?.8%。經(jīng)現(xiàn)場補(bǔ)充地質(zhì)勘探并對(duì)芯樣進(jìn)行取樣分析后，隧洞內(nèi)有害氣體主要為煤系地層即2)層和4)層為主要含煤線及煤層地層產(chǎn)出的瓦斯氣體，綜合補(bǔ)充地勘成果判定該段隧洞屬低瓦斯隧洞，根據(jù)勘察揭露地質(zhì)情況推測前方開挖樁號(hào)約S34+720-S34+811，長度約91m為低瓦斯地層[1]。

2 工程地質(zhì)

隧洞穿越的地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)九佛堂組(K1jf)地層和晚侏羅世侵入巖(α52(3))地層。白堊系下統(tǒng)九佛堂組主要為粗砂巖、粗砂巖夾粉砂巖、礫巖、粉砂巖、泥巖夾煤層、粉砂巖鏡下及泥巖鏡下；晚侏羅世侵入巖主要包括角礫熔巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r。該段洞室埋深74-76m。巖體較破碎，洞室開挖過程中將以干燥-滲滴水狀為主、局部可能出現(xiàn)線流。圍巖類別為Ⅳ類。

3 瓦斯洞段初期支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

3.1 瓦斯隧洞段噴射混凝土

3.1.1 噴射混凝土工藝的選擇

工程全線為壓力隧洞，隧洞初期支護(hù)原設(shè)計(jì)噴射混凝土工藝為潮噴工藝，為更好的封閉洞內(nèi)瓦斯氣體的溢出，該瓦斯洞段設(shè)計(jì)潮噴工藝調(diào)整為濕噴工藝。

3.1.2 噴射混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)

瓦斯隧洞段圍巖類別為Ⅳ類，洞室圍巖自穩(wěn)能力差，尤其頂拱部位節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，考慮到鉆爆法開挖施工的超欠挖及相鄰兩炮孔間巖面的不平整度(≤15cm)，為了更好的封閉瓦斯隧洞段掌子面及開挖輪廓周邊裸露圍巖，噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行了加強(qiáng)，由10cm加強(qiáng)至20cm。

1)外加劑：瓦斯隧洞段噴射混凝土中摻入氣密劑，水泥摻量5%-8%(外摻法)，噴射混凝土性能指標(biāo)為C25 W8，透氣系數(shù)≤10-10cm/s。

2)骨料：噴射混凝土骨料最大粒徑為8mm，不宜采用人工拌料，風(fēng)壓一般為 0.15-0.2MPa。

3)噴射厚度：開挖后及時(shí)初噴混凝土封閉掌子面，初噴厚度8cm。初期支護(hù)的噴射混凝土采用分層噴射施工，先初噴厚度為5cm的混凝土，而后鋪設(shè)鋼架支撐，鋼架支撐與初噴面緊密接觸，空隙處用噴射混凝土充填。鋪設(shè)鋼架支撐，鋼架支撐與初噴面緊密接觸，復(fù)噴厚度為15cm，復(fù)噴時(shí)空隙處嚴(yán)格用噴射混凝土充填密實(shí)[2]。

3.1.3 噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)SL377-2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為現(xiàn)場噴大板切割法或現(xiàn)場鉆芯法取得試件的抗壓強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，配制強(qiáng)度的計(jì)算應(yīng)考慮基準(zhǔn)混凝土(不摻速凝劑)與噴射大板試件之間的強(qiáng)度差值。

即：

R配制=R設(shè)計(jì)+tσ+△R

(1)

式中：R配制為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；R設(shè)計(jì)為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；t為概率度系數(shù)(95%保證率時(shí)為1.645)；σ為噴大板混凝土試件強(qiáng)度均方差，MPa，取5MPa；△R為基準(zhǔn)混凝土與噴大板混凝土抗壓強(qiáng)度之差，MPa，取16MPa。

因此由上式計(jì)算得C25噴射混凝土室內(nèi)基準(zhǔn)配制強(qiáng)度：

R配制=R設(shè)計(jì)+tσ+△R=25+1.645×5+16=49.2MPa

(2)

即C25噴射混凝土的基準(zhǔn)配制強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到50MPa(實(shí)驗(yàn)室不摻速凝劑的基準(zhǔn)混凝土配制強(qiáng)度，僅相當(dāng)于配制28d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到50MPa的普通混凝土)。通過實(shí)驗(yàn)室配合比計(jì)算及試配，最終選用水膠比0.35作為最終配合比，噴射混凝土配合比成果表，見表1。

表1 噴射混凝土配合比成果表

3.1.4 噴射混凝土施工

噴射混凝土分層進(jìn)行。受噴面清理干凈之后，及時(shí)進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)，采用電動(dòng)空壓機(jī)供風(fēng)，混凝土噴射機(jī)(防爆型)配合人工進(jìn)行噴射混凝土施工。

混凝土噴射按自下而上順序進(jìn)行。初噴的度以噴射的混凝土不產(chǎn)生墜落和滑移為適度，一般控制在約5-7cm，復(fù)噴在前一層終凝之后進(jìn)行，若間隔時(shí)間>1h，則用高壓風(fēng)水將上一噴層表面的乳膜、浮塵等雜物沖洗干凈。

3.2 型鋼支撐和鋼筋網(wǎng)片

1)型鋼支撐設(shè)計(jì)：為減少焊接等動(dòng)火作業(yè)，瓦斯洞段型鋼支撐設(shè)計(jì)采用洞外拼裝的G100格柵拱架，環(huán)向鋼拱架各節(jié)段之間采用螺栓連接，鋼拱架之間連接筋宜采用螺栓或預(yù)焊在鋼拱架上的套管連接，支立間距為0.5-1.5m；頂拱、斜墻全周布設(shè)鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為Φ8@150mm×150mm。

2)型鋼支撐安裝：環(huán)向鋼拱架各節(jié)段之間采用螺栓連接，鋼拱架之間連接筋宜采用螺栓或預(yù)焊在鋼拱架上的套管連接，鋼架安裝施工時(shí)根據(jù)位置、間距分片進(jìn)行拼裝，各片采用鋼板螺栓連接，縱向用Φ22@100cm鋼筋將相鄰榀拱架連接牢靠。型鋼鋼架與巖面間充填密實(shí)，保證型鋼鋼架均勻受力[3]。

3)鋼筋網(wǎng)制作與安裝：鋼筋網(wǎng)在洞外分片制作，安裝時(shí)搭接長度≥20cm。鋼筋網(wǎng)沿開挖面鋪設(shè)與錨桿和鋼架連接牢固。

3.3 超前支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

采用超前小導(dǎo)管單液(或雙液)注漿，加固圍巖，固化煤體，堵塞巖體裂隙，減少或阻止瓦斯溢出。

3.3.1 瓦斯洞段超前支護(hù)參數(shù)

超前小導(dǎo)管選用熱軋無縫鋼管，小導(dǎo)管直徑Φ42mm，壁厚3.5mm，長度為3.0-6.0m；小導(dǎo)管前端加工成圓錐形并封焊嚴(yán)實(shí)，2.0-4.0m范圍內(nèi)每隔10-20cm交錯(cuò)鉆眼，作為溢漿孔，孔徑Φ6-Φ8mm，梅花形排列，管尾設(shè)加固環(huán)。根據(jù)地質(zhì)情況，小導(dǎo)管環(huán)向間距為300-500mm。

沿隧洞縱向開挖輪廓線向外以10°-30°的外插角鉆孔(濕式鉆孔，防止與巖石、鋼支撐摩擦產(chǎn)生火花，并在孔口附近安裝瓦斯檢測報(bào)警儀)，將小導(dǎo)管打入圍巖。

3.3.2 超前支護(hù)支護(hù)施工

測量放樣(防爆型測量儀器)：按設(shè)計(jì)要求，在掌子面上準(zhǔn)確畫出本循環(huán)需施設(shè)的小導(dǎo)管孔位。

鉆孔(濕式鉆孔，先開水、后開風(fēng)，打眼結(jié)束，先關(guān)風(fēng)、后關(guān)水，降低粉塵。鉆孔過程加強(qiáng)瓦斯檢測)：采用手風(fēng)鉆打孔，成孔直徑Φ53，孔口偏差<50mm，孔深大于小導(dǎo)管長度，然后頂進(jìn)小導(dǎo)管，用高壓風(fēng)將小導(dǎo)管內(nèi)砂石等吹出。小導(dǎo)管尾部置于鋼架腹部，增加共同支護(hù)能力。小導(dǎo)管安裝后用塑膠泥封堵導(dǎo)管外邊的孔口及圍巖裂隙。 Ⅳ類圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖，見圖1。

圖1 Ⅳ類圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

4 結(jié)論及建議

1)低瓦斯隧洞中通過在噴射混凝土中加氣密劑后通過濕噴工藝封閉掌子面后，能有效的防止洞內(nèi)瓦斯氣體的溢出[4]。

2)開挖后必須首先進(jìn)行初噴混凝土作業(yè)，封閉圍巖，減少瓦斯溢出，錨噴支護(hù)緊跟工作面，嚴(yán)禁空頂作業(yè)，或采取超前支護(hù)措施。在完成初噴混凝土后，及時(shí)安裝鋼拱架，定位后及時(shí)復(fù)噴混凝土。鋼拱架背后空洞或空隙應(yīng)噴射混凝土填充密實(shí)，表面應(yīng)平整，嚴(yán)禁凸凹不平，避免瓦斯積聚。

3)支護(hù)措施實(shí)施中減少焊接等動(dòng)火作業(yè)，型鋼支撐采用預(yù)加工格柵拱架，環(huán)向鋼拱架各節(jié)段之間采用機(jī)械連接，當(dāng)特殊情況必須采用電焊、氣焊作業(yè)時(shí)，按照動(dòng)火審批程序和動(dòng)火管理制度嚴(yán)格管理，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控，并采取安全措施。

4)瓦斯隧洞段經(jīng)過開挖、支護(hù)后現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測，洞內(nèi)施工期的瓦斯?jié)舛染陀?.5%。因此在低瓦斯水工隧洞中噴射混凝土粗骨料也可采用(5-10mm)，待其它工程應(yīng)用中進(jìn)一步證實(shí)。