低瓦斯隧道施工中的瓦斯防治技術(shù)研究

張軍

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550001）

0 引言

瓦斯隧道是一種常見的隧道類型，是指隧道施工中局部地段為煤系層，有瓦斯出露的可能。依據(jù)高速公路瓦斯隧道的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)絕對瓦斯涌出量大小，全工區(qū)的瓦斯涌出量小于0.5m3/min 的屬于低瓦斯隧道[1]。低瓦斯隧道施工時，為了保證施工安全，必須保證良好的通風(fēng)條件，對瓦斯情況進行動態(tài)監(jiān)測，并且制定完善的防治技術(shù)和應(yīng)急預(yù)案，最大程度地減少瓦斯對施工造成的影響。以下結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，針對低瓦斯隧道施工技術(shù)和瓦斯防治措施進行探討。

1 工程概況

某低瓦斯隧道工程，為分離式短隧道，左幅起訖樁號為ZK95+105—ZK95+583，全長478m；右幅起訖樁號為ZK95+122—ZK95+585，全長463m。隧道區(qū)植被發(fā)育，主要為叢林。進口位于山體緩坡脊背部位，縱向坡度約23.7～27.8°；出口位于地形稍緩的坡面上，縱向坡度約6.9～10.6°。隧道區(qū)頂部為灌木林地，有低壓用電線路經(jīng)過。隧道K95+310 右側(cè)200m 為村委，進口段路基為基本農(nóng)田，距離隧道口約150m 有7 座墳?zāi)?；出口段為生態(tài)保護林地，延隧道區(qū)縱向、間隔約70m有一條混凝土組組通公路途經(jīng)，距隧道進口約80～100m、隧道出口約10～40m，交通條件較方便。

根據(jù)工程地質(zhì)資料顯示，該地層巖性為石英砂、炭質(zhì)泥巖及煤層，地層中含煤l～7 層，厚0.1～2m，設(shè)計含氣量檢測結(jié)果見表1。通過等溫吸附a 值，判斷該儲層最大甲烷吸附能力為4.5m3/t，吸附能力較弱，屬于低瓦斯含量煤儲層。通過煤塵爆炸性試驗結(jié)果判定，該儲層煤塵沒有爆炸性，屬于不易自燃儲層。

表1 設(shè)計含氣量檢測結(jié)果 單位：m3/t

2 低瓦斯隧道施工技術(shù)

2.1 施工順序

隧道先進行臨時工程施工，做好洞口規(guī)劃，調(diào)查隧道區(qū)內(nèi)的已有構(gòu)造物及地質(zhì)構(gòu)造，施工準(zhǔn)備期內(nèi)完成棄碴場排水設(shè)施的施工。然后進行洞口段截水天溝排水設(shè)施及坡面防護施工，接著進行洞口套拱及超前大管棚施工，為進入暗洞做好準(zhǔn)備工作。進入暗洞后的施工順序是：超前地質(zhì)預(yù)報→測量放樣→超前支護→洞身開挖→初期支護→仰拱開挖及襯砌→防水施工→洞身二襯施工→回填注漿及其他附屬工程。

2.2 超前預(yù)報

該工程超前預(yù)報采用綜合預(yù)報法，以地質(zhì)分析為主，以物探技術(shù)為輔，通過超前鉆探和瓦斯檢測進行驗證。本工程中，主要采用超前鉆探法、電磁波反射法、不良地質(zhì)超前預(yù)報、煤層及瓦斯預(yù)報。

2.3 洞身開挖

洞身開挖過程中，做好超前支護和預(yù)加固，防止塌方引起瓦斯事故；開挖后及時噴錨，封閉圍巖以減少瓦斯溢出；超挖部分回填密實，噴射混凝土要滿足設(shè)計要求和施工規(guī)范。本工程根據(jù)地勘資料和設(shè)計圖紙，整座隧道圍巖等級均為Ⅴ級，洞身為可塑狀粉質(zhì)黏土、強中微風(fēng)化灰?guī)r、石英砂巖，節(jié)理發(fā)育、巖體破碎，基本無自穩(wěn)能力，不支護受震動易產(chǎn)生松動變形、擠壓破壞和坍塌，甚至冒頂。對此，Ⅴa、Ⅴb 段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，先對兩側(cè)導(dǎo)坑超前掘進，進行初期支護；當(dāng)雙側(cè)導(dǎo)坑封閉穩(wěn)定后，再環(huán)形開挖拱部，最后開挖中部，并封閉襯砌。Ⅴc 段采用CD 法開挖，將隧道分為左右兩大部分，先在隧道一側(cè)采用臺階法自上而下分層開挖，及時初期支護、噴射混凝土；當(dāng)混凝土強度達到設(shè)計值70%以上，再分層開挖另一側(cè)，支護形式與先開挖一側(cè)相同。

2.4 初期支護

初期支護施工重點內(nèi)容有：

（1）噴射混凝土，工藝流程為：方案報批→施工準(zhǔn)備→制備混凝土→運輸混凝土→混噴機初噴→復(fù)噴→質(zhì)量檢查。噴射作業(yè)技術(shù)要點有：①隧道開挖后及時噴射混凝土，防止巖體松弛；②分片、分段噴射，按照從下到上的順序，縱向長度不大于6m；③初噴厚度40～60cm，復(fù)噴厚度拱頂處不大于100mm，邊墻處不大于150mm[2]。

（2）錨桿使用中空注漿錨桿，工藝流程為：施工準(zhǔn)備→錨桿鉆孔定位→鉆進就位→鉆孔→清孔→安裝錨桿→安裝止?jié){塞→錨桿檢測→注漿并檢查→安裝墊板螺母。技術(shù)要點有：①施工時保持錨桿中空通暢，留有專門的排氣孔；②注漿壓力維持在0.5MPa 左右，當(dāng)排氣口出漿可停止注漿；③鉆進過程中，控制好鉆進參數(shù)，合理掌握鉆進速度，防止埋鉆、卡鉆、坍孔等通病出現(xiàn)。施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 錨桿支護施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.5 仰拱與鋪底

仰拱與鋪底施工時，技術(shù)要點如下：

（1）開挖

采用機械+人工開挖模式，隧道底兩隅與側(cè)墻連接處平順開挖；仰拱處若有膨脹性圍巖，打入錨桿或加固后再開挖；洞口或洞內(nèi)斷層破碎帶仰拱跳格開挖，控制一次開挖范圍，保證施工安全。

（2）初期支護

開挖后及時初期支護，混凝土強度、厚度、鋼架安裝等均要符合設(shè)計規(guī)范要求；仰拱鋼支撐、邊墻拱架牛腿要保證焊接質(zhì)量。

（3）二襯鋼筋

預(yù)埋鋼筋接頭錯開，同一截面的鋼筋接頭數(shù)不大于50%；綁扎時控制好層距和間距；彎曲弧度與隧道斷面設(shè)計弧度相符。

（4）混凝土施工

仰拱填充采用片石混凝土?xí)r，片石距模板大于50mm，片石間距大于粗集料最大粒徑，分層擺放、搗固密實；當(dāng)仰拱混凝土強度達到設(shè)計值的70%才能進行片石混凝土施工；強度達到100%后方可允許車輛通行[3]。

2.6 防水排水

在隧道內(nèi)設(shè)置臨時排水溝，能及時排出滲漏水和施工廢水，定期清理保證水路暢通。排水溝要遠離邊墻，和邊墻基腳距離不小于1.5m（見圖1）。施工過程中，為了防止涌水，采取措施如下：在開挖面超前鉆孔，及時發(fā)現(xiàn)暗河、水囊、高壓涌水；獲取地質(zhì)水文資料進行分析，判斷地下水流方向后再確定鉆孔的位置、數(shù)量和鉆孔深度。非施工人員撤離現(xiàn)場，合理配置抽水設(shè)備；預(yù)先埋管設(shè)閥以控制排水量，防止承壓水沖擊；水平鉆孔時，如果未見出水，進一步進行地質(zhì)水文勘測，對地下水情況再次判斷。

圖1 隧道內(nèi)供電、通風(fēng)、排水布置示意圖

2.7 二次襯砌

根據(jù)監(jiān)控測量結(jié)果，確定可進行二次襯砌時，工藝流程為：布設(shè)軌道→臺車就位→頂模升起→側(cè)模張開→凈空檢測→調(diào)整模板→澆筑混凝土→拆?！B(yǎng)護。技術(shù)要點如下：①采用全斷面模板臺車進行泵送作業(yè)，并對初期支護斷面進行激光測量，及時處理不符合要求的部位。②已完成襯砌地段，觀察二襯穩(wěn)定性，注意變形、開裂、侵入凈空等現(xiàn)象，并及時記錄。③二次襯砌和工作面的距離不大于50m，拱頂部位預(yù)留注漿孔，襯砌完成后壓漿回填，從而封閉瓦斯。④二次襯砌的施工縫、變形縫，要按設(shè)計要求做好防瓦斯?jié)B透處理。

3 瓦斯段隧道瓦斯防治技術(shù)措施

3.1 預(yù)防煤與瓦斯突出

開挖工作面時，進行超前鉆孔探測、突出危險性預(yù)測，并采取防突措施，檢驗防突效果。當(dāng)工作面出現(xiàn)煤與瓦斯突出的預(yù)兆時，及時報警、停止工作，撤出人員，切斷電源，上報有關(guān)部門積極應(yīng)對。預(yù)測時，采用“四位一體”步驟，要清楚掌握煤層賦存情況，評估煤與瓦斯突出的危險性大小，根據(jù)瓦斯?jié)舛认拗撇扇?yīng)的處理措施（見表3）。

表3 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛认拗导俺尢幚泶胧?/p>

如果預(yù)測出該煤層具有煤與瓦斯突出的危險性，先采取防止煤與瓦斯突出的措施，常見的處理方式有：打排放孔泄壓、深孔松動爆破、瓦斯抽放、水力沖孔、大直徑鉆孔（Φ30cm）排放等。

3.2 震動放炮，揭煤、過煤

預(yù)測為突出煤層，采取防突措施證明已經(jīng)取得效果后，為了保證施工人員的人身安全，要采用震動放炮的方式揭煤、過煤。

（1）0.3m 以上的煤層第一次揭開時，要按震動放炮的方式穿過。突出煤層震動放炮的工藝流程為：組織→打眼→雷管母線檢測→裝藥→聯(lián)線→撤人警戒→放炮→通風(fēng)并檢查爆破效果→恢復(fù)施工。

（2）因煤層較厚或煤層傾角較緩，震動放炮一次無法揭穿全部煤層，應(yīng)繼續(xù)開挖放炮，重復(fù)以上安全措施執(zhí)行，直至進入煤層頂板（或底板）真厚2m為止。

（3）通過其他煤層時，煤層在30～100cm之間的較薄煤層，如果不在斷層或地質(zhì)構(gòu)造帶附近，且煤質(zhì)不是十分松軟，可不進行突出性預(yù)測和采取防突性措施。預(yù)計真厚10m 以外，仍要打液壓鉆探明煤層賦存情況，采取長探短掘的前進方式，揭煤、過煤時所有人員仍要撤至洞外放炮。

3.3 施工通風(fēng)技術(shù)

通風(fēng)能避免瓦斯積聚，降低瓦斯?jié)舛?，從而預(yù)防瓦斯事故發(fā)生[4]。在瓦斯區(qū)段施工時，必須采取連續(xù)通風(fēng)方案。通風(fēng)技術(shù)要點如下：

（1）設(shè)計風(fēng)量

在洞口采用管道壓入式通風(fēng)，主扇選擇大功率軸流式通風(fēng)機，風(fēng)管選擇帆布材質(zhì)軟管，同時配置管理人員。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)掘進工作面最大瓦斯涌出量、瓦斯隧道最低風(fēng)速、掘進工作面一次爆破的最大炸藥量計算工作面需風(fēng)量，最終計算結(jié)果是3 075m3/min。

（2）風(fēng)機選型

先計算通風(fēng)機的工作參數(shù)，主要是工作風(fēng)量Q和全風(fēng)壓Ht。本工程選取隧道專用軸流風(fēng)機，每單幅隧道使用2臺，因隧道進出口端雙向掘進，共計使用軸流風(fēng)機4臺。

（3）通風(fēng)檢測

隧道施工期間，建立通風(fēng)檢測組織，由通風(fēng)組技術(shù)人員測定風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)，對通風(fēng)設(shè)備、人員加強日常管理，形成真實完整的現(xiàn)場記錄，并建立臺賬。

3.4 瓦斯監(jiān)控檢測

瓦斯監(jiān)控貫穿在隧道施工全過程，以開挖工作面附近為例，瓦斯?jié)舛葴y定要點如下：

（1）在瓦斯區(qū)段風(fēng)流范圍內(nèi)測量瓦斯?jié)舛?，對風(fēng)流范圍的劃分依據(jù)是：①模板臺車處，距離支架、巷底各50mm 的斷面空間；②無支架、錨噴支護或已襯砌段，距離拱頂、側(cè)壁、底板各200mm的斷面空間[5]。

（2）布置瓦斯監(jiān)測斷面時，可以參考圖2；確定監(jiān)測點時，可以參考圖3，重點是隧道風(fēng)流上部（即拱頂部位）。

圖2 瓦斯監(jiān)測斷面布置圖

圖3 瓦斯監(jiān)測斷面測點示意圖

（3）每個測點連續(xù)測定3 次，取最大值為最終檢測結(jié)果。測風(fēng)斷面應(yīng)同時測定瓦斯?jié)舛?。比較開挖工作面附近的瓦斯?jié)舛戎怠⒎€(wěn)定回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛戎?，取較大者為該斷面處的瓦斯?jié)舛取?/p>

（4）瓦斯監(jiān)測時，以CH4監(jiān)測為主，與H2S、CO、CO2有毒有害氣體的監(jiān)測相結(jié)合。每日監(jiān)測后，及時填寫監(jiān)測記錄，以便進行數(shù)據(jù)對比分析和全程追蹤。

根據(jù)隧道施工進度，在開挖掌子面、二襯臺車以及回風(fēng)流中，安裝甲烷傳感器。檢測參數(shù)和預(yù)警值見表4。

表4 CH4濃度預(yù)警范圍表

4 結(jié)語

綜上所述，低瓦斯隧道施工時，因瓦斯?jié)B漏、涌出可能造成安全事故，施工時必須采取有效的防治措施。本文結(jié)合實際工程案例，介紹了低瓦斯隧道施工技術(shù)要點，對各方面施工中的瓦斯防治技術(shù)進行闡述。分析結(jié)果表明，施工中沒有出現(xiàn)瓦斯事故，確保了施工質(zhì)量和安全，實現(xiàn)了預(yù)期管理目標(biāo)。希望能夠為同類工程施工管理提供參考。