水工高瓦斯深埋長隧洞施工關鍵技術研究

高 俊

中鐵六局集團天津鐵路建設有限公司 天津 300000

1 研究意義

由于地下瓦斯逸出可能導致施工人員中毒、燃燒甚至是爆炸事故發(fā)生，具有破壞力強、影響巨大的特點。一旦發(fā)生瓦斯事故，容易造成大量傷亡，伴隨而來的就是停工停產(chǎn)及巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。因此，在施工過程中采取貼合現(xiàn)場實際、效果好的措施，確保過程中瓦斯安全穩(wěn)定，對高瓦斯超長引水隧洞順利施工具有深遠的經(jīng)濟效益和社會效益。

LXB供水工程C1#主洞通過項目調研、現(xiàn)場探測與監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬等研究手段，分析瓦斯逸出機理、提出水工隧洞瓦斯處置方法，最終形成了水工高瓦斯深埋長隧洞施工關鍵技術研究。

2 國內外研究現(xiàn)狀

目前，煤礦瓦斯災害事故頻發(fā)，過去在修建隧道時，都盡可能采取避繞措施避開煤礦區(qū)，只有代價巨大時才不得不從煤田或煤系地層穿過。建國以來至1999年，我國修筑了18座瓦斯隧道，只占全國隧道總數(shù)的0.18%。隨著我國交通和水電工程的發(fā)展，在有煤層和瓦斯地區(qū)通過并修筑隧道的機會越來越多，穿越多個煤層、高瓦斯地區(qū)的隧道也不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2000年至今，我國修建的瓦斯隧道已有140余座，其中長度3km以上隧道也有43座，大大超過了2000年以前修建的瓦斯隧道總數(shù)[1]。未來將有越來越多的隧道將穿越煤系地層。因此，仍需深入研究隧道施工中瓦斯相突出與防治關鍵技。加強研究施工過程中瓦斯突出的規(guī)律，對瓦斯災害的預防治理具有深遠的意義。

3 工程背景

3.1 工程概況

LXB二期工程CY供水施工一標位于遼寧省境內，隧洞為有壓引水隧洞，主支洞全長18742.87m。支洞開挖斷面為圓拱斜墻型，主洞開挖斷面為圓拱直墻型，襯砌后斷面為正圓形，直徑為3.9m。本標段共有C1#等5條支洞，總長度6486m,其中C1#支洞長度1632m，高差188m；主洞全長2090m。

3.2 瓦斯逸出

C1#支洞控制段上游2017年10月1日施工至樁號C3+122.7（距洞口1796米）掌子面開挖鉆孔過程時5個鉆孔瓦斯逸出并產(chǎn)生燃燒，施工暫停。2017年12月15日瓦斯燃燒火焰熄滅，持續(xù)燃燒76天。

3.3 地質補勘

C1#主洞上游瓦斯逸出后勘測設計院先后進行了地質測繪、地面垂直孔鉆探、洞內水平鉆探、物探EH4測試、洞內氣體取樣檢測、探孔內氣體取樣檢測、洞內滲油取樣檢測等相關工作。

（1）氣體成分分析

可燃氣體主要成分為O2、N2、CH4和CO2，平均含量O2占8.18%、N2占42.25%、CH4占49.28%和CO2占0.30%。

（2）補勘結論

工程區(qū)位于華北古陸東北部的金嶺寺—羊山盆地中部，盆地內堆積了侏羅系和白堊系火山沉積地層，斷層和褶皺構造發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育。斷裂構造是瓦斯運移的主要通道。根據(jù)地層生成和沉積條件，工程區(qū)內具備油層氣生、儲、蓋的條件。瓦斯氣體生層主要為侏羅系下統(tǒng)北票組地層的沉積巖，儲層主要為侏羅系上部沉積的砂巖、砂礫巖，蓋層為白堊系的火成巖[2]。

根據(jù)氣體成分及補勘結論，判定C1#支洞控制段上游為高瓦斯洞段，其中樁號C2+399～C3+123段為高瓦斯段，掌子面瓦斯涌出量最大值估算預測為0.72m3/min。其余段為低瓦斯段。

4 瓦斯逸出燃燒處理技術

根據(jù)洞內瓦斯噴出燃燒和地質勘探情況，采用加強洞內通風量，洞內氣體監(jiān)測監(jiān)控、洞外打設豎直向下地質探孔改移瓦斯氣體噴出通道，洞內瓦斯噴出壓力、噴出量減小，瓦斯燃燒熄滅，然后對掌子面進行噴砼密封，對燃燒影響洞段重新進行加固支護，為下一步瓦斯洞段開挖創(chuàng)造了施工條件。

（1）洞口封閉管理，加強洞內通風：瓦斯噴出燃燒后施工停止，洞口封閉值守管理，嚴禁無關人員進入。加強洞內通風，配備備用發(fā)電機、備用通風機，保持洞內24小時不間斷通風，使洞內噴出瓦斯能夠充分燃燒，減少洞內有毒有害氣體。

（2）洞內氣體檢測監(jiān)控：成立洞內瓦斯檢測小組，在支洞內間隔200m、主洞間隔50m設置固定檢測點，洞內拱頂懸掛瓦斯自動檢測報警傳感器，人工利用光干涉瓦斯測定儀和便攜式瓦檢儀，定頻次、定位置對隧道內的氣體含量、溫度進行檢測，并形成記錄后進行計算分析。主洞靠近燃燒點位置安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，洞口值班室內安裝顯示屏，并由專人24小時監(jiān)控洞內情況。

（3）洞外打設地質探孔：在瓦斯噴出燃燒的掌子面后方5m，距中心線右側5m位置，在洞外地面垂直向下打設地質探孔，鉆孔直徑Φ90mm。鉆進過程中分段進行巖層取芯，對孔內瓦斯氣體噴出量、噴出壓力進行監(jiān)測，當孔內瓦斯噴出量較大，且有一定壓力時停止鉆進，在孔口安裝氣體監(jiān)測的流量計和壓力計，并進行安全防護，嚴禁煙火。

（4）瓦斯燃燒熄滅，掌子面封閉：通過在洞外打設地質探孔，瓦斯噴出通道改變，掌子面噴出瓦斯量和壓力減弱，洞內瓦斯燃燒逐漸熄滅。通過氣體檢測洞內瓦斯?jié)舛葷M足施工作業(yè)條件后利用噴射混凝土C25W8對掌子面進行封閉，噴射厚度20cm,噴射混凝土中摻入氣密劑，透氣系數(shù)不大于1-10cm/s。

（5）燃燒影響洞段加固支護處理：掌子面封閉后對因瓦斯燃燒造成初噴、巖石開裂脫落洞段重新進行加固支護處理，加固支護采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混。

5 高瓦斯洞段施工技術

根據(jù)地質補勘結果判定C1#主洞上游為高瓦斯工區(qū)，對遼寧省水利施工屬于首次，鐵路、公路行業(yè)瓦斯隧洞多屬于穿越煤線的煤生氣，瓦斯富集量較少，通過加強通風、瓦斯監(jiān)測、分臺階開挖等施工措施可以解決瓦斯逸出危害，而對于油生氣，瓦斯大量富集噴出，國內遇到甚少，沒有成熟的經(jīng)驗方法可以借鑒。在進行方案確定時先后咨詢了煤礦行業(yè)和鐵路行業(yè)瓦斯處理和專家，邀請瓦斯處置專家到現(xiàn)場進行指導，分別對瓦斯燃燒處理、隧洞通風方式、瓦斯抽排方式、掘進開挖方法等進行了研討，確定瓦斯洞段專項施工方案。

瓦斯洞段施工前首先對臨時工程及施工輔助設施進行改造，完成并經(jīng)驗收合格后，組織進行瓦斯洞段主體施工。通過掌子面進行超前探孔，判定掌子面前方地質情況以及瓦斯逸出量，并對瓦斯逸出量超過標準的洞段進行瓦斯抽排，局部瓦斯富集洞段沿掌子面輪廓線進行超前高壓預注漿，采取上述措施降低掌子面瓦斯?jié)舛龋瑵M足施工條件后進行隧洞掘進、支護、底板混凝土施工。

5.1 臨時工程及輔助設施改造技術

原施工用設施不能滿足瓦斯洞段的施工需求，需要對臨時工程及相應的輔助設施進行重新改造并增設新設備。

（1）高瓦斯洞段通風方式

高瓦斯隧洞支洞長1632m，支洞控制段上游長1292m，獨頭掘進最長距離達到2924m。為避免對上游施工造成干擾，暫停下游施工，并對下游進口處進行臨時封閉，實現(xiàn)獨頭掘進、通風的目的。為達到瓦斯隧洞施工要求，考慮現(xiàn)場現(xiàn)有條件，對通風進行專項計算，最終決定采用壓入式通風，在支洞口20m位置安裝2臺壓入式軸流通風機（75kW），并預留1臺備用，風管采用Φ1.2m高性能抗靜電阻燃型，靠近通風機50m范圍風管內安裝剛性骨架，風管懸掛在拱頂，延伸至掌子面5m范圍；風管末端20m為橡膠材質，盡可能降低飛石對風管造成的損害。達到壓入風量與回風量相等，實現(xiàn)通風簡單、穩(wěn)定、可靠。對避車洞、調車洞等易于積聚瓦斯位置安裝10kW射流風機增加排風。

（2）特殊區(qū)域局部通風

風筒分支排放法。塌方處附近的風筒上加“三通”或安設一段小直徑的分支內筒，向空洞內送風，以排除積聚的瓦斯。

壓風排除法。在高壓風管上接出分支，并在支管上設若干個噴嘴，利用高壓風將積聚的瓦斯排除。當掌子面發(fā)生塌方或涌水造成塌腔時，也可以采用此方法防止瓦斯積聚。

（3）布設瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

高瓦斯隧洞施工期間，設置瓦斯檢測系統(tǒng)，瓦斯檢測系統(tǒng)由瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)與人工檢測測系統(tǒng)組成，并作為施工工序管理，由現(xiàn)場負責人主管，采用瓦斯?jié)舛?、風速/風量雙指標進行安全施工組織管理。

瓦斯隧洞瓦斯檢查員配備光干涉瓦斯檢測儀，班組長、掘進機司機、入洞檢查的管理人員應配備便攜式瓦斯檢測儀；所有瓦斯隧洞都按規(guī)定安裝瓦斯自動檢測報警斷電系統(tǒng)，實行瓦斯電閉鎖。

監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置，主洞距開挖掌子面5m處布設甲烷傳感器3個（分別布設在拱頂及拱腰位置）；距開挖掌子面15m處布設甲烷傳感器1個；開挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱頂下設甲烷傳感器1個。隨著隧洞不斷掘進傳感器同時前移增設。

（4）洞內供電用電線路改裝

洞內供電用電線路改裝主要包括防爆變壓器進洞安裝、高壓線路進洞鋪設連接、低壓線路鋪設連接、照明線路及防爆燈具連接安裝、防爆水泵安裝及線路連接。供電系統(tǒng)采用專用變壓器、專用開關、專用線路，高壓電纜選用10KV ZR-YJLV22 3*70，由洞外10kV電力線路T接至洞內防爆變壓器KBSGZY-400/10/0.66/0.38，降壓為380V后，再由各防爆饋電開關及防爆電纜完成向各工點的供配電，固定敷設的電纜應采用鎧裝聚氯乙烯電纜；移動式或手持式電氣設備的電纜，采用專用的不延燃橡套電纜；開挖面的電纜采用銅芯。

（5）施工機械設備改裝

施工機械設備改裝委托具有機械設備防爆改裝資質的山西強力礦用設備制造有限公司進行改裝。設備改裝主要是對發(fā)動機尾氣進行處理，徹底消除排氣火焰，同時降低噴排氣溫度；對發(fā)動機溫度較高的部位用隔熱材料進行包裹，使其與外界隔離；改裝電器系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以消除電器系統(tǒng)的明火與外界接觸的機會。

（6）增設洞外瓦斯抽排系統(tǒng)

瓦斯洞段開挖工作面達到瓦斯抽放條件后，在隧洞側壁打瓦斯抽放孔擴大洞室（鉆場），洞室寬3.5m，長4m，高2.5m，采用錨噴進行支護，左右布置間距25m。抽放孔采用ZDY1900S型全液壓鉆機，每次與洞軸線不同角度打設4個抽放孔，孔深50m，孔徑Φ94mm，抽放孔連接抽采管，抽采管選用內徑Φ150mm的無縫鋼管，鋼管采用法蘭盤螺栓緊固連接，沿洞壁鋪設通過瓦斯抽放豎井延伸至洞頂外，與洞外設置瓦斯抽放泵站相連，泵站安裝2臺2BE1 253-0型水環(huán)真空瓦斯抽放泵（功率75kw、排氣量45m3/min，1臺備用），瓦斯泵的進、出氣端管道上設置防回火裝置、水封式防爆器，以及相應的瓦斯抽放監(jiān)測裝置。泵房和放空管附近設置避雷裝置，防止雷擊造成引爆。詳見《C1#主洞瓦斯洞段瓦斯抽放方案》。

施工前在C1#主洞上游瓦斯揭露工作面后方50m處（C3+173）垂直于地面施工1個Φ0.8m瓦斯抽放豎井，終孔對應隧洞頂拱部端，瓦斯抽放管路通過豎井進行洞內和地面抽放泵站進行連接。豎井兩端10m采用鋼管進行防護，井口采用8mm鋼板對進行遮蓋封閉，同時四周設置高度不小于1.8m的防護柵欄，懸掛警示標志。井底采用Φ8@50×50mm鋼筋網(wǎng)進行防護，懸掛警示標示。

（7）應急救援物資

修建洞口值班管理室共計120㎡，配備施工防護用品和應急救援物資，包括礦燈、礦用安全帽、防毒面具、消防器材、隔絕式壓縮氧氣、隔絕式化學氧氣自救器、棉質工作服。

5.2 施工專業(yè)隊伍配備

高瓦斯洞段施工因安全風險高、施工難度大、資源投入大、專業(yè)化程度高組建1支自建型架子隊，配備煤礦施工和瓦斯處理專業(yè)人員，包括專業(yè)技術服務人員、瓦斯檢測人員、瓦斯抽排人員、專業(yè)電工。施工作業(yè)前組織全體管理人員及C1#洞施工作業(yè)人員進行了方案交底和安全技術培訓交底，并組織進行瓦斯逸出事件應急演練，提高了現(xiàn)場人員對突發(fā)事故的防范及應急反應自保互保能力，學會了正確使用防護設施。

5.3 瓦斯洞段施工過程控制技術

（1）ZK1地質勘探孔瓦斯抽排情況

洞外瓦斯抽排系統(tǒng)對洞外ZK1地質勘探孔進行抽排，施工準備階段抽排40次，瓦斯抽排時間共計6598min（109.97h），瓦斯抽排量為106556m3；開挖施工過程中共抽排61次，抽排時間6115min（101.9h），瓦斯抽排量為144034.6m3。

（2）超前地質探孔施工

每循環(huán)開挖施工作業(yè)前在掌子面打設3個Φ108mm超前地質探孔（孔長38m，每循環(huán)預留搭接10m），判斷掌子面前方瓦斯逸出情況和地質圍巖情況。鉆孔過程中對瓦斯逸出量、圍巖鉆進速度進行了詳細記錄，推斷巖石變化情況、瓦斯逸出量及位置，目前已打設超前探孔8個循環(huán)，共計912m，孔內瓦斯檢測濃度26%-0.3%。

（3）超前高壓預注漿

瓦斯富集洞段每循環(huán)根據(jù)掌子面超前地質探孔及后方圍巖推測情況，利用超前探孔進行了掌子面超前高壓預注漿，共計注漿3個循環(huán)，注漿水泥55.55t。

（4）瓦斯洞段開挖掘進施工

瓦斯洞段超前地質探孔、超前高壓預注漿完成，洞外ZK1地質探孔瓦斯抽排濃度降低后，洞內作業(yè)面瓦斯?jié)舛葯z測值滿足開挖施工條件后，進行開挖掘進施工。爆破開挖施工每循環(huán)增設5個長度5m孔徑Φ42mm短超前探孔，加強通風管理，嚴格執(zhí)行“一炮三檢”，作業(yè)過程瓦檢員全程檢測，瓦斯抽排配合進行，爆破鉆眼孔內CH4濃度65%-0.3%，作業(yè)面CH4濃度控制在0.08%-0.01%。施工圍巖巖性主要是火山角礫巖、玄安巖，巖石中有黃褐色油質液體滲出。

6 技術應用結果

LXB供水工程C1#主洞出現(xiàn)了瓦斯涌出、燃燒等災害，燃燒歷時了76天。由于引水隧洞瓦斯逸出具有重度、燃燒甚至爆炸是爆炸威脅，具有破壞力強、影響巨大的特點，一旦發(fā)生，往往造成群死群傷，采取切實可行的措施，確保瓦斯防治安全，對高瓦斯深埋隧洞工程建設順利進行具有深遠的經(jīng)濟和政治意義。

7 結語

制定早預報、適排放、勤監(jiān)測、禁火源、強通風、控濃度、快支護、早封閉瓦斯隧洞施工原則和具體施工流程。基于超前探測、實時監(jiān)測（檢測）、合理抽排、注漿封堵的思想，提出了超前預探-瓦斯抽放-高壓注漿孔隙封堵瓦斯聯(lián)合處置方法，結合測取瓦斯數(shù)據(jù)，確定了優(yōu)化瓦斯洞段開挖、支護施工方案，形成了高瓦斯深埋長隧洞“探-測-排-堵”成套關鍵施工技術。實踐表明，該成套關鍵技術有效解決了高瓦斯深埋長隧洞的安全施工問題，保質保量的完成了施工任務。