軟弱圍巖特大斷面隧道瓦斯預(yù)測(cè)體系及防控措施研究

【摘要】

依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號(hào)隧道為工程背景，通過(guò)對(duì)瓦斯探測(cè)方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測(cè)濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案。研究結(jié)果表明，龍泉山2號(hào)隧道低瓦斯工區(qū)占隧道全長(zhǎng)約40%，高瓦斯工區(qū)占隧道全長(zhǎng)約60%。以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、TSP+地質(zhì)雷達(dá)法為主要手段、超前鉆探為輔”的瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況，同時(shí)采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強(qiáng)化通風(fēng)并結(jié)合全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全和施工正常進(jìn)行。

【關(guān)鍵詞】軟弱圍巖； 特大斷面； 公路隧道； 瓦斯預(yù)測(cè)； 防控措施

【中圖分類號(hào)】U458.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-06-26

［作者簡(jiǎn)介］王進(jìn)（1990—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事隧道工程建設(shè)管理工作。

［通信作者］陳韜（1989—），男，本科，工程師，主要從事隧道工程建設(shè)管理工作。

0 引言

諸如巖爆、大變形、突水、突泥、有毒有害氣體等地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)常給地下工程的建設(shè)帶來(lái)巨大損失［1-3］。其中，有毒有害氣體與隧道穿越地質(zhì)條件關(guān)系密切，相較而言出現(xiàn)頻率更高，而瓦斯是地下工程施工過(guò)程中最為常見(jiàn)的有毒有害氣體之一，帶來(lái)的瓦斯爆炸不僅嚴(yán)重阻礙工程進(jìn)度更是威脅作業(yè)人員生命安全［4-5］。為此，提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系及關(guān)鍵性防控措施迫在眉睫。

由此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)瓦斯隧道的建設(shè)展開(kāi)了大量研究。李志鵬等［6-7］采用數(shù)值模擬的手段對(duì)瓦斯隧道瓦斯氣體爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了瓦斯爆炸孕育機(jī)理；尹平等［8］通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)典型公路隧道瓦斯爆炸案例進(jìn)行了歸納整理，并提出了針對(duì)性的防治措施；楊義［9］依托肖家梁隧道和黃草隧道為工程背景，系統(tǒng)分析了頁(yè)巖氣地層瓦斯分布規(guī)律，提出了一套完整的瓦斯隧道安全快速施工技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了施工方案的可行性；Kang［10］提出了一種新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯檢測(cè)設(shè)備，能夠有效地檢測(cè)瓦斯?jié)舛炔l(fā)出聲音報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)測(cè)、瓦斯信息實(shí)時(shí)反饋及控制；林志斌等［11］以某一特長(zhǎng)高速公路瓦斯隧道為工程背景，提出了巷道式循環(huán)通風(fēng)方案，解決了特長(zhǎng)瓦斯公路隧道通風(fēng)難題；黃晉睿［12］提出了獨(dú)頭壓入式和巷道式通風(fēng)低瓦斯隧道通風(fēng)方案，工程實(shí)踐驗(yàn)證了通風(fēng)方案的可行性和合理性。

綜上，國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者對(duì)瓦斯隧道的瓦斯爆炸的孕育機(jī)理、施工管理、通風(fēng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了深入的研究，并取得了顯著成果，而目前專門針對(duì)軟弱圍巖特大斷面高瓦斯隧道的研究特別是瓦斯預(yù)測(cè)與防治的系統(tǒng)研究還很匱乏，提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系及關(guān)鍵性防控措施迫在眉睫。依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號(hào)隧道為工程背景，通過(guò)對(duì)瓦斯探測(cè)方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測(cè)濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案，為科學(xué)組織施工提供依據(jù)。

1 工程概況

成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號(hào)隧道進(jìn)口端為茶店鎮(zhèn)白果村，出口端為茶店鎮(zhèn)民主村，隧道設(shè)計(jì)為單洞雙向 8 車道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，隧道凈寬17.75 m ，凈高5 m，掌子面最大開(kāi)挖面積為231.4 m2，為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的特大斷面隧道。

隧道左洞起止里程為L(zhǎng)K20+935～LK23+018，左洞全長(zhǎng)2 083 m，右洞起止里程為RK20+972～RK23+070，全長(zhǎng)2 098 m。如圖1所示，隧道穿越地層巖性以中風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，圍巖等級(jí)主要為V級(jí)。

隧道位于龍泉山背斜西翼，受洛帶氣田影響較大，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)氣結(jié)果來(lái)看，有天然氣顯示鉆孔數(shù)占 100%，天然氣最大濃度高達(dá)15 665×10-6，這說(shuō)明淺層天然氣對(duì)該隧道影響明顯。從油氣構(gòu)造部位、地層巖性組合以及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試可知，本隧道施工過(guò)程中極有可能存在瓦斯涌出風(fēng)險(xiǎn)，為確保安全，施工過(guò)程中應(yīng)針對(duì)瓦斯氣體做專向施工方案。

2 特大斷面隧道瓦斯預(yù)測(cè)體系

2.1 瓦斯隧道分級(jí)

瓦斯主要成分是CH4，是易燃、易爆炸的有毒有害氣體，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)總空氣含量40%時(shí)，可令人窒息死亡。為了確保施工安全，根據(jù)隧道施工過(guò)程中瓦斯涌出量或瓦斯壓力定量將瓦斯隧道分為四級(jí)［13］，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2 瓦斯預(yù)測(cè)體系

2.2.1 預(yù)測(cè)方法

常用于隧道工程的瓦斯超前預(yù)報(bào)法包括：地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、超前鉆孔等。地質(zhì)調(diào)查分析法常用于長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)范圍一般超過(guò)200 m，主要根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)資料宏觀預(yù)測(cè)分析隧址區(qū)瓦斯分布特征，預(yù)測(cè)范圍廣，但預(yù)測(cè)精度不高；TSP和地質(zhì)雷達(dá)法用于中長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)，可對(duì)掌子面前方30～200 m范圍內(nèi)瓦斯氣體分布范圍及濃度進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)；紅外探測(cè)法和超前鉆孔常用于短距離預(yù)測(cè)，可精確預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖30 m范圍內(nèi)不良地質(zhì)具體分布特征，常用于驗(yàn)證中長(zhǎng)距離不良地質(zhì)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

結(jié)合本工程地質(zhì)條件、風(fēng)險(xiǎn)源及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，綜合采取以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、TSP+地質(zhì)雷達(dá)法為主要手段、超前鉆探為輔的瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系，如圖2所示。

2.2.2 超前瓦斯鉆探布設(shè)

超前地質(zhì)鉆探適用于隧道內(nèi)各種地質(zhì)問(wèn)題的探測(cè)預(yù)報(bào)，鉆孔孔數(shù)、間距、深度、偏角等要素應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)復(fù)雜程度和預(yù)報(bào)對(duì)象的特點(diǎn)設(shè)計(jì)確定。預(yù)報(bào)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)成果及時(shí)修改隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)并調(diào)整超前地質(zhì)鉆探設(shè)計(jì)方案。

如圖3所示，根據(jù)隧道地質(zhì)條件及瓦斯分布情況，每段面布設(shè)7個(gè)超前瓦斯鉆孔，鉆孔直徑為76 mm，鉆孔深度設(shè)計(jì)為68 m，其中孔6為水平鉆孔、孔1～孔5、孔7為傾斜鉆孔，鉆孔終孔點(diǎn)超出隧道開(kāi)挖輪廓線5 m，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長(zhǎng)度為8 m。

2.2.3 工藝流程

隧道瓦斯預(yù)測(cè)體系如圖4所示，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析法和物探法初步確定隧道掌子面前方是否存在不良地質(zhì)，再進(jìn)一步采用超前鉆孔精準(zhǔn)預(yù)測(cè)掌子面前方瓦斯分布，具體流程：

（1）開(kāi)挖卸荷后，首先對(duì)掌子面展開(kāi)地質(zhì)調(diào)查分析，并繪制掌子面素描圖，在同一地層巖性段，每間隔10 m進(jìn)行掌子面地質(zhì)素描，當(dāng)?shù)貙訋r性改變時(shí)，增加素描頻率。

（2）采用彈性波法長(zhǎng)距離初步探測(cè)隧道前方地層不良地質(zhì)特征，間隔100 m。

（3）根據(jù)彈性波法測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步采用地質(zhì)雷達(dá)法等物探法探測(cè)不良地質(zhì)分布情況，間隔30 m。

（4）若地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)測(cè)出前方的確存在不良地質(zhì)體時(shí)，進(jìn)一步采用超前鉆孔驗(yàn)證，間隔10 m。

（5）綜合分析地質(zhì)調(diào)查分析法、物探法及超前鉆孔法預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)特征，判定不良地質(zhì)體的范圍與程度。

（6）全隧道進(jìn)行瓦斯鉆孔探測(cè)時(shí)，每循環(huán)設(shè)置加深炮孔，加深3 m，拱部8個(gè)，仰供5個(gè)。

2.3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)整個(gè)隧道開(kāi)展超前瓦斯探孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道左洞LK22+220～LK23+018里程段、右洞RK22+220～ RK23+070里程段為低瓦斯工區(qū)，約占隧道總長(zhǎng)40%；隧道左洞LK20+935～LK22+220里程段、右洞RK20+ 972～RK22+220里程段為高瓦斯工區(qū)，約占隧道總長(zhǎng)60%，具體如表2所示。

3 瓦斯防爆關(guān)鍵舉措

3.1 瓦斯隧道防治基本原則

（1）隧道鉆爆作業(yè)必須嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”。

（2）高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)嚴(yán)禁采用反向裝藥。

（3）鉆孔作業(yè)應(yīng)采用濕式鉆孔。

（4）鉆爆開(kāi)挖后應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)作業(yè)，瓦斯定級(jí)越高，通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)。

（5）瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用專用變壓器， 專用開(kāi)關(guān)， 專用線路供電。

3.2 施工關(guān)鍵舉措

3.2.1 鉆爆施工控制措施

（1）炸藥選擇。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，瓦斯隧道爆破作業(yè)必須采用煤礦許用炸藥，低瓦斯工區(qū)使用安全等級(jí)二級(jí)的煤礦許用炸藥，高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)使用安全等級(jí)為三級(jí)的煤礦許用炸藥，具體如表3所示。

（2）雷管選擇。瓦斯隧道雷管宜采用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管，當(dāng)采用延期電雷管時(shí)，延期需小于130 ms。則按照規(guī)定，本工程選用1～5段的電雷管，起爆采用防爆型起爆器電力起爆。

（3）鉆孔方式。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，隧道洞內(nèi)鉆爆裝藥時(shí)采用濕式鉆孔，炮眼深度設(shè)置為0.6 m。

3.2.2 瓦斯排放

為便于隧道內(nèi)涌出的瓦斯氣體大部分排向洞外，在隧道地板左右側(cè)縱向盲管每間隔50 m設(shè)置一處水氣分離裝置，環(huán)向盲管與拱頂瓦斯排放管連通，將瓦斯等氣體分離排放至隧道出口端洞口，上端管口距拱頂 3 m以上并附防雨管帽，安裝永久性提示標(biāo)牌“瓦斯排放，20 m周圍禁止明火及易燃易爆物品”。

3.2.3 強(qiáng)化通風(fēng)

大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道、礦井等地下工程施工工程中80%出現(xiàn)瓦斯聚集現(xiàn)象是由于施工通風(fēng)不夠引起的，其中，70%瓦斯爆炸事故發(fā)生在掌子面［13］。因此，掌子面加強(qiáng)通風(fēng)是減小瓦斯聚集、降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵舉措。

隧道施工中采用6臺(tái)1XAVH-R160.200.8型軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)，軸流風(fēng)機(jī)功率為200 kW，每臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)能力為54～82 m3/s；當(dāng)隧道通過(guò)高瓦斯工區(qū)段時(shí)，增加12臺(tái)煤礦用隔爆型壓入式局部通風(fēng)機(jī)，同時(shí)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)速設(shè)置為1 m/s，以防止隧道內(nèi)瓦斯聚集，降低瓦斯?jié)舛龋瑴p小施工風(fēng)險(xiǎn)。

施工中還應(yīng)加強(qiáng)瓦斯涌出監(jiān)測(cè)，可建立隧道內(nèi)瓦斯信息網(wǎng)，配置瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋掌子面瓦斯含量，當(dāng)瓦斯含量超過(guò)應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，及時(shí)停工，撤離全部施工人員并加強(qiáng)通風(fēng)。

3.3 全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)防

本隧道全長(zhǎng)按二級(jí)瓦斯設(shè)防設(shè)計(jì)，全隧設(shè)置全封復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初支與二襯之間全環(huán)設(shè)置防水板，襯砌結(jié)構(gòu)混凝采用氣密性鋼筋混凝土。具體措施：

（1）結(jié)構(gòu)型式。隧道初期支護(hù)、二次襯砌均采用帶仰拱的封閉式復(fù)合襯砌。

（2）構(gòu)造要求。初期支護(hù)噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C25，初噴厚26～28 cm；二襯采用C40鋼筋混凝土，厚60～75 cm，抗?jié)B等級(jí)為P10。

（3）材料要求。初期支護(hù)噴射混凝土及二次襯砌混凝土均采用氣密性混凝土。其中，噴射混凝土透氣性不應(yīng)大于 10 cm/s，模筑混凝土透氣性不應(yīng)大于 11 cm/s，可選用普通硅酸鹽水泥并摻入氣密劑或防腐蝕氣密劑（一般選用TL防腐蝕氣密劑、GT-A 氣密劑、SF 高效復(fù)合氣密劑等，摻量為水泥用量的 3%～8%）。

（4）瓦斯隔離層。襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)置全封閉隔離層，防水層兼作瓦斯隔離層，瓦斯隔離層采用厚 1.5 mmEVA 防水板，其搭接長(zhǎng)度不得小于 100 mm，接縫宜采用熱熔法搭接。

現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式瓦斯檢測(cè)儀測(cè)試表明，現(xiàn)場(chǎng)施工安全一直處于可控狀態(tài)，說(shuō)明采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強(qiáng)化通風(fēng)并結(jié)合全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)，是合理可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號(hào)隧道為工程背景，通過(guò)對(duì)瓦斯探測(cè)方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測(cè)濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案，研究得到主要結(jié)論：

（1）根據(jù)瓦斯預(yù)測(cè)結(jié)果，可將龍泉山2號(hào)隧道分為低瓦斯工區(qū)和高瓦斯工區(qū)，其中，低瓦斯工區(qū)占隧道全長(zhǎng)約40%，高瓦斯工區(qū)占隧道全長(zhǎng)約60%。

（2）以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、TSP+地質(zhì)雷達(dá)法為主要手段、超前鉆探為輔”的瓦斯氣體預(yù)測(cè)體系能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況。

（3）采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強(qiáng)化通風(fēng)并結(jié)合全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

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