瓦斯地層中鐵路隧道爆破施工技術(shù)

王明慧，楊琨，張忠愛(ài)，張橋，蔣樹(shù)平

（1.渝黔鐵路有限責(zé)任公司，重慶400014；2.西南交通大學(xué)，四川成都610031；3.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶401121）

瓦斯地層中鐵路隧道爆破施工技術(shù)

王明慧1，2，楊琨3，張忠愛(ài)3，張橋1，蔣樹(shù)平1

（1.渝黔鐵路有限責(zé)任公司，重慶400014；2.西南交通大學(xué)，四川成都610031；3.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶401121）

鐵路瓦斯突出隧道具有高風(fēng)險(xiǎn)性，爆破施工質(zhì)量安全要求高，目前施工經(jīng)驗(yàn)較少。渝黔鐵路天坪隧道瓦斯突出工區(qū)存在開(kāi)挖斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜、煤與瓦斯突出等重難點(diǎn)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)尤其是爆破安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。施工中選用三臺(tái)階開(kāi)挖工法，合理劃分爆破斷面，選用煤礦許用爆破器材，優(yōu)化爆破參數(shù)和爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并總結(jié)了一套瓦斯突出隧道爆破施工技術(shù)，取得了較好的爆破效果，可供類(lèi)似工程借鑒。

瓦斯突出隧道；爆破；施工技術(shù)

1　工程概況

渝黔鐵路天坪隧道位于貴州省北部地區(qū)，全長(zhǎng)13.978km，地質(zhì)條件復(fù)雜，集巖溶、瓦斯突出、有害氣體、高地應(yīng)力、高地溫、突泥涌水等不良地質(zhì)條件于一體，為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道［1］。其中天坪隧道橫洞工區(qū)煤系地層段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層受F12斷層影響嚴(yán)重，煤層分布不均，厚度變化較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆孔資料顯示，區(qū)段內(nèi)隧道連續(xù)通過(guò)3層煤，平均厚度分別為1.3，2.4，3.6m，最大瓦斯含量為13.9m3/t，瓦斯壓力1.3MPa，屬瓦斯突出工區(qū)。在該區(qū)域施工主要包括以下幾方面風(fēng)險(xiǎn)：①雖經(jīng)過(guò)瓦斯抽排，但鐵路隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛纫廊惠^高，施工炮眼時(shí)，孔口瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到10%，施工風(fēng)險(xiǎn)巨大；②鐵路隧道開(kāi)挖斷面較大，遠(yuǎn)超過(guò)煤礦巷道。根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120—2002）［2］要求，必須采用礦用電雷管和礦用炸藥，其特性決定了在大斷面巖層爆破應(yīng)用中的難度；③瓦斯環(huán)境下嚴(yán)禁動(dòng)火作業(yè)，大量鋼支撐結(jié)構(gòu)施工難度也較大。

目前鐵路瓦斯突出隧道爆破施工經(jīng)驗(yàn)較少，以往通常參照煤礦經(jīng)驗(yàn)施工，同時(shí)由于施工過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)性，因此一直是鐵路隧道施工領(lǐng)域中的重難點(diǎn)問(wèn)題。本文通過(guò)渝黔鐵路天坪隧道的實(shí)踐，探索適合鐵路瓦斯突出隧道的爆破施工技術(shù)，可為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

2　施工方法

2.1工法選取

根據(jù)TB10120—2002要求，瓦斯隧道必須采用礦用電雷管和礦用炸藥，并且電雷管最后一段的延時(shí)≤130ms，這不利于大斷面爆破網(wǎng)絡(luò)布置；同時(shí)，由于礦用炸藥猛度、爆力、爆速均較小，在相對(duì)較硬的巖層中爆破效果并不理想［3］。為確保絕對(duì)安全，鐵路隧道施工應(yīng)采用小斷面爆破的方式進(jìn)行開(kāi)挖，不宜大斷面爆破。

將大斷面劃分為小斷面進(jìn)行開(kāi)挖的工法包括臺(tái)階法、導(dǎo)洞法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法等。在煤層瓦斯環(huán)境下，不宜過(guò)多擾動(dòng)地層，更要避免對(duì)支撐防護(hù)體系的重復(fù)拆裝。因此，采用三臺(tái)階法施工是最合適的選擇。

2.2施工方法

在對(duì)煤層及瓦斯情況充分探明、采取有效消突措施并經(jīng)驗(yàn)證合格的前提下，采用三臺(tái)階七部開(kāi)挖法不斷向前掘進(jìn)（見(jiàn)圖1）。上臺(tái)階高3.9m，中臺(tái)階高3.0m，下臺(tái)階高3.3m，中、下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3榀拱架。在巖層中掘進(jìn)時(shí)可三個(gè)臺(tái)階同時(shí)爆破，在石門(mén)揭煤及半煤半巖段則各臺(tái)階分別掘進(jìn)通過(guò)煤層。

圖1　三臺(tái)階七部開(kāi)挖法示意

3　爆破技術(shù)

3.1爆破設(shè)計(jì)

煤系地層段爆破作業(yè)采用3級(jí)煤礦許用含水炸藥及礦用毫秒延期電雷管、電力起爆器起爆（隧道外起爆），雷管選用1～5段毫秒延期電雷管，最后一段的延期時(shí)間≤130ms，周邊炮孔間距取40～50cm，抵抗線取50～70cm。

正洞采用三臺(tái)階分部開(kāi)挖，分部揭開(kāi)。爆破參數(shù)為：正洞揭煤段圍巖為Ⅴ級(jí)，主要為黏土巖、砂巖、硅質(zhì)巖、灰?guī)r，呈碎石角礫狀，穩(wěn)定性一般，中硬～堅(jiān)硬，揭煤前進(jìn)尺為0.8～1.2m，揭石門(mén)時(shí)進(jìn)尺2m，炮眼直徑為45mm（用φ42mm一字鉆頭）。

根據(jù)煤礦施工相關(guān)規(guī)定，并參考家竹箐隧道爆破方案［4］，爆破參數(shù)計(jì)算如下述。

1）炮眼總數(shù)N計(jì)算

式中：S為掘進(jìn)斷面面積，m2；f為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)，f=4～6。

取S=34.6m2，f=6，可得N=107

2）單位裝藥量q計(jì)算

式中：Km為煤層厚度影響系數(shù)。

取Km=0.95，可得q=0.96kg/m3

3）總裝藥量Q計(jì)算

式中：Lcp為一次爆破的炮眼平均深度，m。

取Lcp=1.06m，可得Q=35.2kg

其它部分計(jì)算按上臺(tái)階施工方法計(jì)算。炮眼布置及裝藥方式見(jiàn)表1和圖2、圖3。

表1　正洞煤系地層爆破參數(shù)

3.2爆破方法

1）鉆孔時(shí)參照爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行打設(shè)。當(dāng)鉆孔位置與瓦斯抽排孔沖突時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置，避開(kāi)瓦斯抽排孔，若鉆孔穿透抽排孔時(shí)采用炮泥或錨固劑將穿孔處封堵。炮眼數(shù)目參照正常段2.5倍進(jìn)行打設(shè)［5］，施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)，以達(dá)到較好的爆破效果。

2）爆破采用電雷管串聯(lián)連線，正向裝藥微差起爆；炮眼全部采用連續(xù)裝藥，孔口至藥卷間空隙用炮泥塞滿，中間不得有空洞。煤系地層爆破網(wǎng)絡(luò)連接示意見(jiàn)圖4。

圖2　煤系地層炮眼布置（單位：cm）

圖3　煤系地層炮眼裝藥示意

圖4　煤系地層爆破網(wǎng)絡(luò)連接示意

3）揭煤時(shí)根據(jù)鉆孔探明的煤層位置及時(shí)調(diào)整爆破進(jìn)尺及鉆孔深度，以防止誤揭煤或預(yù)留巖柱厚度＜2m。

4）嚴(yán)格按照“邊探邊掘”的方法進(jìn)行揭煤施工，鉆孔時(shí)必須在開(kāi)挖面左、中、右側(cè)打設(shè)不少于3個(gè)超前炮孔，防止誤揭煤。

5）揭石門(mén)時(shí)，掘進(jìn)工作面與煤層之間必須保持一定的巖柱，其最小垂直厚度≥2m，遇巖石松軟、破碎，還要適當(dāng)增加巖柱厚度。

6）嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”及“三人聯(lián)鎖”爆破制度［6-8］，即鉆孔前、裝藥前及爆破后由瓦斯檢測(cè)人員檢查，瓦斯超限時(shí)嚴(yán)禁作業(yè)；爆破時(shí)由瓦斯檢測(cè)人員、爆破員及開(kāi)挖班組負(fù)責(zé)人三人配合進(jìn)行爆破作業(yè)，過(guò)程中由安全員監(jiān)督。爆破作業(yè)使用煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管，不合格或變質(zhì)的炸藥不準(zhǔn)使用。

7）采用濕式鉆孔，炮眼深度≥0.6m，所有炮眼都要在炸藥與封泥間裝1～2個(gè)水炮泥，采用正向連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)裝藥，藥卷至孔口之間空隙必須用封泥密實(shí)地封堵。

8）放炮毫秒雷管最后一段的延期時(shí)間不得超過(guò)130ms，且不得跳段使用。電雷管使用前必須進(jìn)行電阻值測(cè)定，選用電阻值相近的。電雷管的連接采用串并聯(lián)方式，但都必須使通過(guò)每一根電雷管的電流達(dá)到電雷管的引爆電流的2倍。放炮母線必須采用專(zhuān)用電線，并盡可能地減少接頭，以減小放炮母線的電阻。

9）放炮時(shí)，回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備必須切斷電源；工作面有獨(dú)立可靠的回風(fēng)系統(tǒng)，并保證回風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流暢通。

10）放炮地點(diǎn)設(shè)在洞外，洞內(nèi)停止所有施工，所有施工作業(yè)人員撤至洞外，并同時(shí)停電，然后進(jìn)行爆破作業(yè)。

11）放炮由生產(chǎn)經(jīng)理統(tǒng)一指揮，技術(shù)、安全部門(mén)協(xié)助配合，并由礦山救護(hù)隊(duì)在洞口值班。放炮后至少通風(fēng)30min，然后根據(jù)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供信息，由礦山救護(hù)人員進(jìn)入工作面檢查。根據(jù)檢查結(jié)果，確定采取恢復(fù)送電、通風(fēng)、排除瓦斯等具體措施。

12）在隧道揭穿煤層和煤層掘進(jìn)的全過(guò)程中，對(duì)圍巖進(jìn)行超前大管棚及注漿加固。

13）爆破前打開(kāi)灑水噴淋系統(tǒng)，以降低爆破粉塵，爆破后出砟前對(duì)砟體進(jìn)行灑水，防止出砟時(shí)產(chǎn)生火花。

14）開(kāi)挖工作面附近20m內(nèi)，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨殻?.5%；通風(fēng)風(fēng)量足，風(fēng)向穩(wěn)定。炮眼內(nèi)巖粉清除干凈。禁止使用明接頭或裸露的爆破母線。爆破母線與發(fā)爆器的連接要牢固，以防止產(chǎn)生電火花。

15）電雷管與起爆母線及雷管間接頭處必須連接牢固，并采用絕緣膠布包扎好，防止腳線外露，同時(shí)防止腳線與巖壁接觸增加電阻，影響爆破效果。同一段位的雷管連接好后及時(shí)測(cè)量雷管的導(dǎo)通性，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)檢查修正，全部網(wǎng)絡(luò)連好后再測(cè)1次，并測(cè)量總電阻值，保證網(wǎng)絡(luò)總電阻≤700Ω。

4　結(jié)語(yǔ)

鐵路瓦斯突出隧道爆破施工經(jīng)驗(yàn)較少，同時(shí)存在高風(fēng)險(xiǎn)性，一直是鐵路隧道施工領(lǐng)域中的重難點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)渝黔鐵路天坪隧道的實(shí)踐，嚴(yán)格按照爆破方案進(jìn)行施工管理，煤層爆破施工300余次，成功穿越340m瓦斯突出煤系地層，達(dá)到了預(yù)期效果，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，可為類(lèi)似工程提供借鑒。

［1］王明慧，魯軍良，楊仁春.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在天坪隧道施工中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2014（3）：30-32.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10120—2002鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［3］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局及國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局第16號(hào)令煤礦安全規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

［4］姚振武.高瓦斯隧道施工指南——以家竹箐隧道為例［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］丁睿.瓦斯隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［6］張立坤，馬福民.隧道施工高瓦斯防治指南［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［7］陸春昌，林發(fā)榮.爆破施工［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2010.

［8］雷升祥.瓦斯隧道施工技術(shù)與管理［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

AbstractRailway tunnel in gas stratum often has a high risk，which means the safety of blasting construction quality is needed，but there are less construction experience at present.T ianping tunnel of Chongqing-Guizhou railway has such construction difficulties as large excavation cross section，complex geological conditions，and coal and gas outburst in gas outburst area，which cause a huge construction safety risk，especially the blasting safety risk. T he tri-bench excavation method was used in construction for rational division of blasting section，selection of permissible coal mine blasting equipments，and optimization of blasting parameters and blasting network design，which has achieved a good blasting effect.Blasting construction technology for gas outburst tunnel was concluded in this paper and would provide a reference for similar projects.

KeywordsT unnel in gas stratum；Blasting；Construction technology

（責(zé)任審編周彥彥）

Blasting Construction Technology for Railway Tunnel in Gas Stratum

WANG Minghui1，2，YANG Kun3，ZHANG Zhongai3，ZHANG Qiao1，JIANG Shuping1
（1.Chongqing Guizhou Railway Limited Liability Company，Chongqing 400014，China；2.Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；3.China Railway Tunnel Group 1st Department Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China）

U458.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.20

1003-1995（2016）04-0076-04

2015-10-15；

2016-01-07

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃（cstc2012gg-yyjs30002）

王明慧（1964—），男，教授級(jí)高工，博士。