敞開式TBM穿越高濃度瓦斯煤層破碎帶施工技術(shù)探析

曲長海，教傳杰

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

0 引言

隨著TBM 在國內(nèi)取得越來越多的應(yīng)用，對TBM 各項(xiàng)施工技術(shù)的研究也在各領(lǐng)域廣泛開展，如茅承覺、中國鐵道建筑總公司等；也有較多對TBM 通過不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)的研究，如王夢恕、趙毅、余學(xué)敏、左立富。但TBM 穿越高濃度瓦斯氣體煤層斷層破碎帶的極端不利地質(zhì)條件的情況，此前在國內(nèi)TBM 施工中尚未遇到，也鮮有人開展該項(xiàng)研究。

1 問題分析

新疆某輸水工程隧洞采用國產(chǎn)敞開式TBM施工，2020 年 1 月 12 日 9：40，TBM 掘進(jìn)至 265+279樁號時，掌子面出現(xiàn)垮塌，設(shè)備配置的瓦斯監(jiān)測儀瞬時報(bào)警，監(jiān)測值達(dá)到114%LEL。鑒于該情況，立即停止掘進(jìn)，施工人員關(guān)閉主機(jī)電源后迅速撤離至洞外，同時加大了隧洞通風(fēng)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，以稀釋洞內(nèi)瓦斯氣體濃度。

通過對地質(zhì)資料的研究分析及地表測繪和物探檢測，基本判定目前開挖掌子面距煤層段還有20 m 左右距離，且該煤層段屬于斷層破碎帶，施工中既要控制瓦斯氣體濃度處于安全值范圍內(nèi)，又要保證TBM 刀盤不被破碎的煤渣包裹導(dǎo)致卡機(jī)，同時還需防范突涌水等情況的發(fā)生。

2 穿煤斷層破碎帶總體處理方案

由于煤層中瓦斯氣體參數(shù)、壓力、含量等均不清楚，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，因此首先對TBM 施工區(qū)域加強(qiáng)通風(fēng)以降低瓦斯氣體濃度，同時委托煤層瓦斯氣體處理的專業(yè)機(jī)構(gòu)對TBM 刀盤前方的煤層瓦斯進(jìn)行探測，確定準(zhǔn)確的煤層位置、瓦斯含量及壓力等具體參數(shù)。

在實(shí)施上述預(yù)處理措施的同時，組織召開TBM 穿越高濃度瓦斯氣體煤層斷層破碎帶專題的專家會議，確定了具體處理措施及施工方案，待瓦斯氣體濃度降低到安全值以內(nèi)并完成煤層瓦斯探測相關(guān)工作后，對掌子面前方的斷層破碎帶進(jìn)行預(yù)處理，確保TBM 設(shè)備能順利通過該特殊的不良地質(zhì)洞段。

3 高濃度瓦斯氣體處理方案

該段隧洞施工，瓦斯事故是最大的安全隱患，故施工方案從加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測、加大隧洞通風(fēng)、做好設(shè)備防護(hù)三方面預(yù)防措施入手，通過對瓦斯氣體濃度的實(shí)時監(jiān)測，控制和防止瓦斯?jié)舛瘸?，同時做好設(shè)備、人員和材料等的防爆措施。采用人工與自動相結(jié)合的瓦斯氣體濃度監(jiān)測方式，二者監(jiān)測的數(shù)值相互驗(yàn)證，從根本上杜絕瓦斯事故發(fā)生。

3.1 施工前準(zhǔn)備工作

綜合分析掌子面前方掘進(jìn)段煤層、斷層破碎帶長度及瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合現(xiàn)階段成熟的、常用的瓦斯防控技術(shù)，在TBM 開始不良地質(zhì)段施工前，重點(diǎn)開展以下施工準(zhǔn)備工作：

1）完善隧洞通風(fēng)設(shè)備的供電系統(tǒng)，達(dá)到獨(dú)立專用雙電源回路，確保隧洞通風(fēng)24 h。

2）在已施工洞段的瓦斯檢測報(bào)警系統(tǒng)中增加風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖裝置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、電、瓦斯三閉鎖。

3）在瓦斯檢測報(bào)警、風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖系統(tǒng)工作正常，以及工作面任意區(qū)域瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%以下，方可開始進(jìn)行瓦斯氣體處理。

3.2 瓦斯氣體超前探測

3.2.1 孔位設(shè)計(jì)及布置

由于無法通過TBM 刀盤對掌子面正前方進(jìn)行鉆孔，只能在TBM 護(hù)盾后側(cè)與隧洞開挖軸線形成一定外傾角的斜上方鉆設(shè)探測孔，瓦斯探測孔設(shè)計(jì)為四周鉆孔。具體分區(qū)及布孔情況如下：

1）分區(qū)。設(shè)計(jì)鉆設(shè)的瓦斯探測孔分為3 個區(qū)，其中1 號及2 號區(qū)是為了探明已揭露洞段煤層及瓦斯氣體含量情況，3 號區(qū)是為了探明掌子面前方20 m 洞段的煤層及瓦斯氣體含量情況。

2）布孔。每個區(qū)超前探測孔布設(shè)的環(huán)向孔距為1.0 m，孔深按穿過煤層10.0～15.0 m 考慮，外傾角控制在5°～15°，每孔孔深控制在60.0～80.0 m，具體孔深根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際鉆孔情況確定。由于受現(xiàn)場TBM 設(shè)備及已支設(shè)的鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、鋼筋排和錨桿等的影響，具體孔距、傾角等需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整。

3.2.2 探測孔施工順序

根據(jù)探測孔分區(qū)及現(xiàn)場實(shí)際情況，其施工順序如下：

1）先進(jìn)行3 號區(qū)探測鉆孔施工，再進(jìn)行 1 號及2 號區(qū)探測鉆孔施工，鉆孔直徑為89 mm。

2）每個區(qū)先鉆設(shè)頂部及底部探測孔2 個，鉆孔完成后，進(jìn)行孔口封堵及安裝測壓管、球閥、壓力表，準(zhǔn)確記錄讀數(shù)值。視煤層瓦斯壓力及透氣性的不同，其觀測時間一般在20～30 d 之間，如果壓力變化在3 d 內(nèi)小于0.015 MPa，測壓工作即可結(jié)束；否則，應(yīng)延長測壓時間。

3）根據(jù)瓦斯壓力測定情況決定是否進(jìn)行其他探測孔施工，若瓦斯壓力較大（煤層原始瓦斯壓力P≥0.74 MPa），需繼續(xù)進(jìn)行其他探測孔施工，同樣按照環(huán)向間距1.0 m 實(shí)施鉆孔；若瓦斯壓力較小，則在隧洞周邊再分別實(shí)施2 個探測孔，進(jìn)一步確定是否存在瓦斯，若壓力仍很小，則結(jié)束探測鉆孔施工。

4）鉆孔施工過程中，作業(yè)區(qū)應(yīng)設(shè)置兩部以上瓦斯氣體檢測儀，并安排專人定時進(jìn)行檢測，做好記錄。探測鉆孔工作面10.0 m 以內(nèi)瓦斯?jié)舛却笥?%，且TBM 設(shè)備任意帶電處瓦斯?jié)舛却笥?.5%時，應(yīng)停工、停電，加強(qiáng)通風(fēng)。當(dāng)洞內(nèi)任意處測定的瓦斯?jié)舛染呀档偷叫∮?.5%時，方可恢復(fù)探測鉆孔施工。

5）探測孔施工前，必須做好防止孔內(nèi)突涌水的一切準(zhǔn)備工作。鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)煤層變松軟、坍塌或出現(xiàn)孔內(nèi)水量、水壓突增的情況，必須馬上停鉆，但不得拔出鉆桿。安排專人監(jiān)控水情變化，待水壓、水量接近穩(wěn)定極值后，方可繼續(xù)施鉆；如水量、水壓持續(xù)不變或有增大趨勢，則需要對該孔采取封堵措施。

3.3 瓦斯排放措施

3.3.1 瓦斯稀釋排放

根據(jù)瓦斯鉆孔探測情況，若瓦斯?jié)B出量較小時（小于1 m3/min），可通過加大隧洞通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓的方式，將瓦斯氣體稀釋，隨隧洞回風(fēng)自然排放至洞外，排放過程中需嚴(yán)格按照要求加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測，待瓦斯?jié)舛刃∮?.3%時方可恢復(fù)施工。

3.3.2 瓦斯抽放

若瓦斯?jié)B出量較大時（大于1 m3/min），僅靠通風(fēng)稀釋排除難以將瓦斯?jié)舛冉档偷皆试S范圍內(nèi)時，可用抽放的方法排除瓦斯。該工程在瓦斯處理過程中，瓦斯?jié)B出量通過施工通風(fēng)進(jìn)行自然排放即達(dá)到濃度小于0.3%的要求，因此未采取抽放措施。

4 穿越煤層破碎帶處理措施

在TBM 穿越煤層破碎帶段時，可以按照TBM通過軟巖不良地質(zhì)段掘進(jìn)的方法進(jìn)行施工，主要采用以下措施：

1）掘進(jìn)開挖遵循“小推力、低轉(zhuǎn)速、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、初期支護(hù)務(wù)必一次到位”的原則進(jìn)行施工。

2）TBM 掘進(jìn)期間及時調(diào)整姿態(tài)，避免TBM在軟弱不均勻的地層中掘進(jìn)時機(jī)頭下沉。

3）遇隧洞洞壁承載力過低、無法提供撐靴支撐反力時，可在撐靴處采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、鋼拱架間封薄鐵板灌注混凝土等一種或多種方法聯(lián)合支護(hù)的方式，對撐靴部位洞壁進(jìn)行處理后再掘進(jìn)通過。

4）針對掌子面前方的破碎圍巖及出現(xiàn)的塌腔，可采用“通過瓦斯探測孔施做超前管棚”“先加固后通過”等施工措施進(jìn)行超前處理。為了防止塌腔進(jìn)一步擴(kuò)大，可分為加固區(qū)、塌方區(qū)兩個區(qū)段，對于加固區(qū)可采用化學(xué)灌漿、回填輕質(zhì)混凝土、水泥固結(jié)灌漿；對于塌方區(qū)可采用超前管棚、密排鋼拱架、鋼筋排、巖面初噴混封閉、鋼板封閉澆筑混凝土、噴混（預(yù)留回填混凝土管及灌漿管）、回填混凝土、回填灌漿支護(hù)方法組合的方式進(jìn)行處理，如示意圖1 所示。

圖1 塌腔處理示意圖

通過采取上述處理措施，新疆某輸水工程TBM設(shè)備順利通過不良地質(zhì)段，未出現(xiàn)設(shè)備在煤層破碎帶不良地質(zhì)段內(nèi)卡機(jī)或其它事故發(fā)生的情況。

5 防爆措施

1）做好瓦斯超前預(yù)報(bào)。TBM 掘進(jìn)前首先進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)，結(jié)合超前鉆機(jī)在掌子面前方打長、短超前探測孔，檢測瓦斯?jié)舛?，由專業(yè)人員分析瓦斯?fàn)顟B(tài)及規(guī)律，以指導(dǎo)瓦斯治理工作。

2）強(qiáng)化瓦斯的檢測、監(jiān)測工作。完善檢測監(jiān)測設(shè)備，健全檢測監(jiān)測管理制度，將瓦斯檢測工作作為施工工序中的必要一環(huán)進(jìn)行管理。

3）高瓦斯段隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)。重新進(jìn)行隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算，通風(fēng)方案必須滿足稀釋洞內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)并及時排出洞外的要求，風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在洞口外新鮮空氣環(huán)境中，至洞口距離不得小于20 m。

4）瓦斯排放。當(dāng)瓦斯涌出較小時，可采用壓入式通風(fēng)的方法解決；當(dāng)瓦斯涌出較大時，可采用壓入式通風(fēng)與瓦斯氣體抽排相結(jié)合的方法進(jìn)行處理。

5）TBM 電氣設(shè)備改造。在含瓦斯氣體洞段，應(yīng)使用具有隔爆功能的電器設(shè)備外殼密封，有效地將電器設(shè)備內(nèi)部與外部隔絕，設(shè)備內(nèi)部即使產(chǎn)生電弧、火花也不會引爆設(shè)備外部的瓦斯氣體，從而達(dá)到防爆的目的。防爆設(shè)備元件主要以電氣和液壓設(shè)備為主。在電氣設(shè)備及控制柜周圍增加通風(fēng)管路，保證其附近有足夠的風(fēng)量，能稀釋、降低周圍的瓦斯氣體濃度，使其低于燃爆濃度。

6）完善安全保證體系、應(yīng)急預(yù)案。完善高濃度瓦斯氣體煤層斷層破碎帶施工安全技術(shù)保證措施，制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案。加強(qiáng)機(jī)械及電氣設(shè)備管理，按照作業(yè)規(guī)程進(jìn)行操作。

7）進(jìn)洞設(shè)備。進(jìn)洞設(shè)備采用防爆型，可對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，不能改造的重新購置專用防爆型設(shè)備，防爆設(shè)備必須經(jīng)過專業(yè)認(rèn)證才能進(jìn)洞作業(yè)。

8）進(jìn)洞人員服裝。進(jìn)洞人員嚴(yán)禁穿著易產(chǎn)生靜電的化纖類衣服，人員防護(hù)用品及定位卡等按規(guī)定配置。

9）備用電源。備用電源必須滿足通風(fēng)、照明、排水的需要。洞口配備1 臺1 000 kVA 的發(fā)電機(jī)，線路連接至雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，作為備用電源，供電線路停電后，能夠在15 min 內(nèi)啟動發(fā)電機(jī)，恢復(fù)通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

10）增加噴射混凝土厚度。加強(qiáng)巖面清洗，噴射混凝土應(yīng)密實(shí)，噴射混凝土厚度增加5 cm。

6 結(jié)語

針對長距離、大直徑的隧洞采用TBM 掘進(jìn)施工，在TBM 掘進(jìn)臨近富含瓦斯氣體的地層中，會增加TBM 的施工難度，嚴(yán)重時甚至造成設(shè)備損壞、人員傷亡等事故，在施工中必須高度重視、加強(qiáng)管控，確保施工安全。

工程在穿越煤層斷層破碎帶過程中，經(jīng)常出現(xiàn)TBM 主機(jī)區(qū)域瓦斯氣體含量超過安全值而導(dǎo)致停機(jī)進(jìn)行瓦斯強(qiáng)制排放的情況發(fā)生，設(shè)備掘進(jìn)效率極低。按照施工前制定的TBM 施工穿越含瓦斯的煤層破碎帶的施工方案，歷經(jīng)7 個月的艱苦努力，TBM 終于安全、順利地通過了僅58 m 的含瓦斯煤層斷層破碎帶。

總結(jié)該施工技術(shù)方案及施工經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)應(yīng)做好以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)的把控：

1）采用鉆孔的方式提前進(jìn)行瓦斯氣體探測，確定瓦斯氣體參數(shù)、壓力和濃度，對施工方案制訂至關(guān)重要。

2）做好施工過程中的瓦斯檢測與控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、電、瓦斯三閉鎖，以及人工、自動測量數(shù)據(jù)相互認(rèn)證，確保系統(tǒng)可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安全有效。

3）采取適當(dāng)措施進(jìn)行瓦斯氣體的排放處理，確保TBM 設(shè)備上所有工作部位的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%以下。

4）多方式組合的加強(qiáng)初期支護(hù)施工，確保TBM安全掘進(jìn)通過極破碎、軟弱的煤層斷層破碎帶。

5）施工過程中全方位、多角度、無死角地加強(qiáng)防爆管控，確保施工全過程安全、可控。

隨著TBM 在國內(nèi)越來越多的取得應(yīng)用，TBM施工中遭遇各種各樣的不良地質(zhì)條件的情況將越來越多地發(fā)生，該施工方法對后續(xù)類似地質(zhì)條件的TBM 施工，具有一定的借鑒意義。