長(zhǎng)大鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)實(shí)踐與研究

夏春雷

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 豐潤(rùn)，064000）

1 工程概況

當(dāng)時(shí)我國(guó)在建的最長(zhǎng)高瓦斯鐵路隧道——梅嶺關(guān)隧道是新建蘭（州）渝（重慶）鐵路全線高風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)控制性工程之一，跨越四川省廣元市昭化區(qū)石井鋪鄉(xiāng)和梅樹鄉(xiāng)，是單洞雙線隧道，總長(zhǎng)度為8270.9 m。隧道進(jìn)口和出口平導(dǎo)總長(zhǎng)4902 m。

2 瓦斯地質(zhì)環(huán)境

梅嶺關(guān)隧道穿越區(qū)域地層巖性大多是泥質(zhì)砂巖及一些砂巖，局部裂縫比較豐富，砂巖的裂縫中含大量瓦斯。隧道地質(zhì)詳細(xì)構(gòu)造和油氣田分布情況見圖1。

圖1 隧道地質(zhì)詳細(xì)構(gòu)造和油氣田分布情況

3 瓦斯等有害氣體預(yù)防措施

3.1 瓦斯超前預(yù)報(bào)勘測(cè)技術(shù)

采用非煤系地層瓦斯超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，一般按照查閱并收集資料、勘測(cè)地質(zhì)、在室內(nèi)進(jìn)行巖體實(shí)驗(yàn)、通過鉆孔測(cè)定瓦斯?jié)B出的濃度和速度等步驟，分析淺層瓦斯的源頭、測(cè)算瓦斯涌出量（圖2）[1-4]。

圖2 非煤系地層瓦斯鉆孔超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

3.1.1 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)

在梅嶺關(guān)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)通過SL-808A瓦斯檢測(cè)儀開展檢測(cè)。SL-808A瓦斯檢測(cè)儀警報(bào)區(qū)間是5~100 ppm，通過泵吸的方式，將鉆孔里的氣體吸到儀器里進(jìn)行檢測(cè)。通過該儀器，能夠在現(xiàn)場(chǎng)確定鉆孔內(nèi)是否有瓦斯外，并計(jì)算瓦斯?jié)舛取?/p>

3.1.2 瓦斯外溢初速度測(cè)定

在基礎(chǔ)條件尚未達(dá)成開展某類實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可利用大學(xué)或兄弟單位硬件資源，課前提前準(zhǔn)備，將一些實(shí)驗(yàn)課程提前錄制成微實(shí)驗(yàn)。在課堂教學(xué)中，微實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)償、理論教學(xué)的補(bǔ)充。

為精準(zhǔn)檢測(cè)非煤系圍巖里瓦斯的綜合狀態(tài)，通過深孔進(jìn)行檢測(cè)，方法為：在非煤系地層進(jìn)行超過10 m深度鉆孔以后，深入到?jīng)]有被擾動(dòng)的含瓦斯圍巖層中5 m深的距離，采用“RS-1型柔性深鉆孔瓦斯外溢初速度檢測(cè)設(shè)備”進(jìn)行瓦斯外溢初速度的檢測(cè)。[4-6]

3.1.3 分析地質(zhì)巖芯

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)鉆探登記的基礎(chǔ)上，再特別著重分析如下情況：產(chǎn)生瓦斯地層、儲(chǔ)存瓦斯層的石質(zhì)構(gòu)造、不同巖層的埋深等；裂縫或孔隙縫隙大小、形狀等；對(duì)巖層揉皺情況、斷層的寬度等地質(zhì)構(gòu)造。

3.1.4 鉆孔取樣分析研究圍巖中瓦斯的含量

可以通過圍巖的滲透率和孔隙度這兩個(gè)非常重要的參數(shù)，分析圍巖中的瓦斯特點(diǎn)以及瓦斯在地層中的分布情況。對(duì)于非煤系地層來說，圍巖自身對(duì)瓦斯沒有很強(qiáng)的吸附性。分析圍巖裂隙或孔洞的分布規(guī)律，可以更好地研究圍巖中瓦斯的含量。具體方法是：在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖芯取樣，在每個(gè)鉆孔當(dāng)中把一組瓦斯的顯示段以及儲(chǔ)存段巖樣取出后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。[7]

3.1.5 工程實(shí)踐

梅嶺關(guān)隧道在DK608+210～DK608+560段進(jìn)行施工時(shí)，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)常報(bào)警，并監(jiān)測(cè)到隧道里瓦斯?jié)舛仍跇O短時(shí)間里迅速升高。采用I16工字鋼加工成網(wǎng)格骨架并對(duì)隧道圍巖噴射混凝土，在控制圍巖的同時(shí)，全面封閉巖體。另外，采用直徑為8.9 cm、間距為150 cm的排放鉆孔，特別是對(duì)上導(dǎo)斷面采取雙層注漿管棚封堵技術(shù)，有效地阻止了瓦斯外溢，確保了施工安全。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析預(yù)警技術(shù)

瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)是隧道施工安全生產(chǎn)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分?，F(xiàn)將通風(fēng)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析預(yù)警技術(shù)介紹如下：

3.2.1 通風(fēng)方案

依照梅嶺關(guān)隧道設(shè)計(jì)情況和高瓦斯地質(zhì)現(xiàn)狀，采用巷道式分區(qū)間通風(fēng)方案，詳情為：

（1）第一步通風(fēng)方案

在距離隧道洞口前600 m區(qū)間，無論是正洞還是平導(dǎo)都選取壓入式通風(fēng)方式。為將新鮮空氣壓入隧道和平導(dǎo)，正洞口選取SDF-NO13型軸流式通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣壓入正洞隧道；平導(dǎo)進(jìn)口通過SDF-NO11.2型軸流式通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣壓入平導(dǎo)隧道，平導(dǎo)出口通過隧道施工專用的SFC-6-NO18型隧道抽出式軸流通風(fēng)機(jī)將瓦斯等有害有毒氣體抽出。9#、10#橫通道施工完畢以后，把風(fēng)門安裝在9#橫通道兩側(cè)，選用VDT32（35）-2型隔爆軸流式通風(fēng)機(jī)（局扇）在10#橫通道里加強(qiáng)通風(fēng)效果。以上方案可以最大限度地規(guī)避瓦斯等有害有毒氣體在隧道和橫通道內(nèi)積聚。

（2）第二步通風(fēng)方案

為避免瓦斯等有害有毒氣體在9#橫通道出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，在9#橫通道與正洞結(jié)合處增設(shè)一道風(fēng)門。為防止瓦斯等有害有毒氣體順著平導(dǎo)回流，加速隧道內(nèi)部空氣流動(dòng)，在10#橫通道增設(shè)（B）SSF-N011.2/37防爆射流風(fēng)機(jī)，讓瓦斯等有害有毒氣體通過正洞排出。

（3）第三步通風(fēng)方案

當(dāng)11#、12#、13#橫通道相繼進(jìn)入正洞以后，正洞和平導(dǎo)風(fēng)機(jī)依次向掌子面移動(dòng)。為提高風(fēng)流速度，增加（B）SSF-N011.2/37防爆射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在相距隧道口大約300 m的地方。此外，在正洞內(nèi)部每相隔1 km的地方位置增加一臺(tái)（B）SSFN011.2/37防爆射流風(fēng)機(jī)，讓瓦斯等有害有毒氣體加速排出洞外。

（4）第四步通風(fēng)方案

當(dāng)14#橫通道與正洞貫通以后，完成平導(dǎo)施工。然后在14#橫通道設(shè)置SDF-NO13型軸流式通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣壓入正洞隧道；平導(dǎo)進(jìn)口通過SDF-NO11.2型軸流式通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣壓入平導(dǎo)隧道，平導(dǎo)出口通過隧道施工專用的SFC-6-NO18型隧道抽出式軸流通風(fēng)機(jī)將瓦斯等有害有毒氣體抽出。

（5）第五步通風(fēng)方案

當(dāng)正洞隧道雙向洞穿以后，在14#橫通道、斜井和正洞交會(huì)處分別增加一臺(tái)（B）SSF-N011.2/37防爆射流風(fēng)機(jī)向正洞輸入新鮮空氣。

3.2.2 通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控

KJ101N型瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)由瓦斯信息采集、瓦斯信息傳輸和瓦斯信息等構(gòu)成。將監(jiān)控信號(hào)電纜無死角布置在瓦斯隧道中，通過風(fēng)速傳感器和瓦斯傳感器等對(duì)梅嶺關(guān)隧道各個(gè)施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)隧道掌子面瓦斯?jié)舛瘸^限值或者通風(fēng)機(jī)風(fēng)力小于設(shè)定值或處于停機(jī)狀態(tài)（一般規(guī)定瓦斯?jié)舛炔荒艽笥?.0 ppm，隧道里的風(fēng)速不能小于0.25 m/s）時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)立即把隧道異常情況信號(hào)傳輸?shù)桨踩O(jiān)控分站，立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)，通過配套斷電器斷開控制隧道掌子面以及回風(fēng)巷道內(nèi)配套的電源設(shè)備，供電系統(tǒng)停止送電。當(dāng)工況正常，警報(bào)解除，閉鎖也隨即解除，此時(shí)就能將供電恢復(fù)。安監(jiān)系統(tǒng)瓦斯風(fēng)電閉鎖原理詳見圖3。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)閉鎖原理

3.2.3 分析應(yīng)用效果

通過KJ101型瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析軟件[8]，與隧道里設(shè)置的空氣流動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建瓦斯隧道施工通風(fēng)在線監(jiān)測(cè)和分析預(yù)警系統(tǒng)，能夠順利完成通風(fēng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分析。構(gòu)建好此系統(tǒng)并投入使用以后，技術(shù)施工安全管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握隧道里任何一個(gè)工作面的通風(fēng)狀況。在工程施工中，通過該系統(tǒng)多次及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯超標(biāo)、風(fēng)量不足等情況，并及時(shí)進(jìn)行妥善處理，極大提升了瓦斯隧道通風(fēng)的保障性和安全性。

3.3 安全距離爆破

爆破震動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致瓦斯異常涌出，極具危險(xiǎn)性。為降低因預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致的危險(xiǎn)，采用遠(yuǎn)距離爆破方式，有利于安全施工。爆破的時(shí)候，在隧道外部設(shè)置起爆點(diǎn)，隧道內(nèi)部和隧道口嚴(yán)禁火源，隧道里關(guān)閉電源，撤離人員。完成爆破以后，必須進(jìn)行至少半小時(shí)的通風(fēng)，并進(jìn)行瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，確保安全后，才能進(jìn)入隧道掌子面繼續(xù)施工。[9]

3.4 快封閉短進(jìn)尺施工

梅嶺關(guān)隧道進(jìn)行開挖爆破以后，隧道里的瓦斯?jié)舛群腕w積會(huì)立即升高，不符合規(guī)定要求的穩(wěn)定狀態(tài)。依照圍巖中瓦斯流動(dòng)的趨勢(shì)，瓦斯?jié)舛扰c瓦斯外溢速度、工作面的進(jìn)尺、通風(fēng)狀態(tài)等綜合因素密切相關(guān)。巖層中瓦斯含量和濃度越高，進(jìn)行爆破開挖進(jìn)尺越大，那么瓦斯外溢量就越大。短進(jìn)尺舉措能夠有效降低瓦斯的涌出量。[10]

4 結(jié)論

梅嶺關(guān)高風(fēng)險(xiǎn)瓦斯隧道目前已順利通車，對(duì)于該項(xiàng)目的安全施工實(shí)踐，總結(jié)如下：為確保瓦斯隧道安全施工，必須按照“超前鉆進(jìn)行瓦斯孔探、實(shí)時(shí)對(duì)瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè)、杜絕接觸火源、強(qiáng)化通風(fēng)降低瓦斯”綜合防治瓦斯的原則，提前構(gòu)建瓦斯應(yīng)對(duì)綜合施工閉合管理體系，借助瓦斯超前預(yù)報(bào)勘測(cè)技術(shù)對(duì)瓦斯隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，掌握地層瓦斯含量和涌出情況，以此制定合理的通風(fēng)方案，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)效果，確保通風(fēng)處于最佳狀態(tài)，這是防止瓦斯事故發(fā)生最有效的防范手段。另外，在隧道開挖過程中，通過灑水、鋪石灰等辦法也能將瓦斯?jié)舛冉档?；同時(shí)，采取洞外遠(yuǎn)距離爆破，隧道掘進(jìn)采取短進(jìn)尺、快封閉方法，同樣也能有效地降低瓦斯等有毒有害氣體的危害，有效預(yù)防瓦斯事故發(fā)生。