敞開式TBM穿越高濃度瓦斯煤層破碎帶施工技術探析

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 在國內取得越來越多的應用，對TBM 各項施工技術的研究也在各領域廣泛開展，如茅承覺、中國鐵道建筑總公司等；也有較多對TBM 通過不良地質洞段施工技術的研究，如王夢恕、趙毅、余學敏、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條件的情況，此前在國內TBM 施工中尚未遇到，也鮮有人開展該項研究。

1 問題分析

新疆某輸水工程隧洞采用國產敞開式TBM施工，2020 年 1 月 12 日 9：40，TBM 掘進至 265+279樁號時，掌子面出現垮塌，設備配置的瓦斯監測儀瞬時報警，監測值達到114%LEL。鑒于該情況，立即停止掘進，施工人員關閉主機電源后迅速撤離至洞外，同時加大了隧洞通風風機的送風量，以稀釋洞內瓦斯氣體濃度。

通過對地質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，又要保證TBM 刀盤不被破碎的煤渣包裹導致卡機，同時還需防范突涌水等情況的發生。

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、壓力、含量等均不清楚，存在較大風險，因此首先對TBM 施工區域加強通風以降低瓦斯氣體濃度，同時委托煤層瓦斯氣體處理的專業機構對TBM 刀盤前方的煤層瓦斯進行探測，確定準確的煤層位置、瓦斯含量及壓力等具體參數。

在實施上述預處理措施的同時，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并完成煤層瓦斯探測相關工作后，對掌子面前方的斷層破碎帶進行預處理，確保TBM 設備能順利通過該特殊的不良地質洞段。

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，故施工方案從加強瓦斯監測、加大隧洞通風、做好設備防護三方面預防措施入手，通過對瓦斯氣體濃度的實時監測，控制和防止瓦斯濃度超限，同時做好設備、人員和材料等的防爆措施。采用人工與自動相結合的瓦斯氣體濃度監測方式，二者監測的數值相互驗證，從根本上杜絕瓦斯事故發生。

3.1 施工前準備工作

綜合分析掌子面前方掘進段煤層、斷層破碎帶長度及瓦斯風險，結合現階段成熟的、常用的瓦斯防控技術，在TBM 開始不良地質段施工前，重點開展以下施工準備工作：

1）完善隧洞通風設備的供電系統，達到獨立專用雙電源回路，確保隧洞通風24 h。

2）在已施工洞段的瓦斯檢測報警系統中增加風電閉鎖、瓦斯電閉鎖裝置，實現風、電、瓦斯三閉鎖。

3）在瓦斯檢測報警、風電閉鎖、瓦斯電閉鎖系統工作正常，以及工作面任意區域瓦斯濃度穩定在0.3%以下，方可開始進行瓦斯氣體處理。

3.2 瓦斯氣體超前探測

3.2.1 孔位設計及布置

由于無法通過TBM 刀盤對掌子面正前方進行鉆孔，只能在TBM 護盾后側與隧洞開挖軸線形成一定外傾角的斜上方鉆設探測孔，瓦斯探測孔設計為四周鉆孔。具體分區及布孔情況如下：

1）分區。設計鉆設的瓦斯探測孔分為3 個區，其中1 號及2 號區是為了探明已揭露洞段煤層及瓦斯氣體含量情況，3 號區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。每個區超前探測孔布設的環向孔距為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，具體孔深根據現場實際鉆孔情況確定。由于受現場TBM 設備及已支設的鋼筋網、鋼拱架、鋼筋排和錨桿等的影響，具體孔距、傾角等需根據現場實際情況進行隨機調整。

3.2.2 探測孔施工順序

根據探測孔分區及現場實際情況，其施工順序如下：

1）先進行3 號區探測鉆孔施工，再進行 1 號及2 號區探測鉆孔施工，鉆孔直徑為89 mm。

2）每個區先鉆設頂部及底部探測孔2 個，鉆孔完成后，進行孔口封堵及安裝測壓管、球閥、壓力表，準確記錄讀數值。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 內小于0.015 MPa，測壓工作即可結束；否則，應延長測壓時間。

3）根據瓦斯壓力測定情況決定是否進行其他探測孔施工，若瓦斯壓力較大（煤層原始瓦斯壓力P≥0.74 MPa），需繼續進行其他探測孔施工，同樣按照環向間距1.0 m 實施鉆孔；若瓦斯壓力較小，則在隧洞周邊再分別實施2 個探測孔，進一步確定是否存在瓦斯，若壓力仍很小，則結束探測鉆孔施工。

4）鉆孔施工過程中，作業區應設置兩部以上瓦斯氣體檢測儀，并安排專人定時進行檢測，做好記錄。探測鉆孔工作面10.0 m 以內瓦斯濃度大于1%，且TBM 設備任意帶電處瓦斯濃度大于0.5%時，應停工、停電，加強通風。當洞內任意處測定的瓦斯濃度均已降低到小于0.5%時，方可恢復探測鉆孔施工。

5）探測孔施工前，必須做好防止孔內突涌水的一切準備工作。鉆孔施工過程中，如發現煤層變松軟、坍塌或出現孔內水量、水壓突增的情況，必須馬上停鉆，但不得拔出鉆桿。安排專人監控水情變化，待水壓、水量接近穩定極值后，方可繼續施鉆；如水量、水壓持續不變或有增大趨勢，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

根據瓦斯鉆孔探測情況，若瓦斯滲出量較小時（小于1 m3/min），可通過加大隧洞通風風量和風壓的方式，將瓦斯氣體稀釋，隨隧洞回風自然排放至洞外，排放過程中需嚴格按照要求加強瓦斯監測，待瓦斯濃度小于0.3%時方可恢復施工。

3.3.2 瓦斯抽放

若瓦斯滲出量較大時（大于1 m3/min），僅靠通風稀釋排除難以將瓦斯濃度降低到允許范圍內時，可用抽放的方法排除瓦斯。該工程在瓦斯處理過程中，瓦斯滲出量通過施工通風進行自然排放即達到濃度小于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通過軟巖不良地質段掘進的方法進行施工，主要采用以下措施：

1）掘進開挖遵循“小推力、低轉速、早封閉、強支護、初期支護務必一次到位”的原則進行施工。

2）TBM 掘進期間及時調整姿態，避免TBM在軟弱不均勻的地層中掘進時機頭下沉。

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、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合支護的方式，對撐靴部位洞壁進行處理后再掘進通過。

4）針對掌子面前方的破碎圍巖及出現的塌腔，可采用“通過瓦斯探測孔施做超前管棚”“先加固后通過”等施工措施進行超前處理。為了防止塌腔進一步擴大，可分為加固區、塌方區兩個區段，對于加固區可采用化學灌漿、回填輕質混凝土、水泥固結灌漿；對于塌方區可采用超前管棚、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（預留回填混凝土管及灌漿管）、回填混凝土、回填灌漿支護方法組合的方式進行處理，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設備順利通過不良地質段，未出現設備在煤層破碎帶不良地質段內卡機或其它事故發生的情況。

5 防爆措施

1）做好瓦斯超前預報。TBM 掘進前首先進行地質雷達超前預報，結合超前鉆機在掌子面前方打長、短超前探測孔，檢測瓦斯濃度，由專業人員分析瓦斯狀態及規律，以指導瓦斯治理工作。

2）強化瓦斯的檢測、監測工作。完善檢測監測設備，健全檢測監測管理制度，將瓦斯檢測工作作為施工工序中的必要一環進行管理。

3）高瓦斯段隧洞通風設計。重新進行隧洞通風設計計算，通風方案必須滿足稀釋洞內瓦斯濃度達到設計允許范圍以內并及時排出洞外的要求，風機應安裝在洞口外新鮮空氣環境中，至洞口距離不得小于20 m。

4）瓦斯排放。當瓦斯涌出較小時，可采用壓入式通風的方法解決；當瓦斯涌出較大時，可采用壓入式通風與瓦斯氣體抽排相結合的方法進行處理。

5）TBM 電氣設備改造。在含瓦斯氣體洞段，應使用具有隔爆功能的電器設備外殼密封，有效地將電器設備內部與外部隔絕，設備內部即使產生電弧、火花也不會引爆設備外部的瓦斯氣體，從而達到防爆的目的。防爆設備元件主要以電氣和液壓設備為主。在電氣設備及控制柜周圍增加通風管路，保證其附近有足夠的風量，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、應急預案。完善高濃度瓦斯氣體煤層斷層破碎帶施工安全技術保證措施，制定專項應急預案。加強機械及電氣設備管理，按照作業規程進行操作。

7）進洞設備。進洞設備采用防爆型，可對現有設備進行改造，不能改造的重新購置專用防爆型設備，防爆設備必須經過專業認證才能進洞作業。

8）進洞人員服裝。進洞人員嚴禁穿著易產生靜電的化纖類衣服，人員防護用品及定位卡等按規定配置。

9）備用電源。備用電源必須滿足通風、照明、排水的需要。洞口配備1 臺1 000 kVA 的發電機，線路連接至雙電源自動轉換開關，作為備用電源，供電線路停電后，能夠在15 min 內啟動發電機，恢復通風機正常運行。

10）增加噴射混凝土厚度。加強巖面清洗，噴射混凝土應密實，噴射混凝土厚度增加5 cm。

6 結語

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

工程在穿越煤層斷層破碎帶過程中，經常出現TBM 主機區域瓦斯氣體含量超過安全值而導致停機進行瓦斯強制排放的情況發生，設備掘進效率極低。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。

總結該施工技術方案及施工經驗，重點應做好以下幾個關鍵點的把控：

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

2）做好施工過程中的瓦斯檢測與控制，實現風、電、瓦斯三閉鎖，以及人工、自動測量數據相互認證，確保系統可靠、數據準確、安全有效。

3）采取適當措施進行瓦斯氣體的排放處理，確保TBM 設備上所有工作部位的瓦斯濃度穩定在0.3%以下。

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

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

隨著TBM 在國內越來越多的取得應用，TBM施工中遭遇各種各樣的不良地質條件的情況將越來越多地發生，該施工方法對后續類似地質條件的TBM 施工，具有一定的借鑒意義。