開敞式TBM輸水隧道瓦斯處理研究

呂昀龍

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆EH長距離調水工程是一項高埋深長距離輸水工程，其中KS 隧洞總長283.3 km，為無壓輸水隧洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，縱坡1/2583。KS 隧洞地質條件較復雜，穿越多個大斷裂帶，隧洞主要采用開敞式TBM（全斷面硬巖掘進機）、礦山法等多種掘進方式相結合施工。TBM11施工段長度為18.2 km，鉆爆段施工2.57 km，TBM施工15.63 km。

TBM掘進至KS265+279樁號時，掌子面出現垮塌，出露巖性以炭質砂巖為主，裂隙多發育，部分裂面光滑，發育約1 mm 黑亮的鈣質、硅質薄膜，層間結合力差，巖壁受炭質砂巖夾層和裂隙發育影響，未見地下水出露，巖石完整性及穩定性差。同時設備瓦斯檢測儀瞬時報警，實測瓦斯濃度5.7%VOL，施工作業人員停止施工，停電并撤離施工現場。

根據現場配置軸流風機通風量2784 m3/min 及現場實測風流中的瓦斯濃度0.42%VOL估算絕對瓦斯涌出量約11 m3/min，判定為高瓦斯煤系地層，且不排除煤與瓦斯突出風險。會議一致認為在洞內瓦斯高濃度情況下必須成立領導管理小組，停止作業、維持通風，撤人、停電、排放、停止內燃機車運行，加強通風及氣體監測，做好洞口值班管理。

根據現場情況，參建各方現場查驗確認，制定遵循隧洞瓦斯“以通風為主、鉆孔排放為輔”的處理原則，使最終隧洞瓦斯濃度滿足現場施工要求，同時盡可能減小瓦斯處理對TBM正常掘進的影響。

2 水文地質條件

（1）TST 超前地質預報。KS265+280～KS265+180 段落：在反射圖像上，出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖破碎，節理、裂隙發育，易發生掉塊、塌腔。特別是KS265+280～KS265+230反射密集，推斷有斷層或巖性交接帶發育。

（2）隧洞目前出露巖性以炭質頁巖為主，局部夾凝灰質砂巖，炭質頁巖呈灰黑～黑色，薄片狀層理，屬軟質巖，強度低，遇水易軟化；凝灰質砂巖多呈青灰色，塊狀構造，屬中硬巖。巖層產狀：274°SW∠67°，巖層走向與洞軸線近垂直，洞內主要發育順層結構面，節理多成組發育，面平直、閉合無充填，層間結合力差，受裂隙切割影響，炭質頁巖洞段頂拱圍巖易出現塌落、掉塊現象。洞室未見地下水出露，在掌子面樁號265+279處有甲烷氣體溢出，根據前期勘察成果及本次地表探槽開挖成果分析，認為甲烷氣體主要集中在炭質頁巖夾層內，為巖性變化遮擋圈閉，炭質頁巖多呈透鏡體狀出露，甲烷氣體周圍由致密層限定，圈閉高度和圈閉面積有限。

3 現場處理方案

3.1 瓦斯監控監測

3.1.1 人工監測

人工檢測應配備專職瓦檢員，專職瓦檢員必須攜帶便攜式光學甲烷檢測儀，當地層富含H2S、CO、N2等有害氣體時，尚應配備相應的氣體測定器。

人工檢測的巡邏地點應包含TBM出護盾處、機身易形成回風區域附近20 m范圍、作業臺車和作業機械附近20 m 內的風流中、局扇及電氣開關20 m內的風流中、電動機及開關附近20 m 內的風流中、瓦斯易發生積聚處及瓦斯異常涌出點、隧道內可能產生火源的地點及其它通風盲區及通風薄弱點。人工瓦斯檢測應在每個班組施工前及施工中至少檢查一次，檢查頻次不少于2次。

3.1.2 瓦斯自動監控系統

根據相關要求在隧洞內安設一套瓦斯監控系統（包括風電閉鎖、瓦斯電閉鎖），實現對隧洞內瓦斯的實時監控。瓦斯自動監測報警系統應具備故障閉鎖、瓦電閉鎖和風電閉鎖功能，斷電狀態、饋電狀態監測和報警功能，實時監測瓦斯濃度、上傳監控數據的功能；供電電源應取自被控開關的電源側或者專用電源，嚴禁接在被控開關的負荷側。

為監控風機或其他電器設備運轉情況，監控系統應配備風機或其他電器設備運轉開停監控系統。同時安裝斷電控制器，監測隧道中饋電開關或電磁啟動器負荷側有無電壓，并經過分站與上位機通訊，通過軟件設置與瓦斯傳感器及開停傳感器關聯，實現閉鎖功能。

3.2 超前地質兼瓦斯抽排鉆孔

（1）瓦斯探測孔鉆孔。根據瓦斯壓力測定情況結合現場實際開挖揭露地質條件進行瓦斯排放孔鉆孔施工，鉆孔直徑選擇Φ75 mm 或Φ94 mm，鉆孔的開孔位置應選在巖石（煤壁）較完整的地點，鉆孔設計為四周鉆孔，環向孔距1.0 m，孔深為穿過煤層10～15 m，超前探孔向外傾角控制在5°～15°，按照傾角計算，每個孔深60～80 m（具體孔深根據現場實際施工條件確定）。由于受現場TBM設備及鋼支撐、鋼筋排及錨桿等的影響，具體孔深、孔距、傾角等根據現場實際情況進行調整。

（2）擴孔、套管安裝。擴孔直徑Φ108 mm，如孔圍巖條件不好，孔口破碎，或者孔內塌孔，需要套管跟進，在該段范圍內設置套管，套管使用Φ89 mm，厚6 mm的特制無縫鋼管，防止塌孔，確保瓦斯鉆孔排放效果。

（3）排放孔灌漿。瓦斯排放后為了防止圍巖在掘進過程中出現塌方，利用部分已施做瓦斯探測孔進行孔內注漿巖石固結，注漿漿液采用水灰比為2∶1～1∶1水泥漿或M25砂漿，并隨時關注刀盤及護盾周邊漿液滲出情況。

3.3 隧洞一次支護加強

3.3.1 鋼支撐

采用HW150 全環型鋼支撐，榀距45～180 cm，將聯系鋼筋調整為聯系型鋼，聯系型鋼采用HW125型鋼，環向間距為1 m，連接形式為裝配式，使用M20×80（8.8 級）高強螺栓進行連接，縱向連接型鋼單根長度及環向間距可根據現場實際情況調整。

3.3.2 錨桿

（1）系統砂漿錨桿。該段巖性主要為碳質頁巖（煤矸石），極度破碎，呈碎塊狀、粉末狀，系統錨桿無法施做，將系統砂漿錨桿調整為隨機。

（2）鎖腳（鎖定）錨桿。每榀鋼支撐鎖腳（鎖定）錨桿不少于3處，每處均調整為雙根鎖定，C22砂漿錨桿，長3.0 m，入巖深度不小于2.8 m，外露20 cm，通過1 cm厚鋼板（Q235B），單板規格為長40 cm、寬12 cm，由于洞內嚴禁電焊鋼拱架鎖腳（鎖定）錨桿無法按原設計與拱架焊接施工，錨桿穿過位置開孔，采用M20（8.8級）高強螺母及異性墊板連接緊固。

3.3.3 初噴混凝土

噴混凝土采用C30W10F50混凝土，V類圍巖頂拱270°范圍，厚度18 cm；IV 類圍巖頂拱270°范圍，厚度15 cm。

3.3.4 其他加固措施

瓦斯出突段巖性以炭質粉砂巖為主，多成粉狀散粒結構，與水泥漿膠接性能差，TBM 施工過程極易出現塌腔，部分渣料通過刀盤與護盾間隙等進入刀箱及護盾內，造成刀盤內及護盾底部大量積渣，刀盤掘進前在確保刀箱瓦斯濃度安全的情況下，需人工進入刀箱內進行渣料清理，以便刀盤能恢復轉動掘進。另根據瓦斯排放孔揭露刀盤前方巖體完成情況，應及時施超前管棚、化學灌漿等超前支護。

穿煤段圍巖極度破碎，不能為撐靴提供穩定受力面，利用TBM設備應急噴混系統提前對撐靴部位塌方區域破碎圍巖進行噴護，以確保撐靴安全順利通過。

3.4 塌腔處理

對明顯塌腔部位，如塌腔處理可能對護盾及刀盤造成膠結時，首先對護盾及刀盤進行護盾及刀盤周邊超前加固中隔離處理，然后再進行塌腔處理。

（1）如塌腔內瓦斯突出較大，應首先對塌腔采用發泡型化灌材料進行封閉處理，封閉厚度根據現場施工條件確定，可布置在鋼筋排上部。

（2）及時對塌腔部位進行噴護混凝土施工，噴護施工過程中對塌腔處埋設預埋直徑Φ50 的灌漿管及排氣管，及時進行回填灌漿處理。

（3）根據塌腔深度不同，回填處理可采用M25砂漿、C30 噴護混凝土或輕質混凝土，進行分層回填，每層回填厚度不大于1.0 m，將塌腔全部填滿后，封堵所有回填灌漿管管口。

（4）針對護盾前方塌腔，在完成護盾及刀盤隔離化學灌漿和護盾口外露空腔體封閉后及時進行回填灌漿，具體回填造孔及孔位傾斜角根據現場實際情況確定，單次回填厚度控制在1.0 m 左右。一次回填施工完成待凝后，再在灌漿管上部繼續造孔進行回填灌漿，如此往復，直至空腔體完全填滿為止。

3.5 停（復）工標準

（1）瓦斯監測設備布設及洞內電氣設備改造。人工及監控監測系統檢測洞內任意處瓦斯濃度降低到小于0.3%時開始作業，任意處瓦斯濃度大于0.5%時停止作業、斷電。

（2）瓦斯鉆孔探測施工。鉆孔工作面10 m 以內瓦斯濃度大于1%，及TBM 設備任意帶電處瓦斯濃度大于0.5%時，停工、停電，加強通風。當洞內任意處瓦斯濃度降低到小于0.3%時（除鉆探孔部位）復工。

（3）TBM 施工。TBM 刀箱及頂護盾下瓦斯濃度降低到0.5%以下，其它任意處瓦斯濃度小于0.3%時施工；TBM 設備任意帶電處瓦斯濃度大于0.5%時，停工、斷電。加強通風，當洞內任意處瓦斯濃度降低到0.3%以下時復工。

4 結語

本文結合新疆EH調水工程TBM11在高濃度瓦斯隧洞施工處理實例，以“探、排、引、堵”的綜合施工處理手段，總結形成了一套適用于水利工程TBM施工隧洞的瓦斯處理方法，保障施工安全及掘進效率，該處理方法可為其他類似工程提供參考。