瓦斯隧道防突防爆施工技術(shù)研究

翟耀斌

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 301700）

1 工程概況

林家屋基隧道位于貴州省六盤水市盤縣境內(nèi)的英武鄉(xiāng)，起訖里程D1K925+465~D1K931+300， 中心里程D1K928+372.5， 隧道全長5 835 m， 設(shè)計為雙線隧道， 單面坡， 其中，D1K925+465~D1K926+000 段535 m 為平坡段，D1K926+000~D1K931+300 段5 300 m 坡度為20‰，設(shè)計為上坡，隧道最大埋深400 m。 進(jìn)口D1K925+465~D1K925+930 段為高瓦斯段。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，有煤線出露，當(dāng)?shù)赜谌氖昵霸羞^小煤窯開采，村莊遷居此地后停止。 近年來，英武鄉(xiāng)曾規(guī)劃開采煤礦，后因高鐵施工停止。

隧道區(qū)基巖大多裸露，為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組二段、永寧鎮(zhèn)組一段、關(guān)嶺組二段、關(guān)嶺組一段、飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M。 隧道進(jìn)出口及緩坡地帶有少量覆土， 地層由新到老如下： 粉質(zhì)黏土、碎石土、黏土、關(guān)嶺組二段、關(guān)嶺組一段、飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組二段、永寧鎮(zhèn)組一段。

不良地質(zhì)為巖溶與巖溶水、危巖落石、斷層破碎帶、煤層瓦斯及采空區(qū)。 隧道進(jìn)口D1K925+465~D1K925+930 段為高瓦斯地段。

地下水主要為第四系松散土層孔隙水、 基巖裂隙水、巖溶水。

2 施工方法及施工工藝

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

隧道施工時，嚴(yán)格遵循 “超前探、管超前、短進(jìn)尺、弱（不）爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、緊襯砌” 的原則。

超前地質(zhì)預(yù)報采用平行導(dǎo)坑超前、 循環(huán)施工中增加超長炮眼探孔提前解擬前方地質(zhì)狀況， 同時聘請專業(yè)預(yù)測單位負(fù)責(zé)專項地質(zhì)預(yù)報工序。施工中引入TSP 探測系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)探測系統(tǒng)、PRD－150 型多功能地質(zhì)鉆機(jī)、HY-303 型紅外線探水儀等先進(jìn)手段進(jìn)行預(yù)報，以探測瓦斯含量、壓力、煤與瓦突出、煤層位置、產(chǎn)狀、煤層厚度，防止誤穿煤層，同時對是否存在采空區(qū)及采空區(qū)規(guī)模、性質(zhì)及巖溶涌水等進(jìn)行預(yù)報[1]。

2.2 防突方案及防突措施效果檢驗

為了預(yù)防瓦斯突出危險，揭煤前應(yīng)進(jìn)行瓦斯排放，排放后進(jìn)行瓦斯排放效果檢驗， 當(dāng)各項檢測指標(biāo)都在突出危險臨界值以下時，則措施有效，否則，應(yīng)采用延長排放時間、增加排放孔數(shù)量、瓦斯抽放等補(bǔ)救措施，直至效果檢驗有效為止。

2.2.1 揭煤方案

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，結(jié)合煤與瓦斯突出相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本項目選擇煤層前10 m 到通過煤層后10 m 為揭煤段長度，揭煤段應(yīng)嚴(yán)格按照揭煤方案進(jìn)行施工。

在距煤層最小法向距離5 m 時， 掌子面布設(shè)φ75 mm 排放鉆孔，穿過煤層不小于0.5 m，孔底間距2 m。 排放后進(jìn)行瓦斯排放效果檢驗。

揭煤前，煤層與工作面保留足夠安全巖柱，石門工作面距離預(yù)測煤層垂直距離不小于2 m。 再次進(jìn)行瓦斯突出預(yù)測驗證，如有突出危險，采取補(bǔ)救措施（如鉆孔排放或瓦斯抽放等措施）。

確認(rèn)無煤與瓦斯突出危險后，設(shè)置鋼架、超前支護(hù)等防護(hù)措施，然后進(jìn)行爆破揭煤。 采用濕式鉆孔，煤破作業(yè)采用煤礦許用雷管及煤礦許用含水炸藥， 電力起爆。 本項目為緩傾煤層，一次全斷面揭開巖柱。 放炮時洞內(nèi)停電，洞外起爆，洞口50 m 以內(nèi)杜絕一切火源。當(dāng)石門揭穿后，工作面始終保持前方安全區(qū)不得小于5 m。

2.2.2 防突效果檢驗

檢驗工作面前方瓦斯排放效果，需布置檢驗孔，上、中、下、左、右各1 個，共5 個。 當(dāng)檢驗效果指標(biāo)小于臨界值時，即排放效果有效，反之則為無效。 若在打檢驗孔時發(fā)現(xiàn)頂鉆、夾鉆、噴孔現(xiàn)場，也視為排放措施無效，必須采取補(bǔ)救措施。

鉆屑指標(biāo)法防突措施效果檢驗臨界值見表1。

表1 鉆屑指標(biāo)法防突措施效果檢驗臨界值表

2.2.3 揭煤安全措施

1）項目部成立揭煤領(lǐng)導(dǎo)小組，現(xiàn)場統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)，組織人員、物資設(shè)備、車輛、通信系統(tǒng)使用、調(diào)度工作。 現(xiàn)場施工揭煤過程中，救護(hù)人員及救護(hù)設(shè)備在洞口隨時待命，一旦發(fā)生險情立即搶救。

2）瓦斯隧道施工全體人員須進(jìn)行崗前安全、技術(shù)培訓(xùn)，考核合格后持證上崗。 安設(shè)專職瓦斯監(jiān)測員3 名，24 h 監(jiān)測瓦斯，掌握突出預(yù)兆。

3）建立高效、安全、可靠的通風(fēng)系統(tǒng)。 隧道進(jìn)口安設(shè)了大功率防爆通風(fēng)機(jī)，并配有備用通風(fēng)機(jī)，獨(dú)立雙向回路電源。 揭煤施工前，專人檢查通風(fēng)系統(tǒng)各設(shè)備。

4）各個分部開挖斷面需一次揭煤，如不能一次揭開，剩余部分施工時，同樣須要采取防突措施。

5）放炮30 min 后，專職瓦檢員檢查通風(fēng)、瓦斯、煤塵。當(dāng)檢查瓦斯?jié)舛刃∮?%、二氧化碳濃度小于1.5%后，解除警戒，工作人員進(jìn)洞施工。

2.2.4 通風(fēng)方案

隧道正洞與平導(dǎo)均采用壓入式通風(fēng)， 平導(dǎo)與正洞貫通形成巷道式通風(fēng)。 在瓦斯容易聚集部位，如襯砌臺車附近，設(shè)置空氣引射器及氣動風(fēng)機(jī)等設(shè)備，使局部風(fēng)速大于1 m/s，預(yù)防瓦斯聚集發(fā)生危險。

建立通風(fēng)管理質(zhì)量評估系統(tǒng)， 定期對隧道通風(fēng)情況進(jìn)行檢查及評估。 改善通風(fēng)效果不佳情況確保通風(fēng)效果況，防止發(fā)生瓦斯局部聚集和瓦斯突然涌出造成瓦斯超限。

2.2.5 含煤地段掘進(jìn)

開挖方法采用大拱腳臺階+ 臨時仰拱法施工， 如圖1、圖2 所示。

圖1 大拱腳臺階法開挖示意圖

圖2 大拱腳示意圖

先進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿施工， 加固圍巖。 挖掘機(jī)開挖①部，然后施作①部的初期支護(hù)和臨時支護(hù)：初噴4 cm 厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，安設(shè)大拱腳鋼架（見圖2）及I8 臨時鋼架，在拱腳處打鎖腳錨桿， 徑向錨桿施作后需要復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。 噴射仰拱混凝土，施作臨時仰拱。 從開挖開始至裝渣作業(yè)期間，開啟高壓水噴頭噴霧，防止瓦斯突出爆炸及裝渣產(chǎn)生火花危險。

在煤層中掘進(jìn)時，揭開煤層后，檢查開挖工作面前方10 m處上、中、下、左、右范圍內(nèi)煤與瓦斯突出的危險，如各項指標(biāo)均符合要求，可掘進(jìn)5 m，再檢驗10 m，再掘進(jìn)5 m，即始終保持工作面前方有5 m 的安全區(qū)。

本工程根據(jù)設(shè)計要求，V 級圍巖正洞鋼架設(shè)計為0.6 m一榀，故開挖每循環(huán)進(jìn)尺采用0.6 m。 每個開挖面附近的20 m風(fēng)流中，瓦斯?jié)舛软毿∮?%。 開挖同時，仰拱及時跟進(jìn)，保證安全步距，同時須鋪裝瓦斯隔離板，且瓦斯隔離板封閉成環(huán)。襯砌預(yù)留注漿孔，襯砌施工完成后壓漿，填充空隙，防止瓦斯外溢。

2.2.6 盲溝排水瓦斯排放系統(tǒng)

根據(jù)本隧道設(shè)計，正洞排水、排氣系統(tǒng)由縱向盲溝、環(huán)向盲溝及水氣分離室組成。 正洞全封襯砌背后的水氣通過襯砌背后的縱向盲管，將水氣混合體引入水氣分離室，分離出來的水通過橫通道側(cè)溝排入平導(dǎo)側(cè)溝， 分離出來的瓦斯氣體從洞口水氣分離裝置排出。

2.2.7 瓦斯隧道施工防火

原則上，高瓦斯隧道內(nèi)不應(yīng)進(jìn)行電焊、氣焊、切割等作業(yè)。當(dāng)情況特殊不可避免時，須嚴(yán)格執(zhí)行動火申請制度。

1）須進(jìn)行動火申請的工序：電氣焊、瓦斯隔離板焊接、其他可能產(chǎn)生高溫和明火的特殊工序（由總工程師根據(jù)施工具體情況，組織相關(guān)部門予以確定）。

2）動火作業(yè)必須經(jīng)專職安全員、瓦檢員批準(zhǔn)。

3）在動火作業(yè)地點前后各20 m 范圍內(nèi)，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔坏么笥?.5%。

4）作業(yè)區(qū)兩端各設(shè)一個供水閥門、滅火器，作業(yè)人員工班長隨身攜帶手持瓦檢儀，并保證狀態(tài)良好。

5）作業(yè)過程中，瓦檢員需全程旁站檢測瓦斯?jié)舛龋坏┏霈F(xiàn)濃度超標(biāo)，立即停止作業(yè)，加強(qiáng)通風(fēng)。

6）作業(yè)完成前，應(yīng)由瓦檢員檢查、確認(rèn)無殘火后，方可結(jié)束作業(yè)。

3 施工重難點控制

從隧道開挖之前先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報， 探明前方圍巖情況，以指導(dǎo)后續(xù)施工。 超前水平鉆孔不僅可以準(zhǔn)確地探測前方圍巖情況，還可以作為瓦斯排氣孔，提前釋放裂隙中瓦斯，降低開挖作業(yè)風(fēng)險。 開挖時，要根據(jù)原圖紙設(shè)計要求、掌子面圍巖情況，以及隧道沉降觀測情況決定開挖尺寸，保證隧道凈空及二次襯砌厚度。 由于掌子面多為煤層及弱風(fēng)化灰?guī)r，開挖時采用挖機(jī)開挖掘進(jìn)，為防止發(fā)生意外，開挖同時安排專人進(jìn)行掌子面灑水工作，不僅可以防止摩擦起火，還可以起到降塵作用，防止粉塵爆炸；灑水同時還要做好上臺階排水工作。 隧道內(nèi)24 h 通風(fēng)，保證空氣流通，防止瓦斯聚集發(fā)生危險。 初期支護(hù)過程中， 需嚴(yán)格執(zhí)行項目部及監(jiān)理單位制定的瓦斯隧道動火申請制度，保證隧道內(nèi)安全施工。 開挖同時，還要注意安全步距要求， 保證二次襯砌及時封閉成環(huán)。 為減少洞內(nèi)電焊次數(shù)，鋼筋焊接應(yīng)在洞外鋼筋加工廠進(jìn)行，洞內(nèi)鋼筋采用綁扎形式連接、固定。 由于襯砌端頭為瓦斯聚集地，為防止意外發(fā)生，襯砌施工前需用高壓風(fēng)吹散瓦斯后再進(jìn)行施工。 襯砌混凝土選用氣密性混凝土，以防止瓦斯?jié)B漏。

4 結(jié)語

林家屋基隧道進(jìn)口段高瓦斯段施工中， 現(xiàn)場采取的揭煤方法及施工工藝安全、快速地通過了高瓦斯段，此施工方法為今后類似施工提供了成功范例。