長距離高瓦斯隧道施工技術

高 峰, 劉永谷

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概況

成簡快速路位于成都市龍泉驛區的柏合鎮、山泉鎮和茶點鎮境內,穿越龍泉山。龍泉山 2#隧道橫穿龍泉山山脈中段,為分離式隧道,左線隧道起點 Z K 4+622,終點 Z K 6+943,長 2 321 m;右線隧道起點 Y K 4+616,終點 Y K 6+938,長 2 322 m。隧道凈空斷面 10.5 m×5.0 m,左側隧道最大埋深 322 m,右側隧道最大埋深約 320.6 m。隧道進口 ～中部 ～出口的 線 間 距 為 17.218～26.5～13.83 m。隧道進、出口為Ⅴ類圍巖,覆蓋層薄。洞身圍巖為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖,其中Ⅴ、Ⅳ類圍巖占91%,主要以泥巖、泥質砂巖、砂巖為主。

2 施工中的重點及難點

(1)隧道左線全長 2 321 m(右線全長 2 322 m),全部為 2.2%～2.6%的單向坡。隧道施工僅有進出口兩個工作面,且開挖、支護、仰拱混凝土、頂拱襯砌混凝土同時交叉作業,洞內施工干擾大,施工布置非常困難。

(2)由于龍泉山 2#隧道施工僅有進出口兩個工作面,其間沒有其它施工通道,最大單頭進尺約1 200 m,通風散煙比較困難。

(3)龍泉山 2#隧洞為高瓦斯隧道,施工時最高濃度為 73%,涌出量超過 2 000 m3。對施工工藝要求高,安全隱患大。

3 施工組織及安排

隧道施工采用了從左、右線隧道進、出口兩個工作面雙向掘進,共安排 4個隧道施工隊分 4個作業面分別負責龍泉山 2#隧道左、右線隧道施工。

4 施工方案

(1)開挖施工。根據瓦斯隧道安全施工要求和工程特點,確定隧道采用臺階法開挖。開挖前,在工作面附近 20 m進行通風,當檢測瓦斯濃度小于 0.5%時方可進行鉆孔作業。鉆孔全部采用濕式鉆孔,鉆孔作業時先開水、后開風以封閉粉塵,避免產生火花造成安全事故。

根據隧道的結構特點、圍巖地質情況,開挖主要采用臺階法、隧道中壁法(CD法)施工。其中隧道臺階法主要在洞身III、Ⅳ、V類巖石風化破碎洞段采用;隧道中壁法主要在洞口圍巖較差段、緊急停車段采用。CD法開挖施工程序為:

開挖作業由上至下,襯砌施工由下而上。CD法施工順序為:1區→2區→3區→4區。CD法施工工序見圖1。

圖1 CD法施工橫斷面工序圖

龍泉山 2#隧道為高瓦斯隧道,根據規范及設計要求,本工程所選用的炸材均為四川宜賓威力化工廠生產的 8號覆銅殼煤礦許用毫秒延時電雷管及 3號抗水煤礦粉狀銨銻炸藥。

根據爆破試驗結果,總結分析出爆破參數,并在施工中不斷優化爆破參數。隧道開挖采用的爆破參數見表1～4。

表1 Ⅳ、Ⅴ類圍巖上臺階爆破設計參數表

表2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖下臺階爆破設計參數表

表3 Ⅲ類圍巖上臺階爆破設計參數表

表4 Ⅲ類圍巖下臺階爆破設計參數表

從目前隧道開挖施工情況看,開挖面成型效果良好,施工超挖控制在 9.8 cm范圍以內,欠挖控制在 5 cm以內。

(2)支護施工。隧道支護分初期支護和混凝土二次襯砌。

①初期支護。初期支護根據圍巖類型的不同采用不同的支護參數,型鋼及格柵做拱架支撐,部分襯砌斷面采用型鋼全環封閉,噴護 C 20氣密性混凝土,頂拱采用 φ 22@1.0 m,L=4.0 m組合錨桿;拱墻及部分仰拱段采用 φ 22@1.0 m,L=3.0 m砂漿錨桿,掛 φ 8鋼筋網。洞口 30 m段采用φ 89@0.4 m大管棚進洞,其它洞段分別采用 φ 25中空錨桿及 φ 42超前小導管進行超前支護。

②混凝土襯砌。混凝土襯砌前,在初期支護面鋪設 C W瓦斯隔離板。為杜絕明火,瓦斯隔離層采用冷粘接。

隧道的混凝土襯砌施工和開挖施工需交叉進行,施工相互干擾較大。隧道開挖與襯砌施工的順序為:仰拱開挖超前于澆筑段 30～50 m→仰拱混凝土施工→仰拱填充混凝土施工→拱墻混凝土施工→邊溝及電纜溝施工→混凝土路面基層施工→混凝土面板施工。

在仰拱混凝土施工時,為了不影響隧道掌子面開挖、出石碴及機械設備通行,仰拱開挖采用左右分幅的開挖方法,在仰拱混凝土施工部位搭設可移動式鋼棧橋作為臨時通道。混凝土采用混凝土泵送入倉。根據行車及施工要求,該棧橋設計為雙榀單跨移動式拱形鋼棧橋。仰拱 12 m分一段,單榀鋼棧橋設計長度為 16 m,寬 1.0 m,棧橋平面與立面圖見圖2、3。

單榀棧橋拱形部位采用 3根 I 20a工字鋼作主梁,間距 35 cm,底梁由三根 I 20a工字鋼組成,兩拱形工字鋼之間每隔 1 m采用 I 18工字鋼連接,拱形工字鋼端頭與底梁端頭焊接,拱形工字鋼與底梁之間每隔 2 m采用 I 18工字鋼為橫撐,所有焊接處焊縫飽滿均勻。采用 φ 22鋼筋與拱形工字鋼頂部焊接作為棧橋面板,φ 22鋼筋間距 7 cm。鋼棧橋端頭部位采用 1 cm厚鋼板焊接加強,鋼棧橋端頭底部 2 m焊接 1 cm厚鋼板以增加棧橋端頭的受力面積;棧橋護欄采用 φ 48鋼管與主梁外側焊接。豎向每隔 1 m焊接一根長 1.5 m的 φ 48鋼管,橫向鋼管采用扣件與豎向鋼管連接。

5 瓦斯防控措施

(1)地質超前預報。

圖2 鋼棧橋平面圖

圖3 鋼棧橋立面圖

針對隧道內賦存的天然氣,在隧道施工中遵循“動態設計、動態施工、先判斷后處理”的原則,對隧道進行了超前地質預報。隧道的超前地質預報采用了 T S P超前地質預報、地質素描法、水平鉆探等手段,對隧道圍巖進行綜合地質預報,預先確定工作面前方破碎帶或斷裂帶的位置、規模、產狀,了解工作面前方天然氣賦存情況,以便及早采取預支護措施及天然氣富集情況下的防護措施,以保證施工的正常進行和人員、設備的安全。

(2)瓦斯監控。

該隧道為高瓦斯隧道,設計根據鉆孔監測成果分析隧道內的淺層天然氣儲量約為 10 280.9 m3,可能涌出量約為 2 345.9 m3。

為保證瓦斯隧道的施工安全,瓦斯檢測采用人工監控與自動監控相結合。自動監控采用K J 90煤礦安全綜合監控系統。在掌子面、模板臺車頂部的上隅角設置便攜式甲烷檢測報警儀,在檢測到瓦斯濃度 ＞0.5%時報警;瓦斯濃度 ＞1%時,自動切斷作業區電源,立即撤出人員設備,工作面停止施工,對洞內加強通風,稀釋瓦斯濃度,待瓦斯濃度低于 0.5%時方可恢復作業。人工檢控采用手持式移動檢測儀,根據規范要求,需對掌子面間、二襯面、回風區等進行 24 h不間斷檢測。

對需人工檢測的部位,保證每 30 min檢測一次。在測風站配備手動式測風儀,定期測定回風巷的風流速度。當風流速度小于 1%時,及時找出原因,采取措施。

(3)用電防護。

考慮到高瓦斯隧道通風系統的特殊情況,該隧道采用了雙電源供電方案,即公用電網和自備發電站雙電源,并安裝備用電源自動切換裝置,洞內供電采用單電源線路。洞內配電設備及照明電器全部采用防爆型,并做到“三專”、“兩閉鎖”,即專用防爆變壓器、專用開關、專用供電線路和瓦斯濃度超標時與供電的閉鎖、局部采用風扇通風與供電的閉鎖,以保證瓦斯隧道安全施工。

(4)隧道通風。

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》規定,對高瓦斯隧道工區和瓦斯突出工區,施工通風方式宜采用巷道式,故該隧道在第一個車行橫通道貫通以前采用壓入式通風,車行橫通道貫通后采用巷道式通風。

高瓦斯隧道 24 h不間斷通風,采用雙電源,風機全部為防爆型,進洞風筒布全部采用專用的抗靜電、阻燃型,風機和電源均必須考慮備用,洞內最小風速不能小于 1 m/s。風機操作工必須持證上崗。

(5)防爆設備改造。

根據高瓦斯隧道施工要求,所有進洞車輛和設備必須為防爆型。項目部通過技術分析和防爆試驗,確定對所有進洞設備進行防爆改裝。經過對防爆改裝過的裝載機和自卸汽車進行瓦斯濃度達到 0.5%條件下的模擬試驗確定改裝后的設備能滿足施工安全要求。設備在隧道施工中現未發生爆炸事件。

(6)施工工藝要求。

①由于該隧道為高瓦斯隧道。洞內施工嚴禁明火,洞內拱架全部采用螺栓連接;

②開挖后及時素噴混凝土以封閉瓦斯溢出通道,噴混凝土采用氣密性混凝土濕噴作業;

③二襯施工,隧道采用 C W瓦斯隔離板全斷面封閉,混凝土采用氣密性混凝土,滲氣系數不大于10-11cm/s。

6 結 語

(1)龍泉山 2#隧道嚴格按照瓦斯隧道要求進行施工,瓦斯控制得當,未發生瓦斯突出、燃燒。經四川省康泰安全評估公司評價為:“制度健全,管理受控,措施到位”;

(2)目前隧道單洞開挖進尺 1 150 m,最大月進尺 122 m,二襯單月最高單工作面襯砌 180 m,施工進度滿足要求;

(3)龍泉山 2#隧道為高瓦斯隧道,其特點為油田溢出型,有別于其它含煤瓦斯隧道,對超前預報、隧道施工方案、瓦斯監控、施工通風要求更高。

通過對龍泉山 2#隧道的施工經驗進行總結,為其它類似長距離高瓦斯隧道提供了一定的借鑒。