隧道穿越順層偏壓高瓦斯地段施工控制技術(shù)研究

錢(qián)其鋒QIAN Qi-feng

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

在鐵路設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證線路坡度，減少對(duì)線路經(jīng)過(guò)地段原始植被的破壞，以最優(yōu)的規(guī)劃方案完成線路設(shè)置，針對(duì)經(jīng)過(guò)山體部位多采用隧道穿越來(lái)實(shí)現(xiàn)，山體內(nèi)圍巖多變，溶洞、瓦斯、流沙、涌水等不良及特殊地質(zhì)隱藏其中成為施工過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)，合理的施工方法才能有效的消除多變圍巖及不良地質(zhì)對(duì)施工產(chǎn)生的質(zhì)量、安全隱患。

在順層偏壓及高瓦斯不良地質(zhì)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)施工難度成倍增加，通風(fēng)、支護(hù)成為重點(diǎn)控制項(xiàng)目，瓦斯放出及坍塌對(duì)隧道施工帶來(lái)很大的危害及損失。通常施工過(guò)程中先解決高危地質(zhì)災(zāi)害再解決次要地質(zhì)災(zāi)害，結(jié)合此區(qū)域施工必須先解決瓦斯問(wèn)題再進(jìn)行順層偏壓加固支護(hù)問(wèn)題，針對(duì)瓦斯放出主要采用風(fēng)管式、巷道式、風(fēng)墻式的通風(fēng)方式以排為主，當(dāng)順層偏壓高瓦斯出現(xiàn)時(shí)單一的通風(fēng)方式及常規(guī)支護(hù)方式無(wú)法達(dá)到風(fēng)量及加固要求，不能確保洞內(nèi)施工安全，而采用“橫洞、平導(dǎo)、通風(fēng)豎井+全封復(fù)合式襯砌”的組合方式化可以實(shí)現(xiàn)消除安全隱患及保障質(zhì)量工期。為確保安全高效的施工，同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、工期、成本的有效控制。本文就采用“橫洞、平導(dǎo)、通風(fēng)豎井+全封復(fù)合式襯砌”方法作為通風(fēng)及支護(hù)的施工控制技術(shù)研究進(jìn)行闡述。

1 項(xiàng)目概況

成貴鐵路高坡隧道（D3K338+600.78 到D3K343+168.78），長(zhǎng)度4.568km；其中，Ⅲ級(jí)圍巖1.15km，Ⅳ級(jí)圍巖1.93km，Ⅴ級(jí)圍巖1.50km。平導(dǎo)里程PDK340+371.46～PDK343+348.46，長(zhǎng)2.977km。其中順層偏壓高瓦斯段里程為D3K340+390 到D3K343+169，為確保工作區(qū)域內(nèi)通風(fēng)要求，結(jié)合水文地質(zhì)及地形等條件，設(shè)置“橫洞、平導(dǎo)、通風(fēng)豎井”的輔助坑道配合施工及確保通風(fēng)要求。在左線隧道中心線大里程方向右側(cè)35m 設(shè)置平導(dǎo)，長(zhǎng)度為2.977km，采用有軌雙車(chē)道運(yùn)輸。

2 總體施工方案

順層偏壓高瓦斯隧道作業(yè)基本原則：管理及意識(shí)加強(qiáng)，隱患消除；超前預(yù)報(bào)、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)測(cè)，時(shí)刻掌握瓦斯含量，降低瓦斯含量；確保通風(fēng)、管控火源。

順層偏壓高瓦斯隧道防治方針：強(qiáng)化預(yù)報(bào)，預(yù)防為主。施工中必須加深炮眼和超前鉆孔來(lái)進(jìn)行瓦斯及有害氣體探測(cè)，使用防爆型電氣設(shè)備，使用非防爆型施工設(shè)備，配備便攜式甲烷探測(cè)儀。

作業(yè)過(guò)程中通風(fēng)必須連續(xù)，通風(fēng)設(shè)備必須設(shè)置備用風(fēng)機(jī)，電源設(shè)置雙電路，由于設(shè)備檢修或停電原因無(wú)法通風(fēng)時(shí)，作業(yè)人員必須撤出工作區(qū)域、電源必須切斷。正常通風(fēng)后，必須對(duì)洞內(nèi)瓦斯及有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，符合標(biāo)準(zhǔn)后方可進(jìn)入作業(yè)。

3 施工控制技術(shù)及要點(diǎn)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

作業(yè)前采取地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)加深炮眼、超前鉆孔相結(jié)合的預(yù)報(bào)，同時(shí)使用相關(guān)儀器進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，以防止瓦斯及有害氣體放出等災(zāi)害的發(fā)生。地質(zhì)調(diào)查采取地貌、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)推理相結(jié)合的方法，進(jìn)行定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3.2 施工通風(fēng)控制要求

施工通風(fēng)目的是為了確保區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度、氧氣含量、溫度等符合規(guī)定。

作業(yè)區(qū)域內(nèi)氧氣含量≧20%（以體積計(jì)算）；10%以上游離粉塵容許濃度，二氧化硅粉塵≦2mg/m3，二氧化硅礦物性粉≦4mg/m3；一氧化碳≦20mg/m3，短時(shí)間（15min）接觸容許濃度≦30mg/m3；二氧化碳≦0.5%（以體積計(jì)算）；氮氧化物＜5mg/m3；氣溫≦28℃。

順層偏壓高瓦斯隧道作業(yè)區(qū)域內(nèi)通風(fēng)必須能滿(mǎn)足各作業(yè)區(qū)所需的最小通風(fēng)要求，新鮮空氣保證每人≧4m3/分，通風(fēng)風(fēng)速，全斷面開(kāi)挖時(shí)≧0.15m/s，在分部開(kāi)挖的坑道中≧0.25m/s，并均≦6m/s，瓦斯隧道進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，爆破作業(yè)點(diǎn)20m 內(nèi)，流動(dòng)空氣中瓦斯?jié)舛缺仨殻?.5%（以體積計(jì)算）。

3.3 施工通風(fēng)量計(jì)算

高坡隧道附屬坑道通風(fēng)長(zhǎng)度為2977m，附屬坑道井身開(kāi)挖斷面為57.33m2。通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算附屬坑道通風(fēng)量，確保滿(mǎn)足各作業(yè)區(qū)所需的最小風(fēng)量同時(shí)為通風(fēng)機(jī)選擇提供依據(jù)。

3.3.1 按洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)最大值計(jì)算風(fēng)量：Q=q·k·m

q—新鮮空氣量（每人/每分鐘），取4.0m3/min；

m—洞內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)最大值，45 人；

k—備用風(fēng)量系數(shù)，取1.3。

計(jì)算得：Q=q·k·m=4m3/min*45*1.3=234m3/min

3.3.2 按排除炮煙計(jì)算風(fēng)量

一次爆破最大用藥量：附屬坑道Gmax=236.2kg；

爆破后計(jì)劃排煙時(shí)間：t=30min。

附屬坑道排煙最大量為948.55m3/min。

公式中：?—淋水系數(shù)；掘進(jìn)巷道沿干燥巖層，取值0.8；b—爆破時(shí)生成有害氣體量，巖層中爆破取值b=40；K—擴(kuò)散系數(shù)取值0.4；L臨—炮煙稀釋符合允許濃度時(shí)所需隧道長(zhǎng)度（m）；p—風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)。

3.3.3 按允許最低風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量：Q=60*V*A

V—工作面最小風(fēng)速全斷面開(kāi)挖時(shí)為0.15m/s，導(dǎo)坑開(kāi)挖為0.25m/s?？紤]洞內(nèi)溫度高，作業(yè)環(huán)境差，高地溫，按0.5m/s 要求；A—掘進(jìn)面積，斜井全斷面法開(kāi)挖取57.33m2。

計(jì)算得：Q=60*0.5*57.33=1719.9m3/min

根據(jù)風(fēng)量計(jì)取值:以上計(jì)算結(jié)果取最大值Q=Max（234，948.55，1719.9）=1719.9m3/min 作為控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量配置通風(fēng)設(shè)備。針對(duì)此項(xiàng)目所配置通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)量滿(mǎn)足控制設(shè)計(jì)通風(fēng)量要求。

3.4 瓦斯檢測(cè)、監(jiān)控

為確保施工安全，必須隨時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控洞內(nèi)瓦斯?jié)舛燃坝袩o(wú)瓦斯存在，明確施工過(guò)程中施工方法和施工設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)整方案。本項(xiàng)目順層偏壓高瓦斯區(qū)域根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)要求，采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主、人工檢測(cè)為輔的檢測(cè)方法，主要檢測(cè)儀器詳見(jiàn)表1。

表1 瓦斯檢測(cè)儀器

人工檢測(cè)的控制位要求，一般地段按照每班不少于3次頻進(jìn)行檢測(cè)，特殊地段有煤層與瓦斯放出地段、異常變化地段設(shè)專(zhuān)人進(jìn)行檢測(cè)；掌子面的瓦斯應(yīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，按照裝藥前、放炮前、爆破后進(jìn)行人工檢測(cè)（一炮三檢制），遇異常變化時(shí)需隨時(shí)檢測(cè)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具有瓦電閉鎖功能，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備傳感器應(yīng)設(shè)置在掌子面、作業(yè)臺(tái)車(chē)附近、電氣開(kāi)關(guān)、瓦斯易于積聚等工作區(qū)域附近，所有監(jiān)測(cè)斷面處設(shè)備傳感器設(shè)置位置應(yīng)能反應(yīng)風(fēng)流中瓦斯的最高濃度。隧道任何監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置報(bào)警濃度為0.5%（以體積計(jì)算），除電氣開(kāi)關(guān)20m 范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?.5%（以體積計(jì)算）需停機(jī)停止作業(yè)、加強(qiáng)通風(fēng)處理外，當(dāng)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，必須切斷作業(yè)區(qū)電源，所在作業(yè)人員停止作業(yè)，立即撤出作業(yè)區(qū)域。

3.5 順層偏壓高瓦斯地段的施工技術(shù)

高坡隧道D3K340+060～D3K343+169 通過(guò)高瓦斯地段且存在順層偏壓區(qū)，加強(qiáng)支護(hù)及結(jié)構(gòu)才能安全順利穿越此區(qū)域，施工使用全封復(fù)合式襯砌、鋼筋砼結(jié)構(gòu)，并向低瓦斯段延伸50m，同時(shí)設(shè)置CPE 卷材瓦斯隔離板，全環(huán)I20b型型鋼鋼架及拱部超前管棚加強(qiáng)支護(hù)防止順層偏壓造成坍塌。施工縫進(jìn)行氣密處理，對(duì)瓦斯封閉性能大于或等于襯砌本身，襯砌背后壓注水泥-化學(xué)漿液，另外初支及二襯砼都必須符合氣密性要求。

為有效防止巖隙水將瓦斯及有害氣體帶入洞內(nèi)，全封復(fù)合式襯砌盲管（線路方向、環(huán)向）嚴(yán)禁接入側(cè)溝，環(huán)向和線路方向盲管設(shè)置三通連通，利用水氣分離裝置對(duì)巖隙水進(jìn)行水氣分離后排入側(cè)溝，如圖1。

圖1 水氣分離裝置

3.5.1 瓦斯隔離板施工（拱部及邊墻采用無(wú)釘孔鋪設(shè)工藝詳見(jiàn)圖2）

圖2 瓦斯隔離板鋪設(shè)施工工藝流程圖

3.5.1.1 施工準(zhǔn)備

仰拱施工采取全幅開(kāi)挖一次成型，人工清除淤泥、浮碴、積水等雜物后，制備M10 水泥砂漿找平使仰拱底圓順，無(wú)局部坑洼及巖石突出，具備條件后方可鋪設(shè)仰拱瓦斯隔離板。二襯施工時(shí)，待臺(tái)車(chē)就位后，先將初支表面裸露的錨桿頭、鋼筋頭、巖石突出等清除，制備砂漿找平將其覆蓋，對(duì)初支表面不平整部位進(jìn)行找平。

3.5.1.2 瓦斯隔離板鋪設(shè)

隧道瓦斯隔離板使用復(fù)合式防水板（規(guī)格：WRM-100，厚度≧1.5mm，單位質(zhì)量≧300g/m2）。同時(shí)使用水泥釘加塑料焊墊沿隧道開(kāi)挖輪廓由頂向兩側(cè)釘掛無(wú)紡布，塑料焊墊按梅花型設(shè)置，間距要求拱部50cm*50cm，邊墻100cm*100cm。將瓦斯隔離板從臺(tái)車(chē)頂按兩側(cè)對(duì)稱(chēng)沿隧道開(kāi)挖輪廓鋪開(kāi)，同時(shí)使用平頭木樁將瓦斯隔離板沿隧道開(kāi)挖輪廓展開(kāi)。使瓦斯隔離板緊貼無(wú)紡布，并且保持松緊適度，相鄰兩幅之間的搭接長(zhǎng)度≧10cm。

鋪設(shè)工作完成后對(duì)塑料焊墊與瓦斯隔離板相貼部位壓緊，將瓦斯隔離板與塑料焊墊，熱熔粘接，達(dá)到固定瓦斯隔離板的作用。固定完成后開(kāi)始正式焊接工作，采用雙輪自動(dòng)爬焊機(jī)進(jìn)行焊接工作，先對(duì)設(shè)備溫度及爬行速度進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到設(shè)置溫度后進(jìn)行試焊。試焊檢驗(yàn)合格后，按試焊參數(shù)進(jìn)行正式焊接。將瓦斯隔離板接縫壓入爬焊機(jī)熱楔，啟動(dòng)爬焊機(jī)，人工控制焊機(jī)前進(jìn)方向，爬焊機(jī)將兩幅隔離板接縫焊接成整體。焊接完成部位形成兩條焊縫（寬度10mm*間距50mm）。

3.5.1.3 瓦斯隔離板施工要點(diǎn)

進(jìn)行瓦斯隔離板固定時(shí)，根據(jù)初支表面的平整度預(yù)設(shè)富余量，防止富余量不足而被混凝土擠破損壞；為確保瓦斯隔離板接頭焊接質(zhì)量良好，瓦斯隔離板每段鋪設(shè)長(zhǎng)度和接縫均大于襯砌長(zhǎng)度0.5-1m，確保接頭質(zhì)量；瓦斯隔離板鋪設(shè)完成后，盡快完成混凝土澆筑作業(yè)；預(yù)留瓦斯隔離板接頭應(yīng)采取有效的保護(hù)措施，二次襯砌模板、鋼筋、預(yù)埋件安裝及混凝土施工中要進(jìn)行有效防護(hù)，防止損壞瓦斯隔離板。

襯砌鋼筋施工時(shí)，為防止焊渣燒壞鋪設(shè)完成的瓦斯隔離板，使用“移動(dòng)保護(hù)板”對(duì)鋪設(shè)完成的瓦斯隔離板防護(hù)。

地下水、巖隙水向外涌出時(shí)，結(jié)合涌水量的大小設(shè)置一根或多根直徑較大的PVC 管代替軟式透水管。

施工中出現(xiàn)淋水時(shí)，為防止淋水打濕瓦斯隔離板無(wú)法保證焊縫質(zhì)量，采取雙層鋪設(shè)瓦斯隔離板，下層起引水保證上層干燥，上層為正式層。

3.5.2 軟式透水管盲溝

盲溝環(huán)向設(shè)置在隧道拱墻處，沿線路方向設(shè)置在墻腳處，均采用軟式透水管（環(huán)向直徑5cm，縱向直徑10cm）并用錨釘加窄條PE板固定在初支上，拱墻、墻腳盲溝和墻腳泄水孔使用三通相接。

3.5.3 橡膠止水帶

本項(xiàng)目采用“中埋式”橡膠止水帶，設(shè)置在混凝土二襯施工縫處。按照二襯厚度和形式安裝擋頭板，擋頭板模板采用鋼模（鋼模寬度=1/2 二襯厚度），擋頭板鋼模根據(jù)安裝順序進(jìn)行編碼。臺(tái)車(chē)對(duì)位后，按照編碼順序依次安裝鋼模擋頭板，止水帶設(shè)置在擋頭板中間，沿襯砌環(huán)向埋一半留一半，擋頭板固定使用U形卡，排水管采用PE 條固定。止水帶的固定見(jiàn)圖3。變形縫按照設(shè)計(jì)圖紙確定部位、寬度、結(jié)構(gòu)形式，變形縫側(cè)面應(yīng)平整干燥，變形縫底部嵌入背襯材料，不得與嵌縫材料有粘結(jié)力，嵌縫必須密實(shí)。通過(guò)一系列的施工技術(shù)控制及計(jì)算，針對(duì)隧道穿越順層偏壓高瓦斯地段的施工，從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)到設(shè)置通風(fēng)，從通風(fēng)量計(jì)算到配置通風(fēng)設(shè)備，從偏壓超前加固到瓦斯監(jiān)測(cè)，從開(kāi)挖完成到全封復(fù)合式襯環(huán)環(huán)相扣順利完成順層偏壓高瓦斯地段的穿越施工，實(shí)現(xiàn)了無(wú)坍塌、無(wú)瓦斯放出、無(wú)作業(yè)區(qū)域瓦斯超標(biāo)的安全目標(biāo)。

圖3 止水帶的固定圖

4 結(jié)束語(yǔ)

“橫洞、平導(dǎo)、通風(fēng)豎井+全封復(fù)合式襯砌”方法作為通風(fēng)及支護(hù)的施工方法在成貴鐵路鎮(zhèn)雄至畢節(jié)區(qū)間高坡隧道穿越順層偏壓高瓦斯地段中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了順層偏壓區(qū)域無(wú)坍塌災(zāi)害發(fā)生，高瓦斯地段無(wú)瓦斯放出災(zāi)害。完成支護(hù)開(kāi)挖進(jìn)行二次襯砌施工采用全封復(fù)合式襯砌有效預(yù)防了因地下水及施工縫引發(fā)的瓦斯放出災(zāi)害?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，精密計(jì)算通風(fēng)量，合理高效配置通風(fēng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了作業(yè)區(qū)域內(nèi)無(wú)瓦斯超標(biāo)的安全目標(biāo)。在實(shí)際施工中一系列的組合設(shè)計(jì)為隧道穿越順層偏壓高瓦斯地段施工提供了有力的保證，安全、高效、節(jié)能、零事故、零災(zāi)害的順利完成穿越施工創(chuàng)造了良好的社會(huì)效應(yīng)，同時(shí)在施工中實(shí)現(xiàn)了工期可控、成本可控、質(zhì)量可控為項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了可觀的的經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)還為復(fù)雜地質(zhì)與多種災(zāi)害共存時(shí)隧道施工項(xiàng)目提供了可借鑒的寶貴施工經(jīng)驗(yàn)及施工控制技術(shù)。