長大鐵路瓦斯隧道施工技術實踐與研究

夏春雷

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 豐潤，064000）

1 工程概況

當時我國在建的最長高瓦斯鐵路隧道——梅嶺關隧道是新建蘭（州）渝（重慶）鐵路全線高風險重點控制性工程之一，跨越四川省廣元市昭化區石井鋪鄉和梅樹鄉，是單洞雙線隧道，總長度為8270.9 m。隧道進口和出口平導總長4902 m。

2 瓦斯地質環境

梅嶺關隧道穿越區域地層巖性大多是泥質砂巖及一些砂巖，局部裂縫比較豐富，砂巖的裂縫中含大量瓦斯。隧道地質詳細構造和油氣田分布情況見圖1。

圖1 隧道地質詳細構造和油氣田分布情況

3 瓦斯等有害氣體預防措施

3.1 瓦斯超前預報勘測技術

采用非煤系地層瓦斯超前地質預報技術，一般按照查閱并收集資料、勘測地質、在室內進行巖體實驗、通過鉆孔測定瓦斯滲出的濃度和速度等步驟，分析淺層瓦斯的源頭、測算瓦斯涌出量（圖2）[1-4]。

圖2 非煤系地層瓦斯鉆孔超前地質預報流程

3.1.1 瓦斯濃度檢測

在梅嶺關隧道施工現場通過SL-808A瓦斯檢測儀開展檢測。SL-808A瓦斯檢測儀警報區間是5~100 ppm，通過泵吸的方式，將鉆孔里的氣體吸到儀器里進行檢測。通過該儀器，能夠在現場確定鉆孔內是否有瓦斯外，并計算瓦斯濃度。

3.1.2 瓦斯外溢初速度測定

在基礎條件尚未達成開展某類實驗時，教師可利用大學或兄弟單位硬件資源，課前提前準備，將一些實驗課程提前錄制成微實驗。在課堂教學中，微實驗作為實驗教學的補償、理論教學的補充。

為精準檢測非煤系圍巖里瓦斯的綜合狀態，通過深孔進行檢測，方法為：在非煤系地層進行超過10 m深度鉆孔以后，深入到沒有被擾動的含瓦斯圍巖層中5 m深的距離，采用“RS-1型柔性深鉆孔瓦斯外溢初速度檢測設備”進行瓦斯外溢初速度的檢測。[4-6]

3.1.3 分析地質巖芯

在隧道施工現場進行地質鉆探登記的基礎上，再特別著重分析如下情況：產生瓦斯地層、儲存瓦斯層的石質構造、不同巖層的埋深等；裂縫或孔隙縫隙大小、形狀等；對巖層揉皺情況、斷層的寬度等地質構造。

3.1.4 鉆孔取樣分析研究圍巖中瓦斯的含量

可以通過圍巖的滲透率和孔隙度這兩個非常重要的參數，分析圍巖中的瓦斯特點以及瓦斯在地層中的分布情況。對于非煤系地層來說，圍巖自身對瓦斯沒有很強的吸附性。分析圍巖裂隙或孔洞的分布規律，可以更好地研究圍巖中瓦斯的含量。具體方法是：在現場進行巖芯取樣，在每個鉆孔當中把一組瓦斯的顯示段以及儲存段巖樣取出后進行實驗。[7]

3.1.5 工程實踐

梅嶺關隧道在DK608+210～DK608+560段進行施工時，瓦斯監控系統時常報警，并監測到隧道里瓦斯濃度在極短時間里迅速升高。采用I16工字鋼加工成網格骨架并對隧道圍巖噴射混凝土，在控制圍巖的同時，全面封閉巖體。另外，采用直徑為8.9 cm、間距為150 cm的排放鉆孔，特別是對上導斷面采取雙層注漿管棚封堵技術，有效地阻止了瓦斯外溢，確保了施工安全。

3.2 通風系統在線監測和實時分析預警技術

瓦斯隧道通風系統是隧道施工安全生產系統的重要構成部分。現將通風系統在線監測和實時分析預警技術介紹如下：

3.2.1 通風方案

依照梅嶺關隧道設計情況和高瓦斯地質現狀，采用巷道式分區間通風方案，詳情為：

（1）第一步通風方案

在距離隧道洞口前600 m區間，無論是正洞還是平導都選取壓入式通風方式。為將新鮮空氣壓入隧道和平導，正洞口選取SDF-NO13型軸流式通風機將新鮮空氣壓入正洞隧道；平導進口通過SDF-NO11.2型軸流式通風機將新鮮空氣壓入平導隧道，平導出口通過隧道施工專用的SFC-6-NO18型隧道抽出式軸流通風機將瓦斯等有害有毒氣體抽出。9#、10#橫通道施工完畢以后，把風門安裝在9#橫通道兩側，選用VDT32（35）-2型隔爆軸流式通風機（局扇）在10#橫通道里加強通風效果。以上方案可以最大限度地規避瓦斯等有害有毒氣體在隧道和橫通道內積聚。

（2）第二步通風方案

為避免瓦斯等有害有毒氣體在9#橫通道出現渦流現象，在9#橫通道與正洞結合處增設一道風門。為防止瓦斯等有害有毒氣體順著平導回流，加速隧道內部空氣流動，在10#橫通道增設（B）SSF-N011.2/37防爆射流風機，讓瓦斯等有害有毒氣體通過正洞排出。

（3）第三步通風方案

當11#、12#、13#橫通道相繼進入正洞以后，正洞和平導風機依次向掌子面移動。為提高風流速度，增加（B）SSF-N011.2/37防爆射流風機設置在相距隧道口大約300 m的地方。此外，在正洞內部每相隔1 km的地方位置增加一臺（B）SSFN011.2/37防爆射流風機，讓瓦斯等有害有毒氣體加速排出洞外。

（4）第四步通風方案

當14#橫通道與正洞貫通以后，完成平導施工。然后在14#橫通道設置SDF-NO13型軸流式通風機將新鮮空氣壓入正洞隧道；平導進口通過SDF-NO11.2型軸流式通風機將新鮮空氣壓入平導隧道，平導出口通過隧道施工專用的SFC-6-NO18型隧道抽出式軸流通風機將瓦斯等有害有毒氣體抽出。

（5）第五步通風方案

當正洞隧道雙向洞穿以后，在14#橫通道、斜井和正洞交會處分別增加一臺（B）SSF-N011.2/37防爆射流風機向正洞輸入新鮮空氣。

3.2.2 通風狀態監控

KJ101N型瓦斯安全監控系統由瓦斯信息采集、瓦斯信息傳輸和瓦斯信息等構成。將監控信號電纜無死角布置在瓦斯隧道中，通過風速傳感器和瓦斯傳感器等對梅嶺關隧道各個施工區域進行實時監測。當隧道掌子面瓦斯濃度超過限值或者通風機風力小于設定值或處于停機狀態（一般規定瓦斯濃度不能大于1.0 ppm，隧道里的風速不能小于0.25 m/s）時，監控系統會立即把隧道異常情況信號傳輸到安全監控分站，立即發出預警信號，通過配套斷電器斷開控制隧道掌子面以及回風巷道內配套的電源設備，供電系統停止送電。當工況正常，警報解除，閉鎖也隨即解除，此時就能將供電恢復。安監系統瓦斯風電閉鎖原理詳見圖3。

圖3 監控系統閉鎖原理

3.2.3 分析應用效果

通過KJ101型瓦斯安全監控系統動態監測分析軟件[8]，與隧道里設置的空氣流動監測傳感器進行關聯，構建瓦斯隧道施工通風在線監測和分析預警系統，能夠順利完成通風設備網絡動態分析。構建好此系統并投入使用以后，技術施工安全管理人員能夠實時掌握隧道里任何一個工作面的通風狀況。在工程施工中，通過該系統多次及時發現瓦斯超標、風量不足等情況，并及時進行妥善處理，極大提升了瓦斯隧道通風的保障性和安全性。

3.3 安全距離爆破

爆破震動時會導致瓦斯異常涌出，極具危險性。為降低因預測誤差導致的危險，采用遠距離爆破方式，有利于安全施工。爆破的時候，在隧道外部設置起爆點，隧道內部和隧道口嚴禁火源，隧道里關閉電源，撤離人員。完成爆破以后，必須進行至少半小時的通風，并進行瓦斯濃度監測，確保安全后，才能進入隧道掌子面繼續施工。[9]

3.4 快封閉短進尺施工

梅嶺關隧道進行開挖爆破以后，隧道里的瓦斯濃度和體積會立即升高，不符合規定要求的穩定狀態。依照圍巖中瓦斯流動的趨勢，瓦斯濃度與瓦斯外溢速度、工作面的進尺、通風狀態等綜合因素密切相關。巖層中瓦斯含量和濃度越高，進行爆破開挖進尺越大，那么瓦斯外溢量就越大。短進尺舉措能夠有效降低瓦斯的涌出量。[10]

4 結論

梅嶺關高風險瓦斯隧道目前已順利通車，對于該項目的安全施工實踐，總結如下：為確保瓦斯隧道安全施工，必須按照“超前鉆進行瓦斯孔探、實時對瓦斯進行監測、杜絕接觸火源、強化通風降低瓦斯”綜合防治瓦斯的原則，提前構建瓦斯應對綜合施工閉合管理體系，借助瓦斯超前預報勘測技術對瓦斯隧道進行超前地質預報，掌握地層瓦斯含量和涌出情況，以此制定合理的通風方案，并實時監測通風效果，確保通風處于最佳狀態，這是防止瓦斯事故發生最有效的防范手段。另外，在隧道開挖過程中，通過灑水、鋪石灰等辦法也能將瓦斯濃度降低；同時，采取洞外遠距離爆破，隧道掘進采取短進尺、快封閉方法，同樣也能有效地降低瓦斯等有毒有害氣體的危害，有效預防瓦斯事故發生。