长距离高瓦斯隧道施工技术

高 峰, 刘永谷

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概况

成简快速路位于成都市龙泉驿区的柏合镇、山泉镇和茶点镇境内,穿越龙泉山。龙泉山 2#隧道横穿龙泉山山脉中段,为分离式隧道,左线隧道起点 Z K 4+622,终点 Z K 6+943,长 2 321 m;右线隧道起点 Y K 4+616,终点 Y K 6+938,长 2 322 m。隧道净空断面 10.5 m×5.0 m,左侧隧道最大埋深 322 m,右侧隧道最大埋深约 320.6 m。隧道进口 ～中部 ～出口的 线 间 距 为 17.218～26.5～13.83 m。隧道进、出口为Ⅴ类围岩,覆盖层薄。洞身围岩为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类围岩,其中Ⅴ、Ⅳ类围岩占91%,主要以泥岩、泥质砂岩、砂岩为主。

2 施工中的重点及难点

(1)隧道左线全长 2 321 m(右线全长 2 322 m),全部为 2.2%～2.6%的单向坡。隧道施工仅有进出口两个工作面,且开挖、支护、仰拱混凝土、顶拱衬砌混凝土同时交叉作业,洞内施工干扰大,施工布置非常困难。

(2)由于龙泉山 2#隧道施工仅有进出口两个工作面,其间没有其它施工通道,最大单头进尺约1 200 m,通风散烟比较困难。

(3)龙泉山 2#隧洞为高瓦斯隧道,施工时最高浓度为 73%,涌出量超过 2 000 m3。对施工工艺要求高,安全隐患大。

3 施工组织及安排

隧道施工采用了从左、右线隧道进、出口两个工作面双向掘进,共安排 4个隧道施工队分 4个作业面分别负责龙泉山 2#隧道左、右线隧道施工。

4 施工方案

(1)开挖施工。根据瓦斯隧道安全施工要求和工程特点,确定隧道采用台阶法开挖。开挖前,在工作面附近 20 m进行通风,当检测瓦斯浓度小于 0.5%时方可进行钻孔作业。钻孔全部采用湿式钻孔,钻孔作业时先开水、后开风以封闭粉尘,避免产生火花造成安全事故。

根据隧道的结构特点、围岩地质情况,开挖主要采用台阶法、隧道中壁法(CD法)施工。其中隧道台阶法主要在洞身III、Ⅳ、V类岩石风化破碎洞段采用;隧道中壁法主要在洞口围岩较差段、紧急停车段采用。CD法开挖施工程序为:

开挖作业由上至下,衬砌施工由下而上。CD法施工顺序为:1区→2区→3区→4区。CD法施工工序见图1。

图1 CD法施工横断面工序图

龙泉山 2#隧道为高瓦斯隧道,根据规范及设计要求,本工程所选用的炸材均为四川宜宾威力化工厂生产的 8号覆铜壳煤矿许用毫秒延时电雷管及 3号抗水煤矿粉状铵锑炸药。

根据爆破试验结果,总结分析出爆破参数,并在施工中不断优化爆破参数。隧道开挖采用的爆破参数见表1～4。

表1 Ⅳ、Ⅴ类围岩上台阶爆破设计参数表

表2 Ⅳ、Ⅴ类围岩下台阶爆破设计参数表

表3 Ⅲ类围岩上台阶爆破设计参数表

表4 Ⅲ类围岩下台阶爆破设计参数表

从目前隧道开挖施工情况看,开挖面成型效果良好,施工超挖控制在 9.8 cm范围以内,欠挖控制在 5 cm以内。

(2)支护施工。隧道支护分初期支护和混凝土二次衬砌。

①初期支护。初期支护根据围岩类型的不同采用不同的支护参数,型钢及格栅做拱架支撑,部分衬砌断面采用型钢全环封闭,喷护 C 20气密性混凝土,顶拱采用 φ 22@1.0 m,L=4.0 m组合锚杆;拱墙及部分仰拱段采用 φ 22@1.0 m,L=3.0 m砂浆锚杆,挂 φ 8钢筋网。洞口 30 m段采用φ 89@0.4 m大管棚进洞,其它洞段分别采用 φ 25中空锚杆及 φ 42超前小导管进行超前支护。

②混凝土衬砌。混凝土衬砌前,在初期支护面铺设 C W瓦斯隔离板。为杜绝明火,瓦斯隔离层采用冷粘接。

隧道的混凝土衬砌施工和开挖施工需交叉进行,施工相互干扰较大。隧道开挖与衬砌施工的顺序为:仰拱开挖超前于浇筑段 30～50 m→仰拱混凝土施工→仰拱填充混凝土施工→拱墙混凝土施工→边沟及电缆沟施工→混凝土路面基层施工→混凝土面板施工。

在仰拱混凝土施工时,为了不影响隧道掌子面开挖、出石碴及机械设备通行,仰拱开挖采用左右分幅的开挖方法,在仰拱混凝土施工部位搭设可移动式钢栈桥作为临时通道。混凝土采用混凝土泵送入仓。根据行车及施工要求,该栈桥设计为双榀单跨移动式拱形钢栈桥。仰拱 12 m分一段,单榀钢栈桥设计长度为 16 m,宽 1.0 m,栈桥平面与立面图见图2、3。

单榀栈桥拱形部位采用 3根 I 20a工字钢作主梁,间距 35 cm,底梁由三根 I 20a工字钢组成,两拱形工字钢之间每隔 1 m采用 I 18工字钢连接,拱形工字钢端头与底梁端头焊接,拱形工字钢与底梁之间每隔 2 m采用 I 18工字钢为横撑,所有焊接处焊缝饱满均匀。采用 φ 22钢筋与拱形工字钢顶部焊接作为栈桥面板,φ 22钢筋间距 7 cm。钢栈桥端头部位采用 1 cm厚钢板焊接加强,钢栈桥端头底部 2 m焊接 1 cm厚钢板以增加栈桥端头的受力面积;栈桥护栏采用 φ 48钢管与主梁外侧焊接。竖向每隔 1 m焊接一根长 1.5 m的 φ 48钢管,横向钢管采用扣件与竖向钢管连接。

5 瓦斯防控措施

(1)地质超前预报。

图2 钢栈桥平面图

图3 钢栈桥立面图

针对隧道内赋存的天然气,在隧道施工中遵循“动态设计、动态施工、先判断后处理”的原则,对隧道进行了超前地质预报。隧道的超前地质预报采用了 T S P超前地质预报、地质素描法、水平钻探等手段,对隧道围岩进行综合地质预报,预先确定工作面前方破碎带或断裂带的位置、规模、产状,了解工作面前方天然气赋存情况,以便及早采取预支护措施及天然气富集情况下的防护措施,以保证施工的正常进行和人员、设备的安全。

(2)瓦斯监控。

该隧道为高瓦斯隧道,设计根据钻孔监测成果分析隧道内的浅层天然气储量约为 10 280.9 m3,可能涌出量约为 2 345.9 m3。

为保证瓦斯隧道的施工安全,瓦斯检测采用人工监控与自动监控相结合。自动监控采用K J 90煤矿安全综合监控系统。在掌子面、模板台车顶部的上隅角设置便携式甲烷检测报警仪,在检测到瓦斯浓度 ＞0.5%时报警;瓦斯浓度 ＞1%时,自动切断作业区电源,立即撤出人员设备,工作面停止施工,对洞内加强通风,稀释瓦斯浓度,待瓦斯浓度低于 0.5%时方可恢复作业。人工检控采用手持式移动检测仪,根据规范要求,需对掌子面间、二衬面、回风区等进行 24 h不间断检测。

对需人工检测的部位,保证每 30 min检测一次。在测风站配备手动式测风仪,定期测定回风巷的风流速度。当风流速度小于 1%时,及时找出原因,采取措施。

(3)用电防护。

考虑到高瓦斯隧道通风系统的特殊情况,该隧道采用了双电源供电方案,即公用电网和自备发电站双电源,并安装备用电源自动切换装置,洞内供电采用单电源线路。洞内配电设备及照明电器全部采用防爆型,并做到“三专”、“两闭锁”,即专用防爆变压器、专用开关、专用供电线路和瓦斯浓度超标时与供电的闭锁、局部采用风扇通风与供电的闭锁,以保证瓦斯隧道安全施工。

(4)隧道通风。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》规定,对高瓦斯隧道工区和瓦斯突出工区,施工通风方式宜采用巷道式,故该隧道在第一个车行横通道贯通以前采用压入式通风,车行横通道贯通后采用巷道式通风。

高瓦斯隧道 24 h不间断通风,采用双电源,风机全部为防爆型,进洞风筒布全部采用专用的抗静电、阻燃型,风机和电源均必须考虑备用,洞内最小风速不能小于 1 m/s。风机操作工必须持证上岗。

(5)防爆设备改造。

根据高瓦斯隧道施工要求,所有进洞车辆和设备必须为防爆型。项目部通过技术分析和防爆试验,确定对所有进洞设备进行防爆改装。经过对防爆改装过的装载机和自卸汽车进行瓦斯浓度达到 0.5%条件下的模拟试验确定改装后的设备能满足施工安全要求。设备在隧道施工中现未发生爆炸事件。

(6)施工工艺要求。

①由于该隧道为高瓦斯隧道。洞内施工严禁明火,洞内拱架全部采用螺栓连接;

②开挖后及时素喷混凝土以封闭瓦斯溢出通道,喷混凝土采用气密性混凝土湿喷作业;

③二衬施工,隧道采用 C W瓦斯隔离板全断面封闭,混凝土采用气密性混凝土,渗气系数不大于10-11cm/s。

6 结 语

(1)龙泉山 2#隧道严格按照瓦斯隧道要求进行施工,瓦斯控制得当,未发生瓦斯突出、燃烧。经四川省康泰安全评估公司评价为:“制度健全,管理受控,措施到位”;

(2)目前隧道单洞开挖进尺 1 150 m,最大月进尺 122 m,二衬单月最高单工作面衬砌 180 m,施工进度满足要求;

(3)龙泉山 2#隧道为高瓦斯隧道,其特点为油田溢出型,有别于其它含煤瓦斯隧道,对超前预报、隧道施工方案、瓦斯监控、施工通风要求更高。

通过对龙泉山 2#隧道的施工经验进行总结,为其它类似长距离高瓦斯隧道提供了一定的借鉴。