溪洛渡水电站大路梁子隧道施工瓦斯防治技术

□魏明垒（中国水利水电第七工程局有限公司）

一、工程概述

（一）概况

大路梁子隧道位于溪洛渡水电站对外交通专用公路K38+458～K42+818，全长4360m，隧道穿越全线最高山岭——大路梁子山，最高脊高程1722m，隧道最大埋深800m。

（二）地质构造

工程区域所属“扬子准地台”西部，四川西南部“川滇南北向构造带”与四川盆地“新华夏系沉降带”的交接地带。该隧道位于铜厂沟背斜，背斜轴部为大路梁子山脊，走向与岩层走向一致，为近南北向。地层为华力西期玄武岩，两冀地层由老到新依次为：二叠系上统砂岩夹页岩分布煤层，三叠系下统泥岩夹砂岩，三叠系下统灰岩，三叠系中统灰岩夹砂岩。

（三）煤系地层

二叠系上统砂岩夹页岩（P2ss+sh）分布于K39+751～K39+845及K41+410～K41+760段，为页岩、砂岩夹煤层。据设计调查结果显示：东侧煤层正在开采，主要集中于隧道南部的炭厂和东部的炭厂湾两地，西侧由于开采条件差，未见开采迹象，推测的单层煤层厚度一般为0.6～1.2m，瓦斯含量在5.59%～10%之间，隧道通过二叠系上统，上述两段地层会有瓦斯突出。

二、瓦斯防治的技术措施

（一）瓦斯监测体系

1.人工监测：现场各作业面工班长、当班领工员、专职瓦斯监测员配备JCB-CMK1型便携式瓦斯监测仪及AZD-1智能多参数检测报警仪进行现场日常施工监测。

2.KJ90自动监测系统：该监控系统采用分部式网终化结构，一体化嵌入式设计，具有红外遥控设置，独特的三级断电控制和超强异地交叉断电能力，实现计算远程多级联网集中控制和安全生产管理。该系统由洞外计算监控中心、洞内中分站、洞内风速传感器和低沼传感器组成。该系统瓦斯监测范围：0%～10% CH4，瓦斯检测反应速度≤30S；该系统风速监测范围：0.3～15m/s。该系统可实现洞内传感器声光报警及洞外监控中心自动报警。

瓦斯传感器分别布置在隧道掌子面拱顶下1m（2台），分站及风速传感器布置在K38+580拱顶下2m（瓦斯监测仪1台、风速传感器1台），随着隧道不断掘进，分站和隧道掌子面两台传感器同时前移，保持距离在800m左右。

瓦斯监测人员必须经培训后，方可持证上岗。经培训的专职瓦斯监测员（安全员），在洞内进行动态监测，并做好监测记录。及时发现隧道瓦斯的死角（避车道，预留洞室，初支与二衬结合部），以便采取措施。用于工程的瓦检仪器如表1。

（二）隧道施工控制瓦斯限值及超限处理措施

隧道中煤（岩）层中瓦斯涌出浓度的大小是危险程度的标志，施工中必须将瓦斯浓度控制在安全的限值以内。隧道施工控制瓦斯限值及超限处理措施见表2：

（三）通风方案1.通风量的计算

为保证瓦斯地段的通风正常，保证施工人员的身体健康，将瓦斯含量降低到1.0%以下，特进行通风管风量的验算。

主要考虑以下4方面的因素：

（1）按洞内同时作业最多人数需要的新鲜空气计算风量

表1 瓦检仪器一览表

表2 隧道施工控制瓦斯限值及超限处理措施表

K风量备用系数取1.1～1.15;

m洞内同时工作的最多人数;

q洞内每人1min呼吸3m3。

（2）在规定时间内同时爆破且使用最多炸药量所产生的有害气体稀释到允许浓度下，计算风量

Q≥Vmin.S=1×70×60=4200m3/min；

Vmin在开挖断面的最小风速1m/s；

S开挖断面的面积（煤层段）70m2。

（3）根据不同的施工方法，按坑道内规定的最小风速计算

Q≥Vmin.S=1×70×60=4700m3/min；

Vmin掌子面的最小风速1m/s。

（4）最大瓦斯涌出量控制计算

依据规范当瓦斯涌出量>3m3/min时，以3m3/min计算控制稀释到1%,

Q=3×1.3÷0.01=390m3/min

由上述4种情况可以得出所用的风机的通风量为4200 m3/min从洞口到煤层里程K38+458～K39+845（1387m）风管损失风量取值1.2。所以所用风机的通风量为4200×1.2=5040 m3/min。

2.风机型号的确定

根据以上通风量的计算，并考虑后续施工的需要，采用75kW×2和110kW×2两台变级多速轴流通风机以及局扇根据不同情况对隧道进行通风。

（1）75kW×2变级多速轴流通风机参数：高速供风量2280m3/min，中速供风量1530m3/min，低速供风量1150m3/min；110kW×2变级多速轴流通风机参数：高速供风量2900m3/min，中速供风量1960m3/min，低速供风量1470m3/min。

（2）通风方式：因瓦斯比重轻（0.554），密度为0.717kg/m3，所以洞内通风口尽可能设于拱顶以保证拱顶通风,避免死角的出现。2台轴流通风机根据洞内施工需要确定风机的风速级别，在局部瓦斯可能积聚的地方采用局扇通风。

表3 通风设备一览表

3.供电方式

通风机设双回路电源，保证风机连续运转。目前采用当地的农网高压供应电力，另外隧道进口从桧溪变电站接10kV高压线至大路梁子隧道进口端，从盐津变电站接10kV高压线至隧道出口端，以确保隧道正常通风。

三、煤层地段的施工方案

（一）设计施工中采取以下几点对策

1.施工时做好隧道地质超前预报工作,根据煤层中瓦斯含量及瓦斯压力,确定瓦斯突出区段,设计文件中规定预测,预探指标,以及防止煤层瓦斯突出措施。

2.衬砌结构设计,应根据所在位置的瓦斯环境分类,采取不同的封闭瓦斯措施如围岩注浆,采用气密性混凝土,设计瓦斯隔离层,施工缝气密处理等。

3.建立洞内人工监测和瓦斯探头自动探测相结合的瓦斯检测制度,在洞口设置自动化瓦斯遥控中心,瓦斯超过极限时自动报警,自动闭锁。

4.隧道运营通风设计,应引入洞内瓦斯允许浓度指标,洞内应根据预计瓦斯逸出情况设置瓦斯遥测探头,并与通风控制系统连锁洞内风机采用防爆型。

5.应充分注意施工过程中的瓦斯突出问题。在煤系地层的施工中应随时测量掌子面及其附近的瓦斯含量,施工过程中应加强施工段的通风,使瓦斯浓度降到安全值,以确保施工安全。如瓦斯含量严重超标,则应采用防爆器材,并进行施工通风设计。

（二）隧道煤层地段施工方案

根据设计资料,结合瓦斯逸出情况,把隧道煤系地层段划分成2类：含瓦斯非煤层地段施工：K39+439～K39+751、K41+856～K41+760;煤层施工地段:K39+751～K39+845、K41+410～K41+760。

围岩类别及支护类型

1.K39+435～K39+439.4m局部塌方处理方案

K39+435～K39+439段节理发育、掉块严重，发生过坍塌，格栅钢架间距调整为0.5m/榀。径向锚杆采用R32N自进式锚杆注浆加固地层，注浆量0.2～0.3m3/根，锚杆长度4m，环向间距1m，纵向间距0.5m，其余支护参数按设计煤层地段Ⅲ类围岩进行支护，采用C20气密性喷射混凝土回填塌穴，并预留注浆管进行填充注浆。

图1 K39+435～K39+439段支护示意图

2.含瓦斯非煤层地段施工方案

（1）为了掌握含瓦斯非煤层段地质状况并及时释放非煤层段所含瓦斯，采用MK-5全液压水平地质钻机，在含瓦斯非煤层地质段进行1个，探孔深度30m，以提前进行煤系地层地段瓦斯监控。钻孔过程中出现顶钻、夹钻、喷孔等动力现象时，视该开挖工作面为突出危险工作面。每次施工20m，再进行下一次超前钻孔，每次施工的安全距离为10m。

（2）释放瓦斯

随着水平超前孔的钻进，瓦斯也随之涌出或喷出，使含瓦斯地层内的瓦斯释放并逐步减少，从而使导坑开挖时瓦斯涌出量减少至安全量，确保了施工安全。

为使钻孔安全释放瓦斯，不致酿成灾害，必须具备下述3个条件：钻孔掌子面至瓦斯涌出带间的岩盘应稳固并保证一定厚度（取10m），在布置钻机前应对掌子面及附近围岩进行必要的加强支护；钻机直径≯130mm；从钻孔释放出的瓦斯进入工作面空间时，必须有足够的新鲜风将瓦斯稀释至安全浓度；应使释放瓦斯在进入全断面后不致造成局部聚集。

具备了上述3个条件，采取应急措施，如配救护队和自救设备，以避免出现事故。

采用钻孔释放瓦斯，既能保证以后坑道掘进的安全，又不致延长较多的工期，是一种经济、有效可行的方法，释放瓦斯在煤层段更为实用。

（3）考虑到含瓦斯非煤层地段围岩节理裂隙发育，石质破碎，围岩自稳性差，拱部采用超前小导管注浆加固，小导管4m，环向间距0.3m，每2m打设一环。

3.煤层地段施工

（1）超前探测及防突措施：

a、在距初探煤层位置10m（垂距）处的开挖工作面，打3个检查孔，并取煤芯测试其主要物理性质和指标，分别探测开挖工作面前方煤层位置。

图2 检查孔示意图

b、按各孔见煤情况确定出煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系。

c、在距煤层5m处的开挖工作面打瓦斯泄压孔，对瓦斯压力进行测试，预测煤层突出的危险性。

（2）突出危险性预测及评价

a.钻孔观察

在检查钻孔时观察是否有卡钻、喷孔现象,据此作为突出危险性的特征。

b.数理分析

钻孔现象测试孔中瓦斯含量,释放初速度(Δp)、测定压力(p),取样品在试验室分析煤的岩固性系数(f)、瓦斯释放指标(Δh2或k1值),瓦斯释放速度(qm)。

经测试:

（3）揭煤顺序

根据预测结果和通风效果分析，采用底部小导坑微超前全断面掘进，分段揭煤，全断面整体掘进的方法。

（4）支护方式

a.按《大路梁子隧道瓦斯突出地段全断面注浆设计图》《“大路梁子隧道地段Ⅱ、Ⅲ类围岩复合衬砌断面图施工》。

b.开挖方法:采用短台阶施工法,循环进尺2m。

（5）防瓦斯渗漏补充措施，除采用气密性混凝土外，在衬喷与拱架之间、二衬与初支之间设置设置两层复合式防水板。为避免明火，所有钢件连接采用螺栓或锁扣。

四、瓦斯防治安全管理与效果

(一)成立瓦斯安全组织机构

由于该隧道施工的特殊性，专门成立了瓦斯控制安全组织机构，机构由业主、监理、施工单位各职能部门组成，实施由施工单位完成、监理单位监管、业主不定期的监督检查，从组织机构设置上来保证了瓦斯监测控制的体系完整，同时还成立了相应的应急救援组织机构，来应对突发事件。

(二)制定完善的管理措施确保日常运行安全

制定了详细的瓦斯隧道作业安全管理实施细则。根据技术措施和相关规程要求进洞人员不允许穿化纤衣服；开挖面在打眼后，放炮前、放炮后各检测一次（即“一炮三检测”）和“三人连锁放炮制”；在洞内瓦斯浓度超过一定值后加强检测和通风等详细要求保证了日常运行的安全。

[1]《铁路瓦斯隧道施工技术规范》,（TB10120-2002）.

[2]《煤矿安全规程》，国家煤矿安全监察局,2001.

[3]瓦斯隧道安全施工监测管理技术研究分项报告《施工通风、瓦斯监测与防爆》，93G31-3/6.