(中国水利水电第七工程局有限公司,成都,610081)
渝广高速华蓥山隧道属特长隧道,设计为双洞六车道,隧道左线(ZK23+467m~ZK28+485m)全长5018m,右线(K23+467m~K28+467m)全长5000m,总体走向约298°,为双向隧道,两线相距16m~30m,隧道净空高度为8.0m,宽度达12.5m。隧道纵坡设计为“人”字坡,进口端为0.507%的上坡,出口端为1.993%的上坡。
隧道洞身围岩为Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ类围岩,其中Ⅳ、Ⅴ类围岩占隧道总长的75%。隧道穿越断裂构造、岩溶、岩溶水、煤层等不良地质和特殊地质,隧道中部为煤与瓦斯突出隧道,岩溶及岩溶水发育。隧道施工存在极大的安全风险。
根据本隧道工程特点,安全风险主要为瓦斯燃烧爆炸、煤层自燃爆炸、煤与瓦斯突出、涌突水、突泥、变形塌方等。
隧道施工通过高瓦斯工区时,易造成瓦斯局部富集,施工中可能发生瓦斯燃烧或爆炸事故;通过煤层煤与瓦斯突出危险工区时,可能发生煤与瓦斯突出事故;隧道通过自燃煤层工区时,施工中易发生煤层自燃、煤尘爆炸事故。同时,隧道通过溶隙和溶洞工区时,溶隙和溶洞内有天然气积聚,施工中易造成瓦斯爆炸及H2S中毒等安全事故。
隧道施工通过高压富水断层带、可溶岩与非可溶岩接触带、高压富水充填性溶腔溶洞、煤矿采空区时,可能发生涌突水、突泥灾害事故。隧道施工通过软岩、断层破碎带及其影响带、采空区段时,易发生变形塌方。
经安全风险评估,华蓥山隧道施工安全风险为Ⅳ级(极高风险),瓦斯控制对本隧道施工安全尤为关键。因此,应根据本工程实际情况,从检测预报、通风供电、设备配置、施工方案等多方面采取安全控制措施,预防安全事故发生,为隧道顺利施工提供保障。
3.1 超前地质预报
本隧道施工设置专业地质预报组,以地质素描法、TSP地震波法、地质雷达、地质水平钻探等相结合的综合手段,对前方围岩情况进行探测,对掌子面前方的隧道围岩进行长期、中期及短期预报。通过长、中、短期预报,提高预报的准确度,对异常地质情况及时采取相应的防治手段。
对于本隧道地质较差段,每个开挖循环均进行地质素描,根据地质素描对前方围岩进行判断。同时采用TSP超前预报,每次预测距离为100m。根据预测围岩的地质情况,对TSP探测断层、裂隙发育的地段,可采用超前钻孔重点探测。
利用超前钻孔验证物探探测的异常地段,长距离钻孔超前探测50m,每30m一循环,每孔长50m;短距离钻孔超前探测20m~30m,每25m一循环,每孔长30m。
为提高地质预报的准确型,除采用上述方法进行地质预报外,同时利用地质雷达进行地质超前预报。地质雷达探测范围40m内,是一种非破坏型的探测技术,具有抗电磁干扰能力强、分辨率高的特点,可现场直接提供实时剖面记录图,图象清晰直观。
3.2 隧道通风供电
本隧道局部高瓦斯,施工阶段在第一条车行横通道贯通前,施工通风采用压入式通风,此后采用巷道式通风。为防止局部瓦斯聚集,各阶段通风均配置防爆局扇,局扇采用设有低、中、高速度的防爆型风机。施工通风均采用不间断连续通风,通风管采用抗静电、阻燃软风管。掌子面至二衬砌台车地段,采用移动式局扇配合软风管供风,以增加瓦斯易聚集地段的风速,防止瓦斯聚集。在施工过程中要及时接长风管,风管末端距工作面距离不应超过15m。
通风量计算必须综合考虑以下三方面因素,并取最大值:洞内同一时间最多人数,稀释和排除炮烟所需风量,消除顶层瓦斯积聚所需风量。
瓦斯隧道主供电配置两套电源,隧道内采用双电源线路。电缆采用矿用橡套阻燃防爆电缆,并在电路中安装漏电保护装置和防爆自动馈电开关。为保证隧道通风、照明及监测系统等一级负荷供电,当一路电源停止供电时,另一路电源应在10min内接通。当设两套电源困难时,必须配置备用发电机,并安设风电闭锁装置。
根据相关规定,瓦斯隧道施工洞内供电必须做到“三专”、“两闭锁”。即专用变压器,专用开关,专用供电线路;瓦斯浓度超标时与供电的闭锁,压入式通风的风机与洞内供电的闭锁。因此,高瓦斯和瓦斯突出工区洞内的局部通风机和电气设备,必须与瓦斯监控系统进行风电、瓦电闭锁,当局部通风机停止运转时,应能立即自动切断局部通风机供风区段的一切电源。
为节约通风供电成本,可由专业技术人员对现场通风效果和瓦斯涌出状况进行检测,根据检测结果,对通风系统及时进行阶段性调整,但必须保证洞内瓦斯浓度不超限。
3.3 设备防爆改装
在隧道高瓦斯和瓦斯突出工区,电气设备和作业机械应使用防爆型。防爆型机械设备多用于煤矿工程,对于高速公路工程,配置煤矿专用机械设备使用率偏低,不够经济。因此,本工程针对瓦斯隧洞施工特殊要求,对常规非防爆型机械设备进行了防爆改装,对内燃施工机械设备加配了车载式甲烷断电(熄火)控制装置。该装置实时监测周围环境空气中的瓦斯浓度,当环境瓦斯浓度超过报警限值(0.3%CH4)时,发出声光报警;浓度超过断电上限(0.5%CH4)时,控制装置自动断电熄火;浓度降到安全限值(0.3%CH4)以下时,内燃施工机械设备方可再次启动。
为节省施工成本,在保证正常通风条件下,若洞内瓦斯浓度继续下降或保持相对稳定状态,非防爆的移动式机械设备也可进洞作业。
3.4 隧道爆破作业
隧道通过瓦斯段的开挖原则为:短进尺,弱爆破,强支护,勤监测,加强通风,快喷锚。本工程每次开挖进尺控制在2m以内,采用上、下微台阶开挖,台阶长度控制在5m内。
根据相关要求,瓦斯隧道爆破作业应采用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。煤矿许用炸药加入了食盐作消焰剂,能吸收热量,降低爆炸气体的温度,削弱瓦斯与氧的连续反应,安全性高。雷管总延时时间不超过130ms,使雷管延期小于瓦斯爆炸所需的感应期,以保证不会引燃、引爆瓦斯。
实施施工中反映:煤矿许用炸药爆力和猛度只相当于一般岩石铵锑炸药的80%,毫秒电雷管只能选用到5段,制约公路隧道大断面的施工进度。鉴于上述原因,隧道开挖进尺过程中,在瓦斯浓度为0.3%时,可不使用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。
3.5 揭煤防突及瓦斯排放
根据相关规定和实际施工经验,揭煤施工前应打超前钻孔和预测孔,探明煤层位置和瓦斯情况,进行煤与瓦斯突出危险性预测。超前探孔可兼做炮眼,节约成本,提高功效。
隧道开挖揭煤时宜采用台阶开挖。上导坑开挖时,掘进工作面至煤层20m远,应打至少3个穿透煤层全厚的超前钻孔,推测煤层是否有畸变。若发现地质构造变化复杂、岩体破碎,则在隧道开挖轮廓线外5m范围内布置一定数量的超前钻孔,确保能准确掌握煤层厚度、角度变化及瓦斯情况等。
突出预测采用钻屑指标法为主,钻孔瓦斯涌出初速度法为辅的方法。隧道采用上、下导坑法开挖,突出预测孔主要控制上、下导坑断面(预测孔直径φ50mm)。
当预测有突出危险时,必须采取具有针对性、便于实施的防突措施。防突采用多排钻孔排放或抽放。钻孔控制范围为:隧道轮廓外上方7m,左右两侧6m,底部3m。排放瓦斯顺序:上导坑打排放钻孔(坑底距煤层不小于5m)→排放瓦斯15d→揭煤穿过煤层→下导坑打超前钻孔及预测孔。当判定有突出性危险→由下导坑底顺煤层打扇形排放钻孔→排放瓦斯15d→下导坑揭煤穿过煤层。瓦斯排放时,所有洞内掘进施工应停止。
3.6 突泥、涌水及塌方预防
隧道通过岩溶水、地下水发育的软弱破碎围岩及断层地段工区时,应加强超前水文、地质探测预报,提前预知前方围岩地质情况,预测判断是否具有突泥、涌水可能,防止灾害事故的发生。设计有超前地质钻探预报方案时,按设计进行施工,设计无超前地质预报时,可采取超长钻孔,钻孔长度5m以上,以探知前方围岩地质情况。
超前探测有突泥、涌水可能时,现场应果断采取处理措施。施工中常采取“以引排为主,堵水为辅”的排水方案。可能有突泥、涌水洞段,可采用钻孔、小导坑方式进行应力释放;对危险程度较高地段,可采用设止浆墙封堵,迂回导坑通过等技术方案。
现场发现有突泥、涌水或塌方先兆且极其危险时,必须立即停止施工,立即组织人员、机械迅速撤离危险区域,紧急情况下必须优先组织人员撤离。
瓦斯隧道防爆、防突、防塌为安全施工的核心问题,为防止灾害事故发生,必须认真做好超前地质预报、施工通风及相应的应急救援预案,确保安全方面的资源投入不打折扣。同时,瓦斯隧道施工安全问题也是世界级难题,需要更多的工程人士和学者致力于施工安全控制研究,研讨出行之有效的方法,既保障安全施工,又节约施工成本。