敞开式TBM穿越高浓度瓦斯煤层破碎带施工技术探析

曲长海，教传杰

（辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳110003）

0 引言

随着TBM 在国内取得越来越多的应用，对TBM 各项施工技术的研究也在各领域广泛开展，如茅承觉、中国铁道建筑总公司等；也有较多对TBM 通过不良地质洞段施工技术的研究，如王梦恕、赵毅、余学敏、左立富。但TBM 穿越高浓度瓦斯气体煤层断层破碎带的极端不利地质条件的情况，此前在国内TBM 施工中尚未遇到，也鲜有人开展该项研究。

1 问题分析

新疆某输水工程隧洞采用国产敞开式TBM施工，2020 年 1 月 12 日 9：40，TBM 掘进至 265+279桩号时，掌子面出现垮塌，设备配置的瓦斯监测仪瞬时报警，监测值达到114%LEL。鉴于该情况，立即停止掘进，施工人员关闭主机电源后迅速撤离至洞外，同时加大了隧洞通风风机的送风量，以稀释洞内瓦斯气体浓度。

通过对地质资料的研究分析及地表测绘和物探检测，基本判定目前开挖掌子面距煤层段还有20 m 左右距离，且该煤层段属于断层破碎带，施工中既要控制瓦斯气体浓度处于安全值范围内，又要保证TBM 刀盘不被破碎的煤渣包裹导致卡机，同时还需防范突涌水等情况的发生。

2 穿煤断层破碎带总体处理方案

由于煤层中瓦斯气体参数、压力、含量等均不清楚，存在较大风险，因此首先对TBM 施工区域加强通风以降低瓦斯气体浓度，同时委托煤层瓦斯气体处理的专业机构对TBM 刀盘前方的煤层瓦斯进行探测，确定准确的煤层位置、瓦斯含量及压力等具体参数。

在实施上述预处理措施的同时，组织召开TBM 穿越高浓度瓦斯气体煤层断层破碎带专题的专家会议，确定了具体处理措施及施工方案，待瓦斯气体浓度降低到安全值以内并完成煤层瓦斯探测相关工作后，对掌子面前方的断层破碎带进行预处理，确保TBM 设备能顺利通过该特殊的不良地质洞段。

3 高浓度瓦斯气体处理方案

该段隧洞施工，瓦斯事故是最大的安全隐患，故施工方案从加强瓦斯监测、加大隧洞通风、做好设备防护三方面预防措施入手，通过对瓦斯气体浓度的实时监测，控制和防止瓦斯浓度超限，同时做好设备、人员和材料等的防爆措施。采用人工与自动相结合的瓦斯气体浓度监测方式，二者监测的数值相互验证，从根本上杜绝瓦斯事故发生。

3.1 施工前准备工作

综合分析掌子面前方掘进段煤层、断层破碎带长度及瓦斯风险，结合现阶段成熟的、常用的瓦斯防控技术，在TBM 开始不良地质段施工前，重点开展以下施工准备工作：

1）完善隧洞通风设备的供电系统，达到独立专用双电源回路，确保隧洞通风24 h。

2）在已施工洞段的瓦斯检测报警系统中增加风电闭锁、瓦斯电闭锁装置，实现风、电、瓦斯三闭锁。

3）在瓦斯检测报警、风电闭锁、瓦斯电闭锁系统工作正常，以及工作面任意区域瓦斯浓度稳定在0.3%以下，方可开始进行瓦斯气体处理。

3.2 瓦斯气体超前探测

3.2.1 孔位设计及布置

由于无法通过TBM 刀盘对掌子面正前方进行钻孔，只能在TBM 护盾后侧与隧洞开挖轴线形成一定外倾角的斜上方钻设探测孔，瓦斯探测孔设计为四周钻孔。具体分区及布孔情况如下：

1）分区。设计钻设的瓦斯探测孔分为3 个区，其中1 号及2 号区是为了探明已揭露洞段煤层及瓦斯气体含量情况，3 号区是为了探明掌子面前方20 m 洞段的煤层及瓦斯气体含量情况。

2）布孔。每个区超前探测孔布设的环向孔距为1.0 m，孔深按穿过煤层10.0～15.0 m 考虑，外倾角控制在5°～15°，每孔孔深控制在60.0～80.0 m，具体孔深根据现场实际钻孔情况确定。由于受现场TBM 设备及已支设的钢筋网、钢拱架、钢筋排和锚杆等的影响，具体孔距、倾角等需根据现场实际情况进行随机调整。

3.2.2 探测孔施工顺序

根据探测孔分区及现场实际情况，其施工顺序如下：

1）先进行3 号区探测钻孔施工，再进行 1 号及2 号区探测钻孔施工，钻孔直径为89 mm。

2）每个区先钻设顶部及底部探测孔2 个，钻孔完成后，进行孔口封堵及安装测压管、球阀、压力表，准确记录读数值。视煤层瓦斯压力及透气性的不同，其观测时间一般在20～30 d 之间，如果压力变化在3 d 内小于0.015 MPa，测压工作即可结束；否则，应延长测压时间。

3）根据瓦斯压力测定情况决定是否进行其他探测孔施工，若瓦斯压力较大（煤层原始瓦斯压力P≥0.74 MPa），需继续进行其他探测孔施工，同样按照环向间距1.0 m 实施钻孔；若瓦斯压力较小，则在隧洞周边再分别实施2 个探测孔，进一步确定是否存在瓦斯，若压力仍很小，则结束探测钻孔施工。

4）钻孔施工过程中，作业区应设置两部以上瓦斯气体检测仪，并安排专人定时进行检测，做好记录。探测钻孔工作面10.0 m 以内瓦斯浓度大于1%，且TBM 设备任意带电处瓦斯浓度大于0.5%时，应停工、停电，加强通风。当洞内任意处测定的瓦斯浓度均已降低到小于0.5%时，方可恢复探测钻孔施工。

5）探测孔施工前，必须做好防止孔内突涌水的一切准备工作。钻孔施工过程中，如发现煤层变松软、坍塌或出现孔内水量、水压突增的情况，必须马上停钻，但不得拔出钻杆。安排专人监控水情变化，待水压、水量接近稳定极值后，方可继续施钻；如水量、水压持续不变或有增大趋势，则需要对该孔采取封堵措施。

3.3 瓦斯排放措施

3.3.1 瓦斯稀释排放

根据瓦斯钻孔探测情况，若瓦斯渗出量较小时（小于1 m3/min），可通过加大隧洞通风风量和风压的方式，将瓦斯气体稀释，随隧洞回风自然排放至洞外，排放过程中需严格按照要求加强瓦斯监测，待瓦斯浓度小于0.3%时方可恢复施工。

3.3.2 瓦斯抽放

若瓦斯渗出量较大时（大于1 m3/min），仅靠通风稀释排除难以将瓦斯浓度降低到允许范围内时，可用抽放的方法排除瓦斯。该工程在瓦斯处理过程中，瓦斯渗出量通过施工通风进行自然排放即达到浓度小于0.3%的要求，因此未采取抽放措施。

4 穿越煤层破碎带处理措施

在TBM 穿越煤层破碎带段时，可以按照TBM通过软岩不良地质段掘进的方法进行施工，主要采用以下措施：

1）掘进开挖遵循“小推力、低转速、早封闭、强支护、初期支护务必一次到位”的原则进行施工。

2）TBM 掘进期间及时调整姿态，避免TBM在软弱不均匀的地层中掘进时机头下沉。

3）遇隧洞洞壁承载力过低、无法提供撑靴支撑反力时，可在撑靴处采用喷射混凝土、钢筋网、钢拱架、钢拱架间封薄铁板灌注混凝土等一种或多种方法联合支护的方式，对撑靴部位洞壁进行处理后再掘进通过。

4）针对掌子面前方的破碎围岩及出现的塌腔，可采用“通过瓦斯探测孔施做超前管棚”“先加固后通过”等施工措施进行超前处理。为了防止塌腔进一步扩大，可分为加固区、塌方区两个区段，对于加固区可采用化学灌浆、回填轻质混凝土、水泥固结灌浆；对于塌方区可采用超前管棚、密排钢拱架、钢筋排、岩面初喷混封闭、钢板封闭浇筑混凝土、喷混（预留回填混凝土管及灌浆管）、回填混凝土、回填灌浆支护方法组合的方式进行处理，如示意图1 所示。

图1 塌腔处理示意图

通过采取上述处理措施，新疆某输水工程TBM设备顺利通过不良地质段，未出现设备在煤层破碎带不良地质段内卡机或其它事故发生的情况。

5 防爆措施

1）做好瓦斯超前预报。TBM 掘进前首先进行地质雷达超前预报，结合超前钻机在掌子面前方打长、短超前探测孔，检测瓦斯浓度，由专业人员分析瓦斯状态及规律，以指导瓦斯治理工作。

2）强化瓦斯的检测、监测工作。完善检测监测设备，健全检测监测管理制度，将瓦斯检测工作作为施工工序中的必要一环进行管理。

3）高瓦斯段隧洞通风设计。重新进行隧洞通风设计计算，通风方案必须满足稀释洞内瓦斯浓度达到设计允许范围以内并及时排出洞外的要求，风机应安装在洞口外新鲜空气环境中，至洞口距离不得小于20 m。

4）瓦斯排放。当瓦斯涌出较小时，可采用压入式通风的方法解决；当瓦斯涌出较大时，可采用压入式通风与瓦斯气体抽排相结合的方法进行处理。

5）TBM 电气设备改造。在含瓦斯气体洞段，应使用具有隔爆功能的电器设备外壳密封，有效地将电器设备内部与外部隔绝，设备内部即使产生电弧、火花也不会引爆设备外部的瓦斯气体，从而达到防爆的目的。防爆设备元件主要以电气和液压设备为主。在电气设备及控制柜周围增加通风管路，保证其附近有足够的风量，能稀释、降低周围的瓦斯气体浓度，使其低于燃爆浓度。

6）完善安全保证体系、应急预案。完善高浓度瓦斯气体煤层断层破碎带施工安全技术保证措施，制定专项应急预案。加强机械及电气设备管理，按照作业规程进行操作。

7）进洞设备。进洞设备采用防爆型，可对现有设备进行改造，不能改造的重新购置专用防爆型设备，防爆设备必须经过专业认证才能进洞作业。

8）进洞人员服装。进洞人员严禁穿着易产生静电的化纤类衣服，人员防护用品及定位卡等按规定配置。

9）备用电源。备用电源必须满足通风、照明、排水的需要。洞口配备1 台1 000 kVA 的发电机，线路连接至双电源自动转换开关，作为备用电源，供电线路停电后，能够在15 min 内启动发电机，恢复通风机正常运行。

10）增加喷射混凝土厚度。加强岩面清洗，喷射混凝土应密实，喷射混凝土厚度增加5 cm。

6 结语

针对长距离、大直径的隧洞采用TBM 掘进施工，在TBM 掘进临近富含瓦斯气体的地层中，会增加TBM 的施工难度，严重时甚至造成设备损坏、人员伤亡等事故，在施工中必须高度重视、加强管控，确保施工安全。

工程在穿越煤层断层破碎带过程中，经常出现TBM 主机区域瓦斯气体含量超过安全值而导致停机进行瓦斯强制排放的情况发生，设备掘进效率极低。按照施工前制定的TBM 施工穿越含瓦斯的煤层破碎带的施工方案，历经7 个月的艰苦努力，TBM 终于安全、顺利地通过了仅58 m 的含瓦斯煤层断层破碎带。

总结该施工技术方案及施工经验，重点应做好以下几个关键点的把控：

1）采用钻孔的方式提前进行瓦斯气体探测，确定瓦斯气体参数、压力和浓度，对施工方案制订至关重要。

2）做好施工过程中的瓦斯检测与控制，实现风、电、瓦斯三闭锁，以及人工、自动测量数据相互认证，确保系统可靠、数据准确、安全有效。

3）采取适当措施进行瓦斯气体的排放处理，确保TBM 设备上所有工作部位的瓦斯浓度稳定在0.3%以下。

4）多方式组合的加强初期支护施工，确保TBM安全掘进通过极破碎、软弱的煤层断层破碎带。

5）施工过程中全方位、多角度、无死角地加强防爆管控，确保施工全过程安全、可控。

随着TBM 在国内越来越多的取得应用，TBM施工中遭遇各种各样的不良地质条件的情况将越来越多地发生，该施工方法对后续类似地质条件的TBM 施工，具有一定的借鉴意义。