水工高瓦斯深埋长隧洞施工关键技术研究

高 俊

中铁六局集团天津铁路建设有限公司 天津 300000

1 研究意义

由于地下瓦斯逸出可能导致施工人员中毒、燃烧甚至是爆炸事故发生，具有破坏力强、影响巨大的特点。一旦发生瓦斯事故，容易造成大量伤亡，伴随而来的就是停工停产及巨大的经济财产损失。因此，在施工过程中采取贴合现场实际、效果好的措施，确保过程中瓦斯安全稳定，对高瓦斯超长引水隧洞顺利施工具有深远的经济效益和社会效益。

LXB供水工程C1#主洞通过项目调研、现场探测与监测、理论分析、数值模拟等研究手段，分析瓦斯逸出机理、提出水工隧洞瓦斯处置方法，最终形成了水工高瓦斯深埋长隧洞施工关键技术研究。

2 国内外研究现状

目前，煤矿瓦斯灾害事故频发，过去在修建隧道时，都尽可能采取避绕措施避开煤矿区，只有代价巨大时才不得不从煤田或煤系地层穿过。建国以来至1999年，我国修筑了18座瓦斯隧道，只占全国隧道总数的0.18%。随着我国交通和水电工程的发展，在有煤层和瓦斯地区通过并修筑隧道的机会越来越多，穿越多个煤层、高瓦斯地区的隧道也不断增加。据不完全统计，2000年至今，我国修建的瓦斯隧道已有140余座，其中长度3km以上隧道也有43座，大大超过了2000年以前修建的瓦斯隧道总数[1]。未来将有越来越多的隧道将穿越煤系地层。因此，仍需深入研究隧道施工中瓦斯相突出与防治关键技。加强研究施工过程中瓦斯突出的规律，对瓦斯灾害的预防治理具有深远的意义。

3 工程背景

3.1 工程概况

LXB二期工程CY供水施工一标位于辽宁省境内，隧洞为有压引水隧洞，主支洞全长18742.87m。支洞开挖断面为圆拱斜墙型，主洞开挖断面为圆拱直墙型，衬砌后断面为正圆形，直径为3.9m。本标段共有C1#等5条支洞，总长度6486m,其中C1#支洞长度1632m，高差188m；主洞全长2090m。

3.2 瓦斯逸出

C1#支洞控制段上游2017年10月1日施工至桩号C3+122.7（距洞口1796米）掌子面开挖钻孔过程时5个钻孔瓦斯逸出并产生燃烧，施工暂停。2017年12月15日瓦斯燃烧火焰熄灭，持续燃烧76天。

3.3 地质补勘

C1#主洞上游瓦斯逸出后勘测设计院先后进行了地质测绘、地面垂直孔钻探、洞内水平钻探、物探EH4测试、洞内气体取样检测、探孔内气体取样检测、洞内渗油取样检测等相关工作。

（1）气体成分分析

可燃气体主要成分为O2、N2、CH4和CO2，平均含量O2占8.18%、N2占42.25%、CH4占49.28%和CO2占0.30%。

（2）补勘结论

工程区位于华北古陆东北部的金岭寺—羊山盆地中部，盆地内堆积了侏罗系和白垩系火山沉积地层，断层和褶皱构造发育，节理裂隙发育。断裂构造是瓦斯运移的主要通道。根据地层生成和沉积条件，工程区内具备油层气生、储、盖的条件。瓦斯气体生层主要为侏罗系下统北票组地层的沉积岩，储层主要为侏罗系上部沉积的砂岩、砂砾岩，盖层为白垩系的火成岩[2]。

根据气体成分及补勘结论，判定C1#支洞控制段上游为高瓦斯洞段，其中桩号C2+399～C3+123段为高瓦斯段，掌子面瓦斯涌出量最大值估算预测为0.72m3/min。其余段为低瓦斯段。

4 瓦斯逸出燃烧处理技术

根据洞内瓦斯喷出燃烧和地质勘探情况，采用加强洞内通风量，洞内气体监测监控、洞外打设竖直向下地质探孔改移瓦斯气体喷出通道，洞内瓦斯喷出压力、喷出量减小，瓦斯燃烧熄灭，然后对掌子面进行喷砼密封，对燃烧影响洞段重新进行加固支护，为下一步瓦斯洞段开挖创造了施工条件。

（1）洞口封闭管理，加强洞内通风：瓦斯喷出燃烧后施工停止，洞口封闭值守管理，严禁无关人员进入。加强洞内通风，配备备用发电机、备用通风机，保持洞内24小时不间断通风，使洞内喷出瓦斯能够充分燃烧，减少洞内有毒有害气体。

（2）洞内气体检测监控：成立洞内瓦斯检测小组，在支洞内间隔200m、主洞间隔50m设置固定检测点，洞内拱顶悬挂瓦斯自动检测报警传感器，人工利用光干涉瓦斯测定仪和便携式瓦检仪，定频次、定位置对隧道内的气体含量、温度进行检测，并形成记录后进行计算分析。主洞靠近燃烧点位置安装视频监控系统，洞口值班室内安装显示屏，并由专人24小时监控洞内情况。

（3）洞外打设地质探孔：在瓦斯喷出燃烧的掌子面后方5m，距中心线右侧5m位置，在洞外地面垂直向下打设地质探孔，钻孔直径Φ90mm。钻进过程中分段进行岩层取芯，对孔内瓦斯气体喷出量、喷出压力进行监测，当孔内瓦斯喷出量较大，且有一定压力时停止钻进，在孔口安装气体监测的流量计和压力计，并进行安全防护，严禁烟火。

（4）瓦斯燃烧熄灭，掌子面封闭：通过在洞外打设地质探孔，瓦斯喷出通道改变，掌子面喷出瓦斯量和压力减弱，洞内瓦斯燃烧逐渐熄灭。通过气体检测洞内瓦斯浓度满足施工作业条件后利用喷射混凝土C25W8对掌子面进行封闭，喷射厚度20cm,喷射混凝土中掺入气密剂，透气系数不大于1-10cm/s。

（5）燃烧影响洞段加固支护处理：掌子面封闭后对因瓦斯燃烧造成初喷、岩石开裂脱落洞段重新进行加固支护处理，加固支护采用锚杆、钢筋网、喷混。

5 高瓦斯洞段施工技术

根据地质补勘结果判定C1#主洞上游为高瓦斯工区，对辽宁省水利施工属于首次，铁路、公路行业瓦斯隧洞多属于穿越煤线的煤生气，瓦斯富集量较少，通过加强通风、瓦斯监测、分台阶开挖等施工措施可以解决瓦斯逸出危害，而对于油生气，瓦斯大量富集喷出，国内遇到甚少，没有成熟的经验方法可以借鉴。在进行方案确定时先后咨询了煤矿行业和铁路行业瓦斯处理和专家，邀请瓦斯处置专家到现场进行指导，分别对瓦斯燃烧处理、隧洞通风方式、瓦斯抽排方式、掘进开挖方法等进行了研讨，确定瓦斯洞段专项施工方案。

瓦斯洞段施工前首先对临时工程及施工辅助设施进行改造，完成并经验收合格后，组织进行瓦斯洞段主体施工。通过掌子面进行超前探孔，判定掌子面前方地质情况以及瓦斯逸出量，并对瓦斯逸出量超过标准的洞段进行瓦斯抽排，局部瓦斯富集洞段沿掌子面轮廓线进行超前高压预注浆，采取上述措施降低掌子面瓦斯浓度，满足施工条件后进行隧洞掘进、支护、底板混凝土施工。

5.1 临时工程及辅助设施改造技术

原施工用设施不能满足瓦斯洞段的施工需求，需要对临时工程及相应的辅助设施进行重新改造并增设新设备。

（1）高瓦斯洞段通风方式

高瓦斯隧洞支洞长1632m，支洞控制段上游长1292m，独头掘进最长距离达到2924m。为避免对上游施工造成干扰，暂停下游施工，并对下游进口处进行临时封闭，实现独头掘进、通风的目的。为达到瓦斯隧洞施工要求，考虑现场现有条件，对通风进行专项计算，最终决定采用压入式通风，在支洞口20m位置安装2台压入式轴流通风机（75kW），并预留1台备用，风管采用Φ1.2m高性能抗静电阻燃型，靠近通风机50m范围风管内安装刚性骨架，风管悬挂在拱顶，延伸至掌子面5m范围；风管末端20m为橡胶材质，尽可能降低飞石对风管造成的损害。达到压入风量与回风量相等，实现通风简单、稳定、可靠。对避车洞、调车洞等易于积聚瓦斯位置安装10kW射流风机增加排风。

（2）特殊区域局部通风

风筒分支排放法。塌方处附近的风筒上加“三通”或安设一段小直径的分支内筒，向空洞内送风，以排除积聚的瓦斯。

压风排除法。在高压风管上接出分支，并在支管上设若干个喷嘴，利用高压风将积聚的瓦斯排除。当掌子面发生塌方或涌水造成塌腔时，也可以采用此方法防止瓦斯积聚。

（3）布设瓦斯监测监控系统

高瓦斯隧洞施工期间，设置瓦斯检测系统，瓦斯检测系统由瓦斯自动监控系统与人工检测测系统组成，并作为施工工序管理，由现场负责人主管，采用瓦斯浓度、风速/风量双指标进行安全施工组织管理。

瓦斯隧洞瓦斯检查员配备光干涉瓦斯检测仪，班组长、掘进机司机、入洞检查的管理人员应配备便携式瓦斯检测仪；所有瓦斯隧洞都按规定安装瓦斯自动检测报警断电系统，实行瓦斯电闭锁。

监控系统传感器布置，主洞距开挖掌子面5m处布设甲烷传感器3个（分别布设在拱顶及拱腰位置）；距开挖掌子面15m处布设甲烷传感器1个；开挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱顶下设甲烷传感器1个。随着隧洞不断掘进传感器同时前移增设。

（4）洞内供电用电线路改装

洞内供电用电线路改装主要包括防爆变压器进洞安装、高压线路进洞铺设连接、低压线路铺设连接、照明线路及防爆灯具连接安装、防爆水泵安装及线路连接。供电系统采用专用变压器、专用开关、专用线路，高压电缆选用10KV ZR-YJLV22 3*70，由洞外10kV电力线路T接至洞内防爆变压器KBSGZY-400/10/0.66/0.38，降压为380V后，再由各防爆馈电开关及防爆电缆完成向各工点的供配电，固定敷设的电缆应采用铠装聚氯乙烯电缆；移动式或手持式电气设备的电缆，采用专用的不延燃橡套电缆；开挖面的电缆采用铜芯。

（5）施工机械设备改装

施工机械设备改装委托具有机械设备防爆改装资质的山西强力矿用设备制造有限公司进行改装。设备改装主要是对发动机尾气进行处理，彻底消除排气火焰，同时降低喷排气温度；对发动机温度较高的部位用隔热材料进行包裹，使其与外界隔离；改装电器系统包括照明系统、启动系统、发电机系统、蓄电池系统、控制系统，以消除电器系统的明火与外界接触的机会。

（6）增设洞外瓦斯抽排系统

瓦斯洞段开挖工作面达到瓦斯抽放条件后，在隧洞侧壁打瓦斯抽放孔扩大洞室（钻场），洞室宽3.5m，长4m，高2.5m，采用锚喷进行支护，左右布置间距25m。抽放孔采用ZDY1900S型全液压钻机，每次与洞轴线不同角度打设4个抽放孔，孔深50m，孔径Φ94mm，抽放孔连接抽采管，抽采管选用内径Φ150mm的无缝钢管，钢管采用法兰盘螺栓紧固连接，沿洞壁铺设通过瓦斯抽放竖井延伸至洞顶外，与洞外设置瓦斯抽放泵站相连，泵站安装2台2BE1 253-0型水环真空瓦斯抽放泵（功率75kw、排气量45m³/min，1台备用），瓦斯泵的进、出气端管道上设置防回火装置、水封式防爆器，以及相应的瓦斯抽放监测装置。泵房和放空管附近设置避雷装置，防止雷击造成引爆。详见《C1#主洞瓦斯洞段瓦斯抽放方案》。

施工前在C1#主洞上游瓦斯揭露工作面后方50m处（C3+173）垂直于地面施工1个Φ0.8m瓦斯抽放竖井，终孔对应隧洞顶拱部端，瓦斯抽放管路通过竖井进行洞内和地面抽放泵站进行连接。竖井两端10m采用钢管进行防护，井口采用8mm钢板对进行遮盖封闭，同时四周设置高度不小于1.8m的防护栅栏，悬挂警示标志。井底采用Φ8@50×50mm钢筋网进行防护，悬挂警示标示。

（7）应急救援物资

修建洞口值班管理室共计120㎡，配备施工防护用品和应急救援物资，包括矿灯、矿用安全帽、防毒面具、消防器材、隔绝式压缩氧气、隔绝式化学氧气自救器、棉质工作服。

5.2 施工专业队伍配备

高瓦斯洞段施工因安全风险高、施工难度大、资源投入大、专业化程度高组建1支自建型架子队，配备煤矿施工和瓦斯处理专业人员，包括专业技术服务人员、瓦斯检测人员、瓦斯抽排人员、专业电工。施工作业前组织全体管理人员及C1#洞施工作业人员进行了方案交底和安全技术培训交底，并组织进行瓦斯逸出事件应急演练，提高了现场人员对突发事故的防范及应急反应自保互保能力，学会了正确使用防护设施。

5.3 瓦斯洞段施工过程控制技术

（1）ZK1地质勘探孔瓦斯抽排情况

洞外瓦斯抽排系统对洞外ZK1地质勘探孔进行抽排，施工准备阶段抽排40次，瓦斯抽排时间共计6598min（109.97h），瓦斯抽排量为106556m³；开挖施工过程中共抽排61次，抽排时间6115min（101.9h），瓦斯抽排量为144034.6m³。

（2）超前地质探孔施工

每循环开挖施工作业前在掌子面打设3个Φ108mm超前地质探孔（孔长38m，每循环预留搭接10m），判断掌子面前方瓦斯逸出情况和地质围岩情况。钻孔过程中对瓦斯逸出量、围岩钻进速度进行了详细记录，推断岩石变化情况、瓦斯逸出量及位置，目前已打设超前探孔8个循环，共计912m，孔内瓦斯检测浓度26%-0.3%。

（3）超前高压预注浆

瓦斯富集洞段每循环根据掌子面超前地质探孔及后方围岩推测情况，利用超前探孔进行了掌子面超前高压预注浆，共计注浆3个循环，注浆水泥55.55t。

（4）瓦斯洞段开挖掘进施工

瓦斯洞段超前地质探孔、超前高压预注浆完成，洞外ZK1地质探孔瓦斯抽排浓度降低后，洞内作业面瓦斯浓度检测值满足开挖施工条件后，进行开挖掘进施工。爆破开挖施工每循环增设5个长度5m孔径Φ42mm短超前探孔，加强通风管理，严格执行“一炮三检”，作业过程瓦检员全程检测，瓦斯抽排配合进行，爆破钻眼孔内CH4浓度65%-0.3%，作业面CH4浓度控制在0.08%-0.01%。施工围岩岩性主要是火山角砾岩、玄安岩，岩石中有黄褐色油质液体渗出。

6 技术应用结果

LXB供水工程C1#主洞出现了瓦斯涌出、燃烧等灾害，燃烧历时了76天。由于引水隧洞瓦斯逸出具有重度、燃烧甚至爆炸是爆炸威胁，具有破坏力强、影响巨大的特点，一旦发生，往往造成群死群伤，采取切实可行的措施，确保瓦斯防治安全，对高瓦斯深埋隧洞工程建设顺利进行具有深远的经济和政治意义。

7 结语

制定早预报、适排放、勤监测、禁火源、强通风、控浓度、快支护、早封闭瓦斯隧洞施工原则和具体施工流程。基于超前探测、实时监测（检测）、合理抽排、注浆封堵的思想，提出了超前预探-瓦斯抽放-高压注浆孔隙封堵瓦斯联合处置方法，结合测取瓦斯数据，确定了优化瓦斯洞段开挖、支护施工方案，形成了高瓦斯深埋长隧洞“探-测-排-堵”成套关键施工技术。实践表明，该成套关键技术有效解决了高瓦斯深埋长隧洞的安全施工问题，保质保量的完成了施工任务。