瓦斯隧道防突防爆施工技术研究

翟耀斌

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

1 工程概况

林家屋基隧道位于贵州省六盘水市盘县境内的英武乡，起讫里程D1K925+465~D1K931+300， 中心里程D1K928+372.5， 隧道全长5 835 m， 设计为双线隧道， 单面坡， 其中，D1K925+465~D1K926+000 段535 m 为平坡段，D1K926+000~D1K931+300 段5 300 m 坡度为20‰，设计为上坡，隧道最大埋深400 m。 进口D1K925+465~D1K925+930 段为高瓦斯段。根据现场调查，有煤线出露，当地于三四十年前曾有过小煤窑开采，村庄迁居此地后停止。 近年来，英武乡曾规划开采煤矿，后因高铁施工停止。

隧道区基岩大多裸露，为三叠系下统永宁镇组二段、永宁镇组一段、关岭组二段、关岭组一段、飞仙关组、龙潭组。 隧道进出口及缓坡地带有少量覆土， 地层由新到老如下： 粉质黏土、碎石土、黏土、关岭组二段、关岭组一段、飞仙关组、龙潭组、三叠系下统永宁镇组二段、永宁镇组一段。

不良地质为岩溶与岩溶水、危岩落石、断层破碎带、煤层瓦斯及采空区。 隧道进口D1K925+465~D1K925+930 段为高瓦斯地段。

地下水主要为第四系松散土层孔隙水、 基岩裂隙水、岩溶水。

2 施工方法及施工工艺

2.1 超前地质预报

隧道施工时，严格遵循 “超前探、管超前、短进尺、弱（不）爆破、强支护、勤量测、紧衬砌” 的原则。

超前地质预报采用平行导坑超前、 循环施工中增加超长炮眼探孔提前解拟前方地质状况， 同时聘请专业预测单位负责专项地质预报工序。施工中引入TSP 探测系统、地质雷达探测系统、PRD－150 型多功能地质钻机、HY-303 型红外线探水仪等先进手段进行预报，以探测瓦斯含量、压力、煤与瓦突出、煤层位置、产状、煤层厚度，防止误穿煤层，同时对是否存在采空区及采空区规模、性质及岩溶涌水等进行预报[1]。

2.2 防突方案及防突措施效果检验

为了预防瓦斯突出危险，揭煤前应进行瓦斯排放，排放后进行瓦斯排放效果检验， 当各项检测指标都在突出危险临界值以下时，则措施有效，否则，应采用延长排放时间、增加排放孔数量、瓦斯抽放等补救措施，直至效果检验有效为止。

2.2.1 揭煤方案

根据超前地质预报，结合煤与瓦斯突出相关规范规定，本项目选择煤层前10 m 到通过煤层后10 m 为揭煤段长度，揭煤段应严格按照揭煤方案进行施工。

在距煤层最小法向距离5 m 时， 掌子面布设φ75 mm 排放钻孔，穿过煤层不小于0.5 m，孔底间距2 m。 排放后进行瓦斯排放效果检验。

揭煤前，煤层与工作面保留足够安全岩柱，石门工作面距离预测煤层垂直距离不小于2 m。 再次进行瓦斯突出预测验证，如有突出危险，采取补救措施（如钻孔排放或瓦斯抽放等措施）。

确认无煤与瓦斯突出危险后，设置钢架、超前支护等防护措施，然后进行爆破揭煤。 采用湿式钻孔，煤破作业采用煤矿许用雷管及煤矿许用含水炸药， 电力起爆。 本项目为缓倾煤层，一次全断面揭开岩柱。 放炮时洞内停电，洞外起爆，洞口50 m 以内杜绝一切火源。当石门揭穿后，工作面始终保持前方安全区不得小于5 m。

2.2.2 防突效果检验

检验工作面前方瓦斯排放效果，需布置检验孔，上、中、下、左、右各1 个，共5 个。 当检验效果指标小于临界值时，即排放效果有效，反之则为无效。 若在打检验孔时发现顶钻、夹钻、喷孔现场，也视为排放措施无效，必须采取补救措施。

钻屑指标法防突措施效果检验临界值见表1。

表1 钻屑指标法防突措施效果检验临界值表

2.2.3 揭煤安全措施

1）项目部成立揭煤领导小组，现场统一指挥协调，组织人员、物资设备、车辆、通信系统使用、调度工作。 现场施工揭煤过程中，救护人员及救护设备在洞口随时待命，一旦发生险情立即抢救。

2）瓦斯隧道施工全体人员须进行岗前安全、技术培训，考核合格后持证上岗。 安设专职瓦斯监测员3 名，24 h 监测瓦斯，掌握突出预兆。

3）建立高效、安全、可靠的通风系统。 隧道进口安设了大功率防爆通风机，并配有备用通风机，独立双向回路电源。 揭煤施工前，专人检查通风系统各设备。

4）各个分部开挖断面需一次揭煤，如不能一次揭开，剩余部分施工时，同样须要采取防突措施。

5）放炮30 min 后，专职瓦检员检查通风、瓦斯、煤尘。当检查瓦斯浓度小于1%、二氧化碳浓度小于1.5%后，解除警戒，工作人员进洞施工。

2.2.4 通风方案

隧道正洞与平导均采用压入式通风， 平导与正洞贯通形成巷道式通风。 在瓦斯容易聚集部位，如衬砌台车附近，设置空气引射器及气动风机等设备，使局部风速大于1 m/s，预防瓦斯聚集发生危险。

建立通风管理质量评估系统， 定期对隧道通风情况进行检查及评估。 改善通风效果不佳情况确保通风效果况，防止发生瓦斯局部聚集和瓦斯突然涌出造成瓦斯超限。

2.2.5 含煤地段掘进

开挖方法采用大拱脚台阶+ 临时仰拱法施工， 如图1、图2 所示。

图1 大拱脚台阶法开挖示意图

图2 大拱脚示意图

先进行超前小导管注浆施工， 加固围岩。 挖掘机开挖①部，然后施作①部的初期支护和临时支护：初喷4 cm 厚混凝土，铺设钢筋网，安设大拱脚钢架（见图2）及I8 临时钢架，在拱脚处打锁脚锚杆， 径向锚杆施作后需要复喷混凝土至设计厚度。 喷射仰拱混凝土，施作临时仰拱。 从开挖开始至装渣作业期间，开启高压水喷头喷雾，防止瓦斯突出爆炸及装渣产生火花危险。

在煤层中掘进时，揭开煤层后，检查开挖工作面前方10 m处上、中、下、左、右范围内煤与瓦斯突出的危险，如各项指标均符合要求，可掘进5 m，再检验10 m，再掘进5 m，即始终保持工作面前方有5 m 的安全区。

本工程根据设计要求，V 级围岩正洞钢架设计为0.6 m一榀，故开挖每循环进尺采用0.6 m。 每个开挖面附近的20 m风流中，瓦斯浓度须小于1%。 开挖同时，仰拱及时跟进，保证安全步距，同时须铺装瓦斯隔离板，且瓦斯隔离板封闭成环。衬砌预留注浆孔，衬砌施工完成后压浆，填充空隙，防止瓦斯外溢。

2.2.6 盲沟排水瓦斯排放系统

根据本隧道设计，正洞排水、排气系统由纵向盲沟、环向盲沟及水气分离室组成。 正洞全封衬砌背后的水气通过衬砌背后的纵向盲管，将水气混合体引入水气分离室，分离出来的水通过横通道侧沟排入平导侧沟， 分离出来的瓦斯气体从洞口水气分离装置排出。

2.2.7 瓦斯隧道施工防火

原则上，高瓦斯隧道内不应进行电焊、气焊、切割等作业。当情况特殊不可避免时，须严格执行动火申请制度。

1）须进行动火申请的工序：电气焊、瓦斯隔离板焊接、其他可能产生高温和明火的特殊工序（由总工程师根据施工具体情况，组织相关部门予以确定）。

2）动火作业必须经专职安全员、瓦检员批准。

3）在动火作业地点前后各20 m 范围内，风流中瓦斯浓度不得大于0.5%。

4）作业区两端各设一个供水阀门、灭火器，作业人员工班长随身携带手持瓦检仪，并保证状态良好。

5）作业过程中，瓦检员需全程旁站检测瓦斯浓度，一旦出现浓度超标，立即停止作业，加强通风。

6）作业完成前，应由瓦检员检查、确认无残火后，方可结束作业。

3 施工重难点控制

从隧道开挖之前先进行超前地质预报， 探明前方围岩情况，以指导后续施工。 超前水平钻孔不仅可以准确地探测前方围岩情况，还可以作为瓦斯排气孔，提前释放裂隙中瓦斯，降低开挖作业风险。 开挖时，要根据原图纸设计要求、掌子面围岩情况，以及隧道沉降观测情况决定开挖尺寸，保证隧道净空及二次衬砌厚度。 由于掌子面多为煤层及弱风化灰岩，开挖时采用挖机开挖掘进，为防止发生意外，开挖同时安排专人进行掌子面洒水工作，不仅可以防止摩擦起火，还可以起到降尘作用，防止粉尘爆炸；洒水同时还要做好上台阶排水工作。 隧道内24 h 通风，保证空气流通，防止瓦斯聚集发生危险。 初期支护过程中， 需严格执行项目部及监理单位制定的瓦斯隧道动火申请制度，保证隧道内安全施工。 开挖同时，还要注意安全步距要求， 保证二次衬砌及时封闭成环。 为减少洞内电焊次数，钢筋焊接应在洞外钢筋加工厂进行，洞内钢筋采用绑扎形式连接、固定。 由于衬砌端头为瓦斯聚集地，为防止意外发生，衬砌施工前需用高压风吹散瓦斯后再进行施工。 衬砌混凝土选用气密性混凝土，以防止瓦斯渗漏。

4 结语

林家屋基隧道进口段高瓦斯段施工中， 现场采取的揭煤方法及施工工艺安全、快速地通过了高瓦斯段，此施工方法为今后类似施工提供了成功范例。