魏力立

(中鐵二局第三工程有限公司, 四川成都 610031)

我國(guó)的黃土主要分布在甘肅、寧夏、山西、陜西、內(nèi)蒙古等省市自治區(qū)，呈東西走向帶狀分布，約占全國(guó)陸地面積的6.6 %，是我國(guó)北方工程建設(shè)中不可避免遇到的特殊土[1-4]。按照黃土形成年代，黃土可分為老黃土和新黃土；按照黃土遇水特性，黃土又可分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土[2]。一般新黃土具有濕陷性，對(duì)工程建設(shè)極為不利。我國(guó)在黃土地區(qū)修建了大量的鐵路和公路，修建技術(shù)不斷發(fā)展，并且建立了相應(yīng)的黃土隧道襯砌設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)圖[5]。

瓦斯是隧道工程建設(shè)的又一主要安全危害源，主要表現(xiàn)為瓦斯窒息、瓦斯燃燒與爆炸、煤與瓦斯突出三種類型。在國(guó)內(nèi)外隧道建設(shè)史上，曾發(fā)生過(guò)許多重大瓦斯事故，造成了慘重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失[6]。

黃土隧道出現(xiàn)瓦斯時(shí)，將極大地增加隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文將結(jié)合具體工點(diǎn)研究制定大斷面低瓦斯黃土隧道的施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施，并在實(shí)際工程中驗(yàn)證措施的有效性。

1 工程概況

綏延高速公路老林山隧道位于陜西省榆林市清澗縣，地處黃土高原東端，為雙車道分離式長(zhǎng)隧道：左線長(zhǎng)1 108 m，起止里程ZK48+421～ZK49+529，隧道最大埋深約155.4 m；右線長(zhǎng)1 288 m，起止里程K48+200～K49+488，隧道最大埋深約138.8 m。

隧道進(jìn)出口均位于黃土梁沖溝，綏德端洞口位于向陽(yáng)溝支溝上游接近溝腦，延川端洞口位于馬家溝支溝上游接近溝腦，隧道體呈北東-南西向。洞口V級(jí)圍巖加強(qiáng)段設(shè)計(jì)采用CD法施工。洞口加強(qiáng)段圍巖為Q3eol4-12新黃土與Q3eol5-12老黃土，老黃土土質(zhì)較致密，軟塑～堅(jiān)硬，垂直節(jié)理較為發(fā)育，新黃土具有自重性,自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖過(guò)程時(shí)處理不當(dāng)洞口易出現(xiàn)坍塌。左線進(jìn)洞口處發(fā)育有崩塌體，長(zhǎng)約27.5 m，寬約73.2 m，高差14 m，體積約為2 100 m3，為中型黃土質(zhì)崩塌，結(jié)構(gòu)疏松，為黃土沿其節(jié)理崩塌而成，崩塌體對(duì)洞口的穩(wěn)定性影響較大。

隧道進(jìn)口周家圪嶗村至出口大咀山村沿線ZK48+880左側(cè)有一天然氣生產(chǎn)井(洲65-30#)，距離隧道開(kāi)挖輪廓111 m，根據(jù)相關(guān)要求，老林山隧道對(duì)天然氣井附近200 m范圍的隧道主洞及車、人行橫通道按瓦斯隧道設(shè)計(jì)施工(圖1)。

圖1 老林山隧道瓦斯地段平面示意

2 主要風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)隧道地質(zhì)、設(shè)計(jì)資料分析及現(xiàn)場(chǎng)施工情況反饋可知本隧道施工主要存在以下幾個(gè)重難點(diǎn)：

(1)隧道為雙車道公路隧道，屬大斷面隧道，隧道貫穿黃土梁，埋深4～155 m，具有典型的孔隙架空結(jié)構(gòu)，黃土濕陷性特征較明顯。本隧黃土濕陷厚度為9.5～12.5 m，隧道開(kāi)挖時(shí)，黃土遇水后強(qiáng)度降低，易引發(fā)的冒頂、坍塌、崩塌等災(zāi)害，因此如何避免出現(xiàn)上述災(zāi)害是本隧道施工的重難點(diǎn)。

(2)隧道穿越層為中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，具有較大濕陷性，隧道施工期間初期支護(hù)沉降變形較大難以控制，施工變形控制是本隧道施工的重難點(diǎn)。

(3)隧道穿越天然氣賦存地層，按低瓦斯隧道設(shè)計(jì)施工，如何確保低瓦斯黃土隧道施工安全是本工程的重難點(diǎn)。

可見(jiàn)，本隧道施工面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)包括：圍巖(黃土)坍塌、大變形、瓦斯災(zāi)害等。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 黃土隧道坍塌與變形控制技術(shù)

(1)超前小導(dǎo)管控制滲水。根據(jù)隧道滲水情況及時(shí)調(diào)整超前小導(dǎo)管密度、深度、注漿量漿液配比。超前小導(dǎo)管尺寸及參數(shù)可采用長(zhǎng)度4.5 m，外徑50 mm，壁厚4 mm，管壁四周鉆8 mm壓漿孔，環(huán)向間距為40 cm，排間距為1.5 m。掌子面及尚未施工仰拱段四周設(shè)置環(huán)形排水溝匯集滲漏水流入集水坑中，為防止匯水下滲，臨時(shí)排水溝及集水坑均采用5 cm厚M10砂漿鋪底、抹壁處理。如注漿滿足不了控制滲水要求，則在滲水量大的區(qū)域采取真空井點(diǎn)降水處理。為減少施工用水造成工作面積水，超前小導(dǎo)管施工采用煤炭鉆(麻花鉆)干鉆鉆孔。

(2)施工遵循：“一短、兩快、三嚴(yán)、四及時(shí)”的原則。隧道掘進(jìn)施工時(shí)，針對(duì)黃土遇水自穩(wěn)時(shí)間短易引發(fā)近掌子面區(qū)域坍塌的問(wèn)題，老林山隧道采用CD法、環(huán)形開(kāi)挖留核心土法等措施防止隧道掌子面坍塌。

(3)采用超前地質(zhì)鉆探、高頻率隧道監(jiān)控量測(cè)，準(zhǔn)確及時(shí)掌握反饋隧道掌子面地質(zhì)情況和開(kāi)挖后穩(wěn)定情況。是避免隧道垮塌造成人員傷亡的重要措施。為此隧道工點(diǎn)由專人負(fù)責(zé)監(jiān)控量測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，監(jiān)控量測(cè)小組由4人組成，負(fù)責(zé)每天位移觀測(cè)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一旦出現(xiàn)變形量超標(biāo)險(xiǎn)情預(yù)警，則立即通知隧道施工負(fù)責(zé)人立即停止作業(yè)，撤出作業(yè)工人，待進(jìn)一步處理加固，圍巖變形量穩(wěn)定后再繼續(xù)開(kāi)展作業(yè)。

3.2 瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)

針對(duì)瓦斯災(zāi)害的特點(diǎn)，本隧道在施工通風(fēng)、火源控制、設(shè)備選用、施工方案等多方面采取措施確保施工安全(圖2)。

圖2 主要施工工序

3.2.1 施工通風(fēng)優(yōu)化

瓦斯隧道施工掌子面的需風(fēng)量，應(yīng)滿足隧道內(nèi)最小風(fēng)速、隧道內(nèi)人員需氧量、瓦斯排放或稀釋所需空氣等的用風(fēng)量的要求。

(1)洞內(nèi)最低允許風(fēng)速。

按照我國(guó)TB 10120-2002《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，瓦斯隧道最低風(fēng)速取1 m/s，最小允許風(fēng)速計(jì)算如下。

Q=V×60×S=1×60×105=6 300 m3/min

式中：V為洞內(nèi)最小風(fēng)速，取1 m/s；S為正洞開(kāi)挖平均斷面面積，取105 m2。

(2)按洞內(nèi)同一時(shí)間最多人數(shù)計(jì)算風(fēng)量Q1。

Q1=4KM=4×100×1.2=403 m3/min

式中：4為每人每1 min應(yīng)供的新鮮空氣標(biāo)準(zhǔn)(m3/min)；K為風(fēng)量備用系數(shù)，本隧道取1.2；M為洞內(nèi)同一時(shí)間最多人數(shù)，取100。

(3)按照獨(dú)頭工作瓦斯涌出量計(jì)算所需風(fēng)量。

Q2=QCH4×K/(Bg-Bg0)

=0.5×1.6/(0.5%-0)=160 m3/min

式中：QCH4為瓦斯最大涌出量0.5 m3/min；K為瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，取1.6；Bg為工作面允許的瓦斯?jié)舛龋?.5 %；Bg0為 送入風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，?。

(4)最大需風(fēng)量計(jì)算。

取以上計(jì)算風(fēng)量的最大值6 300 m3/min，取風(fēng)量每100 m損耗率p100=1 %，最大施工長(zhǎng)度按700 m計(jì)算，則有：

需配置的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為：

Qm=PQ=1.073×6300=6 760 m3/min

(5)風(fēng)機(jī)及風(fēng)管配置選型。

隧道進(jìn)出口選用的型號(hào)為：SDF(B)-6-NO16型(2×110 kW)軸流式風(fēng)機(jī)，產(chǎn)風(fēng)量為8 136 m3/min，可滿足隧道需求風(fēng)量6 760 m3/min要求。

單工作面風(fēng)速驗(yàn)算：按取最大風(fēng)量8 136 m3/min，采用III級(jí)斷面S=105 m2驗(yàn)算，最大風(fēng)速為8 136÷105÷60=1.29 m/s；因1.29 m/s>1 m/s，滿足施工通風(fēng)要求。

(6)通風(fēng)系統(tǒng)總體布局。

瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)布置時(shí)須滿足風(fēng)機(jī)位置距洞口外不小于30 m，風(fēng)管出風(fēng)口距掌子面不大于5 m。瓦斯隧道各洞口還需配備同等通風(fēng)能力的備用風(fēng)機(jī)。

(7)通風(fēng)管理。

對(duì)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行日常和定期相結(jié)合的檢修維護(hù)，保證通風(fēng)設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)供風(fēng)； 風(fēng)管布設(shè)必須順直、穩(wěn)定、嚴(yán)密，盡量減小風(fēng)損；每班必須進(jìn)行檢查，及時(shí)補(bǔ)漏，爭(zhēng)取做到風(fēng)管的百米漏風(fēng)率不大于2 %；隨掘進(jìn)工作面的延伸及時(shí)接長(zhǎng)風(fēng)管，風(fēng)管出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面的距離應(yīng)小于5 cm。風(fēng)機(jī)房附近20 m范圍內(nèi)不得有火源；自備電源和備用風(fēng)機(jī)應(yīng)經(jīng)常保持良好的使用狀態(tài)，一旦需要，應(yīng)在15 min內(nèi)接通并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)供風(fēng)。

3.2.2 瓦斯檢測(cè)

(1)通過(guò)深孔鉆探技術(shù)探查掌子面前方的瓦斯相關(guān)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主洞ZK48+725～ZK49+035、靠近左線的車行橫通道72 m和2#人行橫通道33.5 m按瓦斯隧道設(shè)計(jì)，在施工至該段里程前一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，提前進(jìn)行深孔鉆探檢測(cè)瓦斯相關(guān)系數(shù)。

(2)洞口段末端襯砌采用便攜式瓦斯檢測(cè)儀人工檢測(cè)；當(dāng)洞內(nèi)襯砌施作后，采用便攜式與固定式相結(jié)合的方式并配置礦井瓦斯自動(dòng)報(bào)警儀；固定式瓦斯檢測(cè)儀設(shè)置在距離洞口30 m處，以及掌子面附近和瓦斯易于積聚的襯砌臺(tái)車前后。

3.2.3 施工方案優(yōu)化

(1)采用機(jī)械和人工開(kāi)挖，嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，每次開(kāi)挖進(jìn)尺控制在0.75 m以內(nèi)，采用臺(tái)階法開(kāi)挖，保證每次開(kāi)挖面積小，瓦斯溢出量不大，開(kāi)挖輪廓能夠迅速得到支護(hù)。堅(jiān)持逐榀開(kāi)挖逐榀防護(hù)。

(2)在施工過(guò)程中加強(qiáng)洞內(nèi)水平收斂、拱頂下沉、地表沉降變形等項(xiàng)目的監(jiān)控量測(cè)，在地表重要構(gòu)造物附近設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，及時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果調(diào)整施工方案。

(3)將CD法作為油井段的施工預(yù)案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果由各方共同決定是否啟用預(yù)案，防止隧道塌方或變形過(guò)大影響天然氣井的安全。

(4)加強(qiáng)施工通風(fēng)，采用壓入式通風(fēng)。每次開(kāi)挖循環(huán)出渣通風(fēng)后，工人進(jìn)入掌子面，需先測(cè)瓦斯?jié)舛?，在其不超?biāo)的前提下進(jìn)行施工作業(yè)。若探測(cè)到有穩(wěn)定來(lái)源的瓦斯氣體時(shí)采用巷道式通風(fēng)，防止瓦斯積聚的風(fēng)速不宜小于1 m/s，將洞內(nèi)各處的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5 %以下。瓦斯隧道開(kāi)挖完成之后，及時(shí)進(jìn)行架設(shè)鋼架和噴射混凝土支護(hù)，保證開(kāi)挖段的安全穩(wěn)定。

3.2.4 火源控制

本瓦斯隧道施工時(shí)做到嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯隧道動(dòng)火作業(yè)申請(qǐng)制度，執(zhí)行電焊、氣焊、氣割安全作業(yè)規(guī)程；專人申請(qǐng)、專人批示、專人動(dòng)火、專人監(jiān)督、專人看火、 專人跟蹤監(jiān)測(cè)瓦斯；專門制定隧道動(dòng)火安全措施。 隧道內(nèi)動(dòng)火作業(yè)包括電焊、氣焊、噴燈焊接、切割、防水板焊接、止水帶接頭焊接、熱熔墊片焊接等。嚴(yán)格根據(jù)動(dòng)作作業(yè)等級(jí)申請(qǐng)批示作業(yè)制度。

3.2.5 設(shè)備選用

非瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的電氣設(shè)備和施工作業(yè)機(jī)械可采用非防爆型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯檢測(cè)濃度情況，必要時(shí)瓦斯工區(qū)內(nèi)采取采用防爆的施工機(jī)械設(shè)備、敷設(shè)固定的照明，采用鎧裝電纜或礦用塑料電纜等措施。

3.3 坍腔瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)

本隧道穿越層為中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，具有較大濕陷性，易出現(xiàn)坍塌，隧道內(nèi)形成坍腔。當(dāng)瓦斯大量積聚于坍腔內(nèi)時(shí)，不僅極易出現(xiàn)瓦斯爆炸等安全事故，而且瓦斯的存在會(huì)影響坍腔的處理，形成由于處理不及時(shí)的二次坍塌?？梢?jiàn)，一方面，瓦斯的存在，增加了坍腔的處理難度。無(wú)論是對(duì)坍腔進(jìn)行注漿處理或是回填處理，都需將瓦斯?jié)舛瓤刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，施工機(jī)械設(shè)備需進(jìn)行防爆處理。另一方面，坍腔的不規(guī)則性，又容易引起局部瓦斯聚集，增加了瓦斯排放難度。瓦斯積聚坍腔時(shí)，瓦斯的威脅最大，因此必須及時(shí)采取措施降低坍腔內(nèi)瓦斯?jié)舛?，確保施工安全。結(jié)合本隧道特點(diǎn)，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，隧道施工通風(fēng)，瓦斯監(jiān)測(cè)等方面均采取了相應(yīng)措施。

(1)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)探明濕陷性黃土分布，以便采取相應(yīng)措施預(yù)防坍塌事故的發(fā)生。

(2)建立可靠的供電系統(tǒng)?？煽康墓c(diǎn)系統(tǒng)是施工通風(fēng)的必要條件，施工中應(yīng)配備備用電源或相應(yīng)應(yīng)急供電措施，盡量確保施工通風(fēng)不斷電。

(3)強(qiáng)化施工通風(fēng)。為杜絕通風(fēng)死角和避免循環(huán)風(fēng)還必須在相應(yīng)的位置安裝局扇，確保隧道通風(fēng)的效果，把瓦斯?jié)舛冉档偷奖ń缦抟韵?。在坍腔處及時(shí)設(shè)置局扇，并保持不間斷通風(fēng)。

(4)認(rèn)真做好瓦檢。當(dāng)黃土隧道出現(xiàn)坍腔時(shí)應(yīng)及時(shí)做好坍腔內(nèi)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，確保坍腔處理施工的安全。坍腔內(nèi)瓦斯檢測(cè)可采用人工檢測(cè)或自動(dòng)瓦斯檢測(cè)或人工檢測(cè)與自動(dòng)檢測(cè)結(jié)合的方式進(jìn)行。

4 實(shí)施效果

圖3～圖5分別是老林山隧道低瓦斯段在施工中ZK48+803、ZK48+808和ZK48+813三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著隧道開(kāi)挖的不斷推進(jìn)，隧道拱頂沉降和周邊收斂變形也逐漸增大，最終三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形均趨于穩(wěn)定，累計(jì)變形量均在控制范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明施工中采取的措施效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 ZK48+803監(jiān)測(cè)斷面變形趨勢(shì)

圖4 ZK48+808監(jiān)測(cè)斷面變形趨勢(shì)

圖5 ZK48+813監(jiān)測(cè)斷面變形趨勢(shì)

5 結(jié)論

本文分析了大斷面低瓦斯黃土隧道在施工中面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際工程探討了應(yīng)對(duì)措施，并應(yīng)用于實(shí)際工程，最終得到以下結(jié)論：

(1)本文探討的黃土隧道坍塌與變形控制措施能有效控制黃土隧道變形、防止隧道塌方。

(2)低瓦斯隧道可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際瓦斯?jié)舛冗x取相應(yīng)的防治措施。

(3)穿越濕陷性明顯的大斷面黃土隧道施工難度大，易發(fā)生塌方。當(dāng)瓦斯積聚坍腔時(shí)，瓦斯的威脅最大，必須及時(shí)采取措施降低坍腔內(nèi)瓦斯?jié)舛龋_保施工安全。