魏力立
(中鐵二局第三工程有限公司, 四川成都 610031)
我國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,約占全國陸地面積的6.6 %,是我國北方工程建設(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,對工程建設(shè)極為不利。我國在黃土地區(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。在國內(nèi)外隧道建設(shè)史上,曾發(fā)生過許多重大瓦斯事故,造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失[6]。
黃土隧道出現(xiàn)瓦斯時,將極大地增加隧道建設(shè)風(fēng)險,尤其是隧道施工的安全風(fēng)險。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)險控制措施,并在實際工程中驗證措施的有效性。
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,為雙車道分離式長隧道:左線長1 108 m,起止里程ZK48+421~ZK49+529,隧道最大埋深約155.4 m;右線長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級圍巖加強(qiáng)段設(shè)計采用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,開挖過程時處理不當(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#),距離隧道開挖輪廓111 m,根據(jù)相關(guān)要求,老林山隧道對天然氣井附近200 m范圍的隧道主洞及車、人行橫通道按瓦斯隧道設(shè)計施工(圖1)。
圖1 老林山隧道瓦斯地段平面示意
對隧道地質(zhì)、設(shè)計資料分析及現(xiàn)場施工情況反饋可知本隧道施工主要存在以下幾個重難點(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,隧道開挖時,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,本隧道施工面臨的主要安全風(fēng)險包括:圍巖(黃土)坍塌、大變形、瓦斯災(zāi)害等。
(1)超前小導(dǎo)管控制滲水。根據(jù)隧道滲水情況及時調(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”的原則。隧道掘進(jìn)施工時,針對黃土遇水自穩(wěn)時間短易引發(fā)近掌子面區(qū)域坍塌的問題,老林山隧道采用CD法、環(huán)形開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,準(zhǔn)確及時掌握反饋隧道掌子面地質(zhì)情況和開挖后穩(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)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報工作,監(jiān)控量測小組由4人組成,負(fù)責(zé)每天位移觀測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計,一旦出現(xiàn)變形量超標(biāo)險情預(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)開展作業(yè)。
針對瓦斯災(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為正洞開挖平均斷面面積,取105 m2。
(2)按洞內(nèi)同一時間最多人數(shù)計算風(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)同一時間最多人數(shù),取100。
(3)按照獨(dú)頭工作瓦斯涌出量計算所需風(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?,?.5 %;Bg0為 送入風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?,?。
(4)最大需風(fēng)量計算。
取以上計算風(fēng)量的最大值6 300 m3/min,取風(fēng)量每100 m損耗率p100=1 %,最大施工長度按700 m計算,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)速驗算:按取最大風(fēng)量8 136 m3/min,采用III級斷面S=105 m2驗算,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,及時補(bǔ)漏,爭取做到風(fēng)管的百米漏風(fēng)率不大于2 %;隨掘進(jìn)工作面的延伸及時接長風(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)接通并啟動風(fēng)機(jī)供風(fēng)。
3.2.2 瓦斯檢測
(1)通過深孔鉆探技術(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,在施工至該段里程前一個循環(huán)過程中,提前進(jìn)行深孔鉆探檢測瓦斯相關(guān)系數(shù)。
(2)洞口段末端襯砌采用便攜式瓦斯檢測儀人工檢測;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報警儀;固定式瓦斯檢測儀設(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車前后。
3.2.3 施工方案優(yōu)化
(1)采用機(jī)械和人工開挖,嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺,每次開挖進(jìn)尺控制在0.75 m以內(nèi),采用臺階法開挖,保證每次開挖面積小,瓦斯溢出量不大,開挖輪廓能夠迅速得到支護(hù)。堅持逐榀開挖逐榀防護(hù)。
(2)在施工過程中加強(qiáng)洞內(nèi)水平收斂、拱頂下沉、地表沉降變形等項目的監(jiān)控量測,在地表重要構(gòu)造物附近設(shè)置觀測點(diǎn),及時根據(jù)監(jiān)控量測結(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)場監(jiān)控量測結(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)。每次開挖循環(huán)出渣通風(fēng)后,工人進(jìn)入掌子面,需先測瓦斯?jié)舛龋谄洳怀瑯?biāo)的前提下進(jìn)行施工作業(yè)。若探測到有穩(wěn)定來源的瓦斯氣體時采用巷道式通風(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。瓦斯隧道開挖完成之后,及時進(jìn)行架設(shè)鋼架和噴射混凝土支護(hù),保證開挖段的安全穩(wěn)定。
3.2.4 火源控制
本瓦斯隧道施工時做到嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯隧道動火作業(yè)申請制度,執(zhí)行電焊、氣焊、氣割安全作業(yè)規(guī)程;專人申請、專人批示、專人動火、專人監(jiān)督、專人看火、 專人跟蹤監(jiān)測瓦斯;專門制定隧道動火安全措施。 隧道內(nèi)動火作業(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)動作作業(yè)等級申請批示作業(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)場瓦斯檢測濃度情況,必要時瓦斯工區(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。
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,不僅極易出現(xiàn)瓦斯爆炸等安全事故,而且瓦斯的存在會影響坍腔的處理,形成由于處理不及時的二次坍塌。可見,一方面,瓦斯的存在,增加了坍腔的處理難度。無論是對坍腔進(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,瓦斯的威脅最大,因此必須及時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,隧道施工通風(fēng),瓦斯監(jiān)測等方面均采取了相應(yīng)措施。
(1)地質(zhì)超前預(yù)報。準(zhǔn)確預(yù)測掌子面前方地質(zhì)情況,及時發(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缦抟韵隆T谔惶幖皶r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)坍腔時應(yīng)及時做好坍腔內(nèi)的瓦斯?jié)舛葯z測,確保坍腔處理施工的安全。坍腔內(nèi)瓦斯檢測可采用人工檢測或自動瓦斯檢測或人工檢測與自動檢測結(jié)合的方式進(jìn)行。
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+813三個監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)的變形趨勢。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,隨著隧道開挖的不斷推進(jìn),隧道拱頂沉降和周邊收斂變形也逐漸增大,最終三個監(jiān)測點(diǎn)變形均趨于穩(wěn)定,累計變形量均在控制范圍內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果表明施工中采取的措施效果良好,滿足設(shè)計要求。
圖3 ZK48+803監(jiān)測斷面變形趨勢
圖4 ZK48+808監(jiān)測斷面變形趨勢
圖5 ZK48+813監(jiān)測斷面變形趨勢
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,結(jié)合實際工程探討了應(yīng)對措施,并應(yīng)用于實際工程,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)場的實際瓦斯?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,瓦斯的威脅最大,必須及時采取措施降低坍腔內(nèi)瓦斯?jié)舛龋_保施工安全。