張軍
(貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州貴陽 550001)
瓦斯隧道是一種常見的隧道類型,是指隧道施工中局部地段為煤系層,有瓦斯出露的可能。依據(jù)高速公路瓦斯隧道的分類標準,根據(jù)絕對瓦斯涌出量大小,全工區(qū)的瓦斯涌出量小于0.5m3/min 的屬于低瓦斯隧道[1]。低瓦斯隧道施工時,為了保證施工安全,必須保證良好的通風條件,對瓦斯情況進行動態(tài)監(jiān)測,并且制定完善的防治技術和應急預案,最大程度地減少瓦斯對施工造成的影響。以下結合相關經(jīng)驗,針對低瓦斯隧道施工技術和瓦斯防治措施進行探討。
某低瓦斯隧道工程,為分離式短隧道,左幅起訖樁號為ZK95+105—ZK95+583,全長478m;右幅起訖樁號為ZK95+122—ZK95+585,全長463m。隧道區(qū)植被發(fā)育,主要為叢林。進口位于山體緩坡脊背部位,縱向坡度約23.7~27.8°;出口位于地形稍緩的坡面上,縱向坡度約6.9~10.6°。隧道區(qū)頂部為灌木林地,有低壓用電線路經(jīng)過。隧道K95+310 右側200m 為村委,進口段路基為基本農(nóng)田,距離隧道口約150m 有7 座墳墓;出口段為生態(tài)保護林地,延隧道區(qū)縱向、間隔約70m有一條混凝土組組通公路途經(jīng),距隧道進口約80~100m、隧道出口約10~40m,交通條件較方便。
根據(jù)工程地質資料顯示,該地層巖性為石英砂、炭質泥巖及煤層,地層中含煤l~7 層,厚0.1~2m,設計含氣量檢測結果見表1。通過等溫吸附a 值,判斷該儲層最大甲烷吸附能力為4.5m3/t,吸附能力較弱,屬于低瓦斯含量煤儲層。通過煤塵爆炸性試驗結果判定,該儲層煤塵沒有爆炸性,屬于不易自燃儲層。
表1 設計含氣量檢測結果 單位:m3/t
隧道先進行臨時工程施工,做好洞口規(guī)劃,調查隧道區(qū)內的已有構造物及地質構造,施工準備期內完成棄碴場排水設施的施工。然后進行洞口段截水天溝排水設施及坡面防護施工,接著進行洞口套拱及超前大管棚施工,為進入暗洞做好準備工作。進入暗洞后的施工順序是:超前地質預報→測量放樣→超前支護→洞身開挖→初期支護→仰拱開挖及襯砌→防水施工→洞身二襯施工→回填注漿及其他附屬工程。
該工程超前預報采用綜合預報法,以地質分析為主,以物探技術為輔,通過超前鉆探和瓦斯檢測進行驗證。本工程中,主要采用超前鉆探法、電磁波反射法、不良地質超前預報、煤層及瓦斯預報。
洞身開挖過程中,做好超前支護和預加固,防止塌方引起瓦斯事故;開挖后及時噴錨,封閉圍巖以減少瓦斯溢出;超挖部分回填密實,噴射混凝土要滿足設計要求和施工規(guī)范。本工程根據(jù)地勘資料和設計圖紙,整座隧道圍巖等級均為Ⅴ級,洞身為可塑狀粉質黏土、強中微風化灰?guī)r、石英砂巖,節(jié)理發(fā)育、巖體破碎,基本無自穩(wěn)能力,不支護受震動易產(chǎn)生松動變形、擠壓破壞和坍塌,甚至冒頂。對此,Ⅴa、Ⅴb 段采用雙側壁導坑法開挖,先對兩側導坑超前掘進,進行初期支護;當雙側導坑封閉穩(wěn)定后,再環(huán)形開挖拱部,最后開挖中部,并封閉襯砌。Ⅴc 段采用CD 法開挖,將隧道分為左右兩大部分,先在隧道一側采用臺階法自上而下分層開挖,及時初期支護、噴射混凝土;當混凝土強度達到設計值70%以上,再分層開挖另一側,支護形式與先開挖一側相同。
初期支護施工重點內容有:
(1)噴射混凝土,工藝流程為:方案報批→施工準備→制備混凝土→運輸混凝土→混噴機初噴→復噴→質量檢查。噴射作業(yè)技術要點有:①隧道開挖后及時噴射混凝土,防止巖體松弛;②分片、分段噴射,按照從下到上的順序,縱向長度不大于6m;③初噴厚度40~60cm,復噴厚度拱頂處不大于100mm,邊墻處不大于150mm[2]。
(2)錨桿使用中空注漿錨桿,工藝流程為:施工準備→錨桿鉆孔定位→鉆進就位→鉆孔→清孔→安裝錨桿→安裝止?jié){塞→錨桿檢測→注漿并檢查→安裝墊板螺母。技術要點有:①施工時保持錨桿中空通暢,留有專門的排氣孔;②注漿壓力維持在0.5MPa 左右,當排氣口出漿可停止注漿;③鉆進過程中,控制好鉆進參數(shù),合理掌握鉆進速度,防止埋鉆、卡鉆、坍孔等通病出現(xiàn)。施工質量標準見表2。
表2 錨桿支護施工質量標準
仰拱與鋪底施工時,技術要點如下:
(1)開挖
采用機械+人工開挖模式,隧道底兩隅與側墻連接處平順開挖;仰拱處若有膨脹性圍巖,打入錨桿或加固后再開挖;洞口或洞內斷層破碎帶仰拱跳格開挖,控制一次開挖范圍,保證施工安全。
(2)初期支護
開挖后及時初期支護,混凝土強度、厚度、鋼架安裝等均要符合設計規(guī)范要求;仰拱鋼支撐、邊墻拱架牛腿要保證焊接質量。
(3)二襯鋼筋
預埋鋼筋接頭錯開,同一截面的鋼筋接頭數(shù)不大于50%;綁扎時控制好層距和間距;彎曲弧度與隧道斷面設計弧度相符。
(4)混凝土施工
仰拱填充采用片石混凝土時,片石距模板大于50mm,片石間距大于粗集料最大粒徑,分層擺放、搗固密實;當仰拱混凝土強度達到設計值的70%才能進行片石混凝土施工;強度達到100%后方可允許車輛通行[3]。
在隧道內設置臨時排水溝,能及時排出滲漏水和施工廢水,定期清理保證水路暢通。排水溝要遠離邊墻,和邊墻基腳距離不小于1.5m(見圖1)。施工過程中,為了防止涌水,采取措施如下:在開挖面超前鉆孔,及時發(fā)現(xiàn)暗河、水囊、高壓涌水;獲取地質水文資料進行分析,判斷地下水流方向后再確定鉆孔的位置、數(shù)量和鉆孔深度。非施工人員撤離現(xiàn)場,合理配置抽水設備;預先埋管設閥以控制排水量,防止承壓水沖擊;水平鉆孔時,如果未見出水,進一步進行地質水文勘測,對地下水情況再次判斷。
圖1 隧道內供電、通風、排水布置示意圖
根據(jù)監(jiān)控測量結果,確定可進行二次襯砌時,工藝流程為:布設軌道→臺車就位→頂模升起→側模張開→凈空檢測→調整模板→澆筑混凝土→拆?!B(yǎng)護。技術要點如下:①采用全斷面模板臺車進行泵送作業(yè),并對初期支護斷面進行激光測量,及時處理不符合要求的部位。②已完成襯砌地段,觀察二襯穩(wěn)定性,注意變形、開裂、侵入凈空等現(xiàn)象,并及時記錄。③二次襯砌和工作面的距離不大于50m,拱頂部位預留注漿孔,襯砌完成后壓漿回填,從而封閉瓦斯。④二次襯砌的施工縫、變形縫,要按設計要求做好防瓦斯?jié)B透處理。
開挖工作面時,進行超前鉆孔探測、突出危險性預測,并采取防突措施,檢驗防突效果。當工作面出現(xiàn)煤與瓦斯突出的預兆時,及時報警、停止工作,撤出人員,切斷電源,上報有關部門積極應對。預測時,采用“四位一體”步驟,要清楚掌握煤層賦存情況,評估煤與瓦斯突出的危險性大小,根據(jù)瓦斯?jié)舛认拗撇扇奶幚泶胧ㄒ姳?)。
表3 隧道內瓦斯?jié)舛认拗导俺尢幚泶胧?/p>
如果預測出該煤層具有煤與瓦斯突出的危險性,先采取防止煤與瓦斯突出的措施,常見的處理方式有:打排放孔泄壓、深孔松動爆破、瓦斯抽放、水力沖孔、大直徑鉆孔(Φ30cm)排放等。
預測為突出煤層,采取防突措施證明已經(jīng)取得效果后,為了保證施工人員的人身安全,要采用震動放炮的方式揭煤、過煤。
(1)0.3m 以上的煤層第一次揭開時,要按震動放炮的方式穿過。突出煤層震動放炮的工藝流程為:組織→打眼→雷管母線檢測→裝藥→聯(lián)線→撤人警戒→放炮→通風并檢查爆破效果→恢復施工。
(2)因煤層較厚或煤層傾角較緩,震動放炮一次無法揭穿全部煤層,應繼續(xù)開挖放炮,重復以上安全措施執(zhí)行,直至進入煤層頂板(或底板)真厚2m為止。
(3)通過其他煤層時,煤層在30~100cm之間的較薄煤層,如果不在斷層或地質構造帶附近,且煤質不是十分松軟,可不進行突出性預測和采取防突性措施。預計真厚10m 以外,仍要打液壓鉆探明煤層賦存情況,采取長探短掘的前進方式,揭煤、過煤時所有人員仍要撤至洞外放炮。
通風能避免瓦斯積聚,降低瓦斯?jié)舛?,從而預防瓦斯事故發(fā)生[4]。在瓦斯區(qū)段施工時,必須采取連續(xù)通風方案。通風技術要點如下:
(1)設計風量
在洞口采用管道壓入式通風,主扇選擇大功率軸流式通風機,風管選擇帆布材質軟管,同時配置管理人員。根據(jù)相關標準,依據(jù)掘進工作面最大瓦斯涌出量、瓦斯隧道最低風速、掘進工作面一次爆破的最大炸藥量計算工作面需風量,最終計算結果是3 075m3/min。
(2)風機選型
先計算通風機的工作參數(shù),主要是工作風量Q和全風壓Ht。本工程選取隧道專用軸流風機,每單幅隧道使用2臺,因隧道進出口端雙向掘進,共計使用軸流風機4臺。
(3)通風檢測
隧道施工期間,建立通風檢測組織,由通風組技術人員測定風速、風量等參數(shù),對通風設備、人員加強日常管理,形成真實完整的現(xiàn)場記錄,并建立臺賬。
瓦斯監(jiān)控貫穿在隧道施工全過程,以開挖工作面附近為例,瓦斯?jié)舛葴y定要點如下:
(1)在瓦斯區(qū)段風流范圍內測量瓦斯?jié)舛龋瑢︼L流范圍的劃分依據(jù)是:①模板臺車處,距離支架、巷底各50mm 的斷面空間;②無支架、錨噴支護或已襯砌段,距離拱頂、側壁、底板各200mm的斷面空間[5]。
(2)布置瓦斯監(jiān)測斷面時,可以參考圖2;確定監(jiān)測點時,可以參考圖3,重點是隧道風流上部(即拱頂部位)。
圖2 瓦斯監(jiān)測斷面布置圖
圖3 瓦斯監(jiān)測斷面測點示意圖
(3)每個測點連續(xù)測定3 次,取最大值為最終檢測結果。測風斷面應同時測定瓦斯?jié)舛?。比較開挖工作面附近的瓦斯?jié)舛戎怠⒎€(wěn)定回風流中的瓦斯?jié)舛戎?,取較大者為該斷面處的瓦斯?jié)舛取?/p>
(4)瓦斯監(jiān)測時,以CH4監(jiān)測為主,與H2S、CO、CO2有毒有害氣體的監(jiān)測相結合。每日監(jiān)測后,及時填寫監(jiān)測記錄,以便進行數(shù)據(jù)對比分析和全程追蹤。
根據(jù)隧道施工進度,在開挖掌子面、二襯臺車以及回風流中,安裝甲烷傳感器。檢測參數(shù)和預警值見表4。
表4 CH4濃度預警范圍表
綜上所述,低瓦斯隧道施工時,因瓦斯?jié)B漏、涌出可能造成安全事故,施工時必須采取有效的防治措施。本文結合實際工程案例,介紹了低瓦斯隧道施工技術要點,對各方面施工中的瓦斯防治技術進行闡述。分析結果表明,施工中沒有出現(xiàn)瓦斯事故,確保了施工質量和安全,實現(xiàn)了預期管理目標。希望能夠為同類工程施工管理提供參考。