呂昀龍

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆EH長距離調(diào)水工程是一項(xiàng)高埋深長距離輸水工程，其中KS 隧洞總長283.3 km，為無壓輸水隧洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，縱坡1/2583。KS 隧洞地質(zhì)條件較復(fù)雜，穿越多個大斷裂帶，隧洞主要采用開敞式TBM（全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)）、礦山法等多種掘進(jìn)方式相結(jié)合施工。TBM11施工段長度為18.2 km，鉆爆段施工2.57 km，TBM施工15.63 km。

TBM掘進(jìn)至KS265+279樁號時，掌子面出現(xiàn)垮塌，出露巖性以炭質(zhì)砂巖為主，裂隙多發(fā)育，部分裂面光滑，發(fā)育約1 mm 黑亮的鈣質(zhì)、硅質(zhì)薄膜，層間結(jié)合力差，巖壁受炭質(zhì)砂巖夾層和裂隙發(fā)育影響，未見地下水出露，巖石完整性及穩(wěn)定性差。同時設(shè)備瓦斯檢測儀瞬時報警，實(shí)測瓦斯?jié)舛?.7%VOL，施工作業(yè)人員停止施工，停電并撤離施工現(xiàn)場。

根據(jù)現(xiàn)場配置軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)量2784 m3/min 及現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?.42%VOL估算絕對瓦斯涌出量約11 m3/min，判定為高瓦斯煤系地層，且不排除煤與瓦斯突出風(fēng)險。會議一致認(rèn)為在洞內(nèi)瓦斯高濃度情況下必須成立領(lǐng)導(dǎo)管理小組，停止作業(yè)、維持通風(fēng)，撤人、停電、排放、停止內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行，加強(qiáng)通風(fēng)及氣體監(jiān)測，做好洞口值班管理。

根據(jù)現(xiàn)場情況，參建各方現(xiàn)場查驗(yàn)確認(rèn)，制定遵循隧洞瓦斯“以通風(fēng)為主、鉆孔排放為輔”的處理原則，使最終隧洞瓦斯?jié)舛葷M足現(xiàn)場施工要求，同時盡可能減小瓦斯處理對TBM正常掘進(jìn)的影響。

2 水文地質(zhì)條件

（1）TST 超前地質(zhì)預(yù)報。KS265+280～KS265+180 段落：在反射圖像上，出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊、塌腔。特別是KS265+280～KS265+230反射密集，推斷有斷層或巖性交接帶發(fā)育。

（2）隧洞目前出露巖性以炭質(zhì)頁巖為主，局部夾凝灰質(zhì)砂巖，炭質(zhì)頁巖呈灰黑～黑色，薄片狀層理，屬軟質(zhì)巖，強(qiáng)度低，遇水易軟化；凝灰質(zhì)砂巖多呈青灰色，塊狀構(gòu)造，屬中硬巖。巖層產(chǎn)狀：274°SW∠67°，巖層走向與洞軸線近垂直，洞內(nèi)主要發(fā)育順層結(jié)構(gòu)面，節(jié)理多成組發(fā)育，面平直、閉合無充填，層間結(jié)合力差，受裂隙切割影響，炭質(zhì)頁巖洞段頂拱圍巖易出現(xiàn)塌落、掉塊現(xiàn)象。洞室未見地下水出露，在掌子面樁號265+279處有甲烷氣體溢出，根據(jù)前期勘察成果及本次地表探槽開挖成果分析，認(rèn)為甲烷氣體主要集中在炭質(zhì)頁巖夾層內(nèi)，為巖性變化遮擋圈閉，炭質(zhì)頁巖多呈透鏡體狀出露，甲烷氣體周圍由致密層限定，圈閉高度和圈閉面積有限。

3 現(xiàn)場處理方案

3.1 瓦斯監(jiān)控監(jiān)測

3.1.1 人工監(jiān)測

人工檢測應(yīng)配備專職瓦檢員，專職瓦檢員必須攜帶便攜式光學(xué)甲烷檢測儀，當(dāng)?shù)貙痈缓琀2S、CO、N2等有害氣體時，尚應(yīng)配備相應(yīng)的氣體測定器。

人工檢測的巡邏地點(diǎn)應(yīng)包含TBM出護(hù)盾處、機(jī)身易形成回風(fēng)區(qū)域附近20 m范圍、作業(yè)臺車和作業(yè)機(jī)械附近20 m 內(nèi)的風(fēng)流中、局扇及電氣開關(guān)20 m內(nèi)的風(fēng)流中、電動機(jī)及開關(guān)附近20 m 內(nèi)的風(fēng)流中、瓦斯易發(fā)生積聚處及瓦斯異常涌出點(diǎn)、隧道內(nèi)可能產(chǎn)生火源的地點(diǎn)及其它通風(fēng)盲區(qū)及通風(fēng)薄弱點(diǎn)。人工瓦斯檢測應(yīng)在每個班組施工前及施工中至少檢查一次，檢查頻次不少于2次。

3.1.2 瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)相關(guān)要求在隧洞內(nèi)安設(shè)一套瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)（包括風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖），實(shí)現(xiàn)對隧洞內(nèi)瓦斯的實(shí)時監(jiān)控。瓦斯自動監(jiān)測報警系統(tǒng)應(yīng)具備故障閉鎖、瓦電閉鎖和風(fēng)電閉鎖功能，斷電狀態(tài)、饋電狀態(tài)監(jiān)測和報警功能，實(shí)時監(jiān)測瓦斯?jié)舛?、上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能；供電電源應(yīng)取自被控開關(guān)的電源側(cè)或者專用電源，嚴(yán)禁接在被控開關(guān)的負(fù)荷側(cè)。

為監(jiān)控風(fēng)機(jī)或其他電器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)配備風(fēng)機(jī)或其他電器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)開停監(jiān)控系統(tǒng)。同時安裝斷電控制器，監(jiān)測隧道中饋電開關(guān)或電磁啟動器負(fù)荷側(cè)有無電壓，并經(jīng)過分站與上位機(jī)通訊，通過軟件設(shè)置與瓦斯傳感器及開停傳感器關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

3.2 超前地質(zhì)兼瓦斯抽排鉆孔

（1）瓦斯探測孔鉆孔。根據(jù)瓦斯壓力測定情況結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際開挖揭露地質(zhì)條件進(jìn)行瓦斯排放孔鉆孔施工，鉆孔直徑選擇Φ75 mm 或Φ94 mm，鉆孔的開孔位置應(yīng)選在巖石（煤壁）較完整的地點(diǎn)，鉆孔設(shè)計為四周鉆孔，環(huán)向孔距1.0 m，孔深為穿過煤層10～15 m，超前探孔向外傾角控制在5°～15°，按照傾角計算，每個孔深60～80 m（具體孔深根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工條件確定）。由于受現(xiàn)場TBM設(shè)備及鋼支撐、鋼筋排及錨桿等的影響，具體孔深、孔距、傾角等根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

（2）擴(kuò)孔、套管安裝。擴(kuò)孔直徑Φ108 mm，如孔圍巖條件不好，孔口破碎，或者孔內(nèi)塌孔，需要套管跟進(jìn)，在該段范圍內(nèi)設(shè)置套管，套管使用Φ89 mm，厚6 mm的特制無縫鋼管，防止塌孔，確保瓦斯鉆孔排放效果。

（3）排放孔灌漿。瓦斯排放后為了防止圍巖在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)塌方，利用部分已施做瓦斯探測孔進(jìn)行孔內(nèi)注漿巖石固結(jié)，注漿漿液采用水灰比為2∶1～1∶1水泥漿或M25砂漿，并隨時關(guān)注刀盤及護(hù)盾周邊漿液滲出情況。

3.3 隧洞一次支護(hù)加強(qiáng)

3.3.1 鋼支撐

采用HW150 全環(huán)型鋼支撐，榀距45～180 cm，將聯(lián)系鋼筋調(diào)整為聯(lián)系型鋼，聯(lián)系型鋼采用HW125型鋼，環(huán)向間距為1 m，連接形式為裝配式，使用M20×80（8.8 級）高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，縱向連接型鋼單根長度及環(huán)向間距可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整。

3.3.2 錨桿

（1）系統(tǒng)砂漿錨桿。該段巖性主要為碳質(zhì)頁巖（煤矸石），極度破碎，呈碎塊狀、粉末狀，系統(tǒng)錨桿無法施做，將系統(tǒng)砂漿錨桿調(diào)整為隨機(jī)。

（2）鎖腳（鎖定）錨桿。每榀鋼支撐鎖腳（鎖定）錨桿不少于3處，每處均調(diào)整為雙根鎖定，C22砂漿錨桿，長3.0 m，入巖深度不小于2.8 m，外露20 cm，通過1 cm厚鋼板（Q235B），單板規(guī)格為長40 cm、寬12 cm，由于洞內(nèi)嚴(yán)禁電焊鋼拱架鎖腳（鎖定）錨桿無法按原設(shè)計與拱架焊接施工，錨桿穿過位置開孔，采用M20（8.8級）高強(qiáng)螺母及異性墊板連接緊固。

3.3.3 初噴混凝土

噴混凝土采用C30W10F50混凝土，V類圍巖頂拱270°范圍，厚度18 cm；IV 類圍巖頂拱270°范圍，厚度15 cm。

3.3.4 其他加固措施

瓦斯出突段巖性以炭質(zhì)粉砂巖為主，多成粉狀散粒結(jié)構(gòu)，與水泥漿膠接性能差，TBM 施工過程極易出現(xiàn)塌腔，部分渣料通過刀盤與護(hù)盾間隙等進(jìn)入刀箱及護(hù)盾內(nèi)，造成刀盤內(nèi)及護(hù)盾底部大量積渣，刀盤掘進(jìn)前在確保刀箱瓦斯?jié)舛劝踩那闆r下，需人工進(jìn)入刀箱內(nèi)進(jìn)行渣料清理，以便刀盤能恢復(fù)轉(zhuǎn)動掘進(jìn)。另根據(jù)瓦斯排放孔揭露刀盤前方巖體完成情況，應(yīng)及時施超前管棚、化學(xué)灌漿等超前支護(hù)。

穿煤段圍巖極度破碎，不能為撐靴提供穩(wěn)定受力面，利用TBM設(shè)備應(yīng)急噴混系統(tǒng)提前對撐靴部位塌方區(qū)域破碎圍巖進(jìn)行噴護(hù)，以確保撐靴安全順利通過。

3.4 塌腔處理

對明顯塌腔部位，如塌腔處理可能對護(hù)盾及刀盤造成膠結(jié)時，首先對護(hù)盾及刀盤進(jìn)行護(hù)盾及刀盤周邊超前加固中隔離處理，然后再進(jìn)行塌腔處理。

（1）如塌腔內(nèi)瓦斯突出較大，應(yīng)首先對塌腔采用發(fā)泡型化灌材料進(jìn)行封閉處理，封閉厚度根據(jù)現(xiàn)場施工條件確定，可布置在鋼筋排上部。

（2）及時對塌腔部位進(jìn)行噴護(hù)混凝土施工，噴護(hù)施工過程中對塌腔處埋設(shè)預(yù)埋直徑Φ50 的灌漿管及排氣管，及時進(jìn)行回填灌漿處理。

（3）根據(jù)塌腔深度不同，回填處理可采用M25砂漿、C30 噴護(hù)混凝土或輕質(zhì)混凝土，進(jìn)行分層回填，每層回填厚度不大于1.0 m，將塌腔全部填滿后，封堵所有回填灌漿管管口。

（4）針對護(hù)盾前方塌腔，在完成護(hù)盾及刀盤隔離化學(xué)灌漿和護(hù)盾口外露空腔體封閉后及時進(jìn)行回填灌漿，具體回填造孔及孔位傾斜角根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，單次回填厚度控制在1.0 m 左右。一次回填施工完成待凝后，再在灌漿管上部繼續(xù)造孔進(jìn)行回填灌漿，如此往復(fù)，直至空腔體完全填滿為止。

3.5 停（復(fù)）工標(biāo)準(zhǔn)

（1）瓦斯監(jiān)測設(shè)備布設(shè)及洞內(nèi)電氣設(shè)備改造。人工及監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)檢測洞內(nèi)任意處瓦斯?jié)舛冉档偷叫∮?.3%時開始作業(yè)，任意處瓦斯?jié)舛却笥?.5%時停止作業(yè)、斷電。

（2）瓦斯鉆孔探測施工。鉆孔工作面10 m 以內(nèi)瓦斯?jié)舛却笥?%，及TBM 設(shè)備任意帶電處瓦斯?jié)舛却笥?.5%時，停工、停電，加強(qiáng)通風(fēng)。當(dāng)洞內(nèi)任意處瓦斯?jié)舛冉档偷叫∮?.3%時（除鉆探孔部位）復(fù)工。

（3）TBM 施工。TBM 刀箱及頂護(hù)盾下瓦斯?jié)舛冉档偷?.5%以下，其它任意處瓦斯?jié)舛刃∮?.3%時施工；TBM 設(shè)備任意帶電處瓦斯?jié)舛却笥?.5%時，停工、斷電。加強(qiáng)通風(fēng)，當(dāng)洞內(nèi)任意處瓦斯?jié)舛冉档偷?.3%以下時復(fù)工。

4 結(jié)語

本文結(jié)合新疆EH調(diào)水工程TBM11在高濃度瓦斯隧洞施工處理實(shí)例，以“探、排、引、堵”的綜合施工處理手段，總結(jié)形成了一套適用于水利工程TBM施工隧洞的瓦斯處理方法，保障施工安全及掘進(jìn)效率，該處理方法可為其他類似工程提供參考。