特殊地质条件下高瓦斯隧道施工要点及防控措施

摘 要：本文结合四川乐自高速长山隧道在建工程实例，针对在特殊地质条件下，高瓦斯隧道施工过程中的要点及难点进行了分析，并采取切实有效的瓦斯施工防控措施。

关键词：隧道；高瓦斯；特殊地质；施工要点；防控措施

1、工程概况

四川乐自高速公路长山隧道为特长隧道，又是分离式隧道，左线总长5068m，右线总长5106m。本合同段施工的为出口段，左线隧道合同段起点ZK5+300，终点ZK6+810，长2510m；右线隧道合同段起点K5+300，终点K6+822，长2522 m。隧道净空断面lO.25m×5.0m。隧道围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三级。

2、特殊地质条件

隧道主要穿越三叠系须家河组含煤地层、侏罗系自流井组、珍珠冲组、沙溪庙组，围岩主要为砂岩、泥岩夹煤层，少量灰岩。地质构造复杂，隧道穿越威远背斜核部及瓜瓢洞断层。隧道穿越的煤层主要为须家河组5段的三二炭、夹壳炭（相当于独层子），属于高瓦斯隧道。煤层采空区段落较长，分布较长，隧道洞身大部处于地表水沟、水塘下方，存在老窑积水，集中涌突水、溶洞等地质灾害。

3、施工中的要点及难点

(1)合同段隧道左右线均为2％的单向坡。隧道施工仅有出口一个工作面，且开挖、支护、仰拱混凝土、顶拱衬砌混凝土同时交叉作业，洞内施工干扰大，施工布置较困难。

(2)由于隧道施工仅有出口一个工作面，其间没有其它施工通道，又是特长隧道，通风散烟比较困难。

(3)隧道为高瓦斯隧道，对施工工艺要求高，安全隐患大。

(4)岩溶、涌突水等地质灾害随机影响大，增加施工难度。

4、施工方案

(1)开挖施工。根据瓦斯隧道安全施工要求和本工程特点，确定隧道主要采用预留核心土环形开挖（台阶法）。施工方法叙述（见图1）如下：

a、上半断面环向开挖；b、上半断面初期支护（含钢架锁脚锚杆）；c、上半断面核心土开挖；d、下半断面左侧壁开挖；e、下半断面左侧壁初期支护；f、下半断面右侧壁开挖；g、下半断面右侧壁初期支护；h、下半断面核心土开挖；i、仰拱砼和矮边墙施工；j、拱墙二次衬砌施工。

b

锁脚锚杆 ja j 锁脚锚杆

c

eg

dh f

i

图1预留核心土环形开挖（台阶法）

开挖前，在工作面附近20m进行通风，当检测瓦斯浓度小于0.4％时方可进行钻孔作业。钻孔全部采用湿式钻孔，钻孔作业时先开水、后开风以封闭粉尘，避免产生火花造成安全事故。

长山隧道为高瓦斯隧道，采用电力起爆，所选用的炸材均为某化工厂生产的8号覆铜壳煤矿许用毫秒延时电雷管及三级煤矿许用粉状乳化炸药。

根据爆破试验结果，总结分析出爆破参数，并在施工中不断优化爆破参数。隧道开挖采用的爆破参数见表1-表4。

表lⅣ、Ⅴ级围岩上台阶爆破设计参数表

炮孔类型 炮孔直径 药卷直径 炮孔孔深 炮孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 50mm Ф22 1.5m 35-45cm 60-70cm 75-150g/m

辅助孔 50mm Ф32 1.5m 60-70cm 60-80cm 0.7-1.1kg/孔

崩落孔 50mm Ф32 1.5m 90-100cm 80-100cm 0.8-1.3kg/孔

掏槽孔 50mm Ф32 1.8m / 80-100cm 1.2-1.4kg/孔

表2Ⅳ、Ⅴ级围岩下台阶爆破设计参数表

炮孔类型 炮孔直径 药卷直径 炮孔孔深 炮孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 45mm Ф22 3.3m 40-45cm 60-70cm 75-150g/m

崩落孔 45mm Ф32 3.3m 80-90cm 90-100cm 1.8-2.0kg/孔

表3Ⅲ级围岩上台阶爆破设计参数表

炮孔类型 炮孔直径 药卷直径 炮孔孔深 炮孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 50mm Ф22 3.3m 45-55cm 60-70cm 200-250g/m

辅助孔 50mm Ф32 3.3m 65-75cm 60-80cm 1.5-2.0kg/孔

崩落孔 50mm Ф32 3.3m 80-90cm 60-80cm 2.0-2.5kg/孔

掏槽孔 50mm Ф32 3.5m 80-100cm / 2.5-3.0kg/孔

表4Ⅲ级围岩下台阶爆破设计参数表

炮孔类型 炮孔直径 药卷直径 炮孔孔深 炮孔间距 抵抗线 装药量

光爆孔 45mm Ф25 3.3m 45-55cm 60-70cm 150-200g/m

崩落孔 45mm Ф32 3.3m 80-90cm 80-100cm 2.0-2.5kg/孔

从目前隧道开挖施工情况看，开挖面成型效果良好，施工超挖控制在9.8范围以内，未发生欠挖。

(2)支护施工。

①初期支护。初期支护根据围岩类型的采用不同的支护参数，型钢及格栅做拱架支撑，部分衬砌断面采用型钢全环封闭，喷护C20气密性混凝土，顶拱及拱墙采用 22@1.0 m，L=3.0m砂浆锚杆，挂 6.5钢筋网。洞口段采用壁厚6mm108大管棚进洞，其它洞身段采用 42超前小导管进行超前支护。

②混凝土衬砌。

隧道的混凝土衬砌施工和开挖施工需交叉进行，施工相互干扰较大。隧道开挖与衬砌施工的顺序为：仰拱开挖超前于浇筑段30～50 m 仰拱混凝土施工仰拱填充混凝土施工拱墙混凝土施工边沟及电缆沟施工混凝土路面基层施工混凝土面板施工。

在仰拱混凝土施工时，为了不影响隧道掌子面开挖、出石碴及机械设备通行，仰拱开挖采用左右分幅的开挖方法，在仰拱混凝土施工部位搭设可移动式钢栈桥作为临时通道。混凝土采用混凝土泵送入仓。根据行车及施工要求，该栈桥设计为双榀单跨移动式拱形钢栈桥。仰拱12m分一段，单榀钢栈桥设计长度为16m，宽1.0m，栈桥平面与立面图见图2、图3。

图2 钢栈桥平面图

图3 钢栈桥立面图

单榀栈桥拱形部位采用3根I0a工字钢作主梁，间距35cm，底梁由三根I20a工字钢组成，两拱形工字钢之间每隔1 m采用I18工字钢连接，拱形工字钢端头与底梁端头焊接，拱形工字钢与底梁之间每隔2m采用I18工字钢为横撑，所有焊接处焊缝饱满均匀。采用 22钢筋与拱形工字钢顶部焊接作为栈桥面板， 22钢筋间距7cm。钢栈桥端头部位采用1cm厚钢板焊接加强，钢栈桥端头底部2 m焊接1 cm厚钢板以增加栈桥端头的受力面积；栈桥护栏采用 48钢管与主梁外侧焊接。竖向每隔1m焊接一根长1.5m的 48钢管，横向钢管采用扣件与竖向钢管连接。

(3)地质灾害处治。

针对溶洞、涌突水等地质灾害随机影响大，设置预案处理方式，通过地质超前预报手段及早发现，经业主、监理、设计、施工四方确认后实施。目前已通过全断面深孔预注浆、周边深孔预注浆和开挖后周边注浆处理170m岩溶地段，采用清淤、回填方式处治60m小型溶洞、老窑段。

5、瓦斯防控措施

(1)地质超前预报

在隧道施工中遵循“动态设计、动态施工、先判断后处理”的原则，对隧道进行了超前地质预报，采用地质调查分析、TSP探测、瞬变电磁仪、地质雷达等手段。针对高瓦斯隧道，实施超前钻孔对瓦斯进行测试和预报，超前钻孔同时兼作超前地质探孔。对前方隧道围岩的瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出量、钻孔瓦斯涌出衰减系数进行测定，计算开挖过程中瓦斯涌出量，以便及早采取防治瓦斯突出措施，以保证施工的正常进行和人员、设备的安全。

(2)结构防护措施

a、二次衬砌砼采用防水砼浇筑，模筑混凝土采用C30混凝土，其防渗等级不小于S8。

b、施工缝封闭：衬砌变形缝和施工缝均严格气密性处理，所有变形缝和横向施工缝均设置一道背贴式止水带，缝间结合面刷涂界面剂。

c、初期支护与模筑砼衬砌之间设置HDPE单面自粘胶膜防水卷材，防水卷材全断面封闭。

d、洞口中央排水沟设置水气分离装置排出沟内瓦斯等有害气体。

e、洞内施工严禁明火，洞内拱架全部采用螺栓连接；

(3)瓦斯监测

为保证瓦斯隧道的施工安全，瓦斯检测采用人工监测与自动监控相结合的方式。自动监控采用重庆煤科院KJ90煤矿安全综合监控系统，人工监测使用便携式甲烷检测报警仪。相应的设置瓦斯自动检测报警断电装置；当含量超过2%时人员撤离后，不得进入隧道的情况下采用瓦斯探测仪。

重点检测开挖面及其附近20m,同时应对断面变化交界处上部、导坑上部、横通道处以及衬砌台车内部、防水板背后、塌方处等容易积聚瓦斯的地方重点检测。

对瓦斯浓度进行三级管理。瓦斯含量低于0.4%，可正常施工；瓦斯含量大于0.4%，小于0.5%，报警处理并加强施工通风；瓦斯含量大于0.5%，局部停工检查处理。对隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施严格按照下表执行：

序号 地点 限值 超限处理措施

1 隧道内任意处 0.5% 超限处20m范围内立即停工，查明原因，加强通风监测

2 局部瓦斯积聚（体积大于0.5m³） 2.0% 超限处附近20m停工，断电、撤人、进行处理，加强通风

3 开挖工作面风流中 1.0% 停止电钻钻孔

4 回风巷或工作面回风流中 1.0% 停工、撤人、处理

5 放炮地点附近20m风流中 1.0% 严禁装药放炮

6 煤层放炮后工作面风流中 1.0% 继续通风、不得进入

7 局扇及电气开关10m范围内 0.5% 停机、通风、处理

8 电动机及开关附近10m范围内 1.5% 停止运转、撤出人员、切断电源、进行处理

9 竣工后洞内任何处 0.5% 查明渗漏点、进行整治

在焊接、切割等工作点前后各20m范围内，风流中瓦斯浓度不得大于0.5%，并在检查证明作业地点附近20m范围内隧道顶部、支护背板后无瓦斯积存时方可进行作业，作业完成后由专人检查确认无残火后方可结束作业。

每班有专职的培训考核合格并取得了相应上岗证的瓦斯检测员值班。在钻眼中、装药前、放炮前及放炮后四个环节做好瓦斯巡回检测工作，对瓦斯积聚区域做好巡回检测工作，在为消除瓦斯突出危险期内，严禁隧道内一切动火作业。瓦斯超前钻孔作业时瓦检员跟班作业，开挖作业面瓦检员全天候跟班作业。

瓦斯隧道洞口每60min检测一次，同时对全隧道进行24小时连续不间断的监测。

(4)用电防护

考虑到高瓦斯隧道通风系统的特殊情况，该隧道采用了双电源供电方案，即公用电网和自备发电站双电源，并安装备用电源自动切换装置，洞内供电采用单电源线路。洞内配电设备及照明电器全部采用防爆型，并做到“三专”、“两闭锁”，即专用防爆变压器、专用开关、专用供电线路和瓦斯浓度超标时与供电的闭锁、局部采用风扇通风与供电的闭锁，以保证瓦斯隧道安全施工。

(5)隧道通风

施工通风分两个阶段布设，在施工长度为0-700m段采用独头压入式通风，施工长度超过700m后采用巷道式通风。

高瓦斯隧道24 h不间断通风，采用双电源，风机全部为防爆型，进洞风筒布全部采用专用的抗静电、阻燃型，风机和电源均必须考虑备用，洞内最小风速不能小于1m／s。风机操作工必须持证上岗。

本合同段使用施工通风设备材料见下表：

编号 风机型号 最高功率（KW） 最大电机功率（KW） 数量

1 SDF（C）-NO12.5（防爆） 216 110×2 6台（4用2备）

2 FBCZN12/30（防爆） 30 2台

3 FBCZN8/5.5（防爆） 5.5 8台

4 Ф1500抗静电、阻燃风管 2920m

5 SDS-II-NO10.0（防爆） 30 20台（16用4备）

(6)防爆设备改造

根据高瓦斯隧道施工要求，所有进洞车辆和电气机械设备必须为防爆型。项目部通过技术分析和防爆试验，确定对所有进洞设备进行防爆改装。经过对防爆改装过的装载机和自卸汽车进行瓦斯浓度达到0.5％条件下的模拟试验确定改装后的设备能满足施工安全要求。设备在隧道施工中现未发生爆炸事件。

(7) 揭煤瓦斯预防突出综合措施

预防煤（岩石）与瓦斯突出采取“四位一体”防突综合措施，包括：①突出危险性预测；②防治突出措施；③防治突出措施的效果检验；④安全防护措施

a、突出危险性预测

a.1突出危险性预测指标

（1）参照《防治煤与瓦斯突出实施细则》和《铁路瓦斯隧道技术规范》的有关规定，结合长山隧道地质及瓦斯具体特点，检测该开挖工作面的各项参数，确定有无突出危险。

预测类型 预测方法 预测指标 突出危险性临界值

开挖工作面突出危险性预测 瓦斯压力法 P（Mpa） 0.74

综合指标法 Dm 0.25

K 20（无烟煤）、15（其他煤）

（2）当钻孔过程中出现顶钻、卡钻及喷孔等动力现象时，视该开挖面为突出危险工作面。

a.2突出危险性预测手段

长山隧道采用超前钻孔方法预测工作面突出危险性。

由于公路隧道开挖面远远大于煤矿巷道，且为了探明前方裂隙和空洞，保证隧道开挖安全，钻孔终孔点控制隧道开挖线外5m，结合隧道开挖方法，纵、横向排距为4m，全断面钻孔数量为15个，钻孔每循环深度为60~80m，开孔直径为75mm，终孔直径为65mm。

根据隧道的开挖方法及地质条件的现场实际情况，工作面保持10m的钻孔超前距为安全距离、严禁超掘。

a.3防治突出措施

经预测有煤（岩石）与瓦斯突出危险时，项目部已提前制定包括技术、组织、安全、通风、抢救、救护等技术组织措施。采取钻孔排放瓦斯为防止瓦斯突出的措施。

（1）钻孔排放孔数量

根据本项目地质情况，主要以裂隙瓦斯为主，故瓦斯排放措施主要以控制隧道各个方位为主，当预测孔中有瓦斯超标时，就在该孔周边进行补孔排放，由于瓦斯涌出的随机性、便于计量控制和现场实际情况，假定12个预测孔中有4个孔瓦斯指标超标，则瓦斯排放孔计量总数量为12个。

（2）钻孔排放孔间距

根据本隧道瓦斯分布特点，瓦斯排放钻孔到超前探测钻孔的距离不大于2m；瓦斯排放效果检验采用与预测相同的方法。

a.4防治突出措施的效果检验

在深孔控制卸压爆破防突措施实施后，必须进行效果检验，以确认防突措施是否有效。检验中有任何一项指标超标（见危险性预测指标），或在打检验孔时发生顶钻、卡钻及喷孔等动力现象时，认为防突措施无效，必须采取补充防突措施。

a.5安全防护措施

本隧道采取的安全防护措施主要有：洞外放炮、放炮撤人（左右洞所有人员全部撤离隧道）、施工人员必须配备自救器、加强超前支护与结构支护等措施。

6、结语

(1)长山隧道目前正严格按照瓦斯隧道要求进行施工，瓦斯控制得当，未发生瓦斯突出、燃烧,施工进度满足要求。被业主、监理和当地安监部门评价为：“制度健全，管理受控，措施到位”；

(2)长山隧道为特长、高瓦斯隧道，其特点为地质条件复杂，瓦斯突出危险性大，有别于其它一般含煤瓦斯隧道，对超前预报、隧道施工方案、瓦斯监控、施工通风要求更高。

通过对长山隧道的施工经验进行总结，为其它类似特殊地质条件下长距离高瓦斯隧道施工提供了一定的借鉴。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看