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复杂地质条件高瓦斯隧道施工工法1.前言1.1工程概况重庆市肖家坡隧道，左线起讫桩号为ZK51+386～ZK54+105，全长2719米，右线起讫桩号分别为YK51+400～YK54+130，全长2730米。隧道最大埋深约460m。隧道穿越地层主要为志留系上统罗惹坪群第二段、第一段和志留系上统龙马溪群第二段，以粉砂岩、页岩、砂质页岩互层、水云母页岩为主。设计为无瓦斯隧道。1.2工法形成经过2006年12月，肖家坡隧道右线首次在YK53+690处测得瓦斯浓度为0.35%。从12月8日到12月，在每次掘进放炮后，均对隧道右线内瓦斯进行测定，这期间测得掘进工作面附近瓦斯浓度维持在0.26～0.36%之间，肖家坡隧道右线YK53+622位置的最大绝对瓦斯涌出量为4.69m3/min。随后于2007年9月19日在肖家坡隧道出口左线ZK53＋034处掘进工作面左侧离地3m处钻孔附近的出现不明气体，现场对瓦斯浓度进行了测定，孔口瓦斯浓度8.2%、拱顶0.16%、下部0.12～0.13%。根据已开挖进隧道实际瓦斯涌出情况和对未开挖段隧道瓦斯涌出量的分析，将肖家坡隧道定为高瓦斯隧道。在高瓦斯隧道施工中，如何有效的预防和采取必要的措施，防止瓦斯安全生产事故的发生，我们经过反复研究，从超前地质预报、钻爆、出渣及运输、支护、衬砌、防排水、风水电等各道工序上针对瓦斯的特性，经过对肖家坡高瓦斯隧道施工的工程实践，经总结形成了本工法。2.工法特点1、超前预报与地质工作相结合，提前探明瓦斯成因及规模，进行瓦斯突出性预测，采取防治瓦斯突出的措施，有效降低开挖爆破时瓦斯安全生产事故风险。2、控制隧道内及工作面的瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的关键。通过瓦斯检测预警系统与合理的通风设计，在施工中的每个环节都必须保证有强大的通风量与风速，将瓦斯浓度控制在0.5﹪以下，有效地降低隧道内的瓦斯浓度，确保施工安全。3、采用新型防水板、气密性混凝土、水玻璃、水气分离装置、防爆机械等新材料新设备保证施工和营运期间的安全。4、隧道开挖后及早地对围岩（含掌子面）进行封闭支护，以及采取径向预注浆措施可以防止围岩中的释压节理、岩层层理或者构造结构面在开挖松驰后相互贯通，切断瓦斯的运移通道，避免了瓦斯灾害的突涌。5、健全有效的安全管理制度是高瓦斯隧道施工的重要制度保障。3.适用范围适用于穿越地层中赋存有石油和油气共生地段以及浅层地表天然气贯通等外源性高瓦斯隧道施工。4．工艺原理针对外源性高瓦斯隧道施工特点，采取超前预报与地质工作相结合，提前探明瓦斯成因及规模，进行瓦斯突出性预测，采用光干涉甲烷检定仪、便携式甲烷检测报警仪、瓦斯自动监控系统对瓦斯实时检测监控。工前教育培训，每道工序全部采用防爆型，严禁火源进入隧道，采取径向注浆切断瓦斯的运移通道，开挖后及时采用气密性混凝土进行支护和衬砌，这些措施有效地规避了高瓦斯隧道突涌灾害的风险，避免了人员伤亡和财产损失，确保了施工和运营的安全。5.施工工艺流程及操作要点5.1高瓦斯隧道施工工艺流程图5.1-1高瓦斯隧道施工工艺流程图5.2高瓦斯隧道施工工法操作要点5.2.1超前地质钻孔为准确判断前方地质情况和瓦斯浓度，对隧道施行5个连续的超前探孔。钻孔采用ZK-150地质钻机，配有φ75和φ89两种钻头，通过取芯可准确判断掌子面的地质情况。通过测定钻孔内瓦斯浓度和瓦斯压力以及判定前方裂隙带的地质情况确定爆破方案。5.2.1-1钻孔布置图5.2.2瓦斯测定及判断在掌子面设置两个光干涉甲烷检定仪探头对隧道内的瓦斯进行24小时不间断监测。1号探头距掌子面10m，2号探头距掌子面20m，每次进尺放炮后，对隧道内的瓦斯浓度进行测定，对检测数据进行整理分析。检测方法和需要进行的气样分析如下表。表5.2.2-1瓦斯监控系统检测方法探头编号瓦斯浓度（﹪）第一个循环放炮后第二个循环放炮后第三个循环放炮后1＃(瓦斯浓度数据)(瓦斯浓度数据)(瓦斯浓度数据)2＃(瓦斯浓度数据)(瓦斯浓度数据)(瓦斯浓度数据)表5.2.2-2隧道钻孔气样分析组份体积百分比（%）氧气O2（所占百分比）氮气N2（所占百分比）甲烷CH4（所占百分比）一氧化碳CO（所占百分比）二氧化碳CO2（所占百分比）乙烷C2H6（所占百分比）乙炔（所占百分比）乙烯（所占百分比）根据所检测分析得出的瓦斯浓度数据，得出肖家坡隧道最大瓦斯浓度值C=0.18%。根据孔口瓦斯浓度可以算出瓦斯涌出量。其具体计算过程如下：现场实测隧道平均风速：v=0.53m/s隧道风量：q＝v×s×t=0.53×82×60＝2607.6m3/min。S—隧道开挖断面积；t—通风时间；最大瓦斯涌出量：Q=q×C＝2607.6×0.18﹪＝4.69m3/min。Q—隧道瓦斯绝对涌出量，m3/min；q—隧道进风量，m3/min；C—隧道瓦斯浓度。由于最大瓦斯涌出量Q=4.69m3/min＞0.5m3/min(《铁路瓦斯隧道技术规范》规范值)，可以判定为高瓦斯隧道。1、外源性高瓦斯形的基本规律详细勘察和研究瓦斯的特征、来源、形成以及赋存空间和运移通道，充分认识外源性高瓦斯形的基本规律如下：1)广泛分布的围岩一般为非煤层或者非含煤地层，完整性较好，各种贯通性结构面发育。2)前期地质构造形成了一系列的隐伏含瓦斯构造，这些构造只是在围岩中形成张性裂隙，围岩破碎并不强烈，现在构造地应力场稳定，可以使瓦斯有一个相对稳定的赋存环境。3)隧道所在地区地下水并不发育，在地质历史时期形成的瓦斯具备一定的储量和压力，而且瓦斯赋存区域有相互连通的隐伏含水构造形成的通畅的地下通道，可以为瓦斯的运移、赋存和突涌提供必要的条件。瓦斯突涌灾害具有受地质构造控制明显，瓦斯突出量随着时间的推移逐渐减少的特征。4)在施工等外界环境的扰动下，具有一定压力和静储量的瓦斯通过一些列的释压节理、岩层层理或者构造结构面突涌而出，瓦斯突涌灾害事故就发生了。地质模式如下图：5.2.3瓦斯突出防治根据地质勘测资料分析表明，隧道掘进放炮时由震动产生的裂隙与构造破碎带相沟通，导致了深层油气（瓦斯）顺着裂隙向掘进工作面涌出，排除了瓦斯来自于煤层或碳质岩层的可能。因此在高瓦斯隧道掘进过程中，为保证安全必须进行连续超前探孔，以探明施工前方的地质情况，防止5.2.2-1隧道斯突涌事故工程地质模式示意出现瓦斯突出现象。2、瓦斯突出性预测由于排除了存在煤层的可能性，为节约施工时间，可采用钻孔瓦斯涌出初速度法进行瓦斯突出性预测。此过程在超前取芯探孔过程中同步实施,测定瓦斯涌出初速度时，应注意保证测定装置的气密性，以减小测量误差。钻孔瓦斯涌出初速度法预测瓦斯突出的具体过程如下：1)在钻机每钻进1米时，立即撤出钻杆，插入钻孔瓦斯涌出初速度检测装置，测量2min后的瓦斯涌出量q。当瓦斯涌量q≥4L/min（指标临界值）时，则存在瓦斯突出危险。2)当钻孔瓦斯涌出量q＞6L/min时，在第5min后继续读取1min瓦斯涌出衰减量，当衰减系数α≤0.65时，则该工作面存在瓦斯突出危险。3)在钻孔过程中出现喷孔、顶水、顶钻、夹钻等动力现象时，即该工作面存在瓦斯突出危险。3、防治瓦斯突出的措施——瓦斯排放由于隧道开挖断面大，为防止掘进时瓦斯突出，采用了多排钻孔预排瓦斯的防治措施。瓦斯排放钻孔的各项参数及布设如下：1)钻孔孔径：90mm;2)孔距与排距：1m;3)排放钻孔角度：水平角：0—90°仰角：0—45°倾角：0—20°;4)排放控制范围：上下、左右隧道轮廓线外5m;5)排放时间：大于20小时。图5.2.2-2排放钻孔布设图4、防突措施效果检验防突措施实施完成后，重新施作检验孔,按照瓦斯突出性预测方法对防突效果进行检验。经检验无瓦斯突出危险时，表明措施是有效的。否则认为措施无效，必须采取帷幕注浆封堵和超深探孔排放等补救措施，直至检验有效时，可进行开挖掘进。5.2.3高瓦斯隧道开挖1、施工准备每循环掘进前，应做好相应的施工准备。在开挖前，必须对工作面附近20m风流中瓦斯浓度进行检测，当瓦斯浓度小于1.5％允许人员进入掌子面，台车用装载机吊装就位；风水管硬管接到离掌子面50m处，再用软管接到掌子面；ExdⅠ型矿用防爆照明灯接到掌子面为施工提供足够照明，掌子面地面大致整平，排水沟通畅。做好常规测量放线工作。2、爆破方法根据超前地质钻孔测定瓦斯浓度，如果瓦斯浓度和爆破断面较大需分批次爆破，如果瓦斯浓度和爆破断面较小时尽量采用全断面开挖。施工考虑到煤矿许用电雷管段数只有5段，以及断面较大无法满足全断面开挖施工要求，故爆破采用三次爆破，仰拱以上采用上、下分部台阶法开挖，仰拱以下一次爆破。裂隙带处围岩稳定较差，容易发生底鼓和底部瓦斯溢出，下部台阶开挖完以后，仰拱必须紧跟，尽量确保边墙与仰拱混凝土同时施工。每一台阶爆破完及时封闭掌子面和开挖面。同时采用光面爆破技术，短进尺、弱爆破避免对围岩扰动，防止瓦斯因在地应和瓦斯压力共同作用下产生瓦斯突出。钻机采用重庆分院生产ZT-30型防爆专用钻机。在开挖前，必须对工作面附近20m风流中瓦斯浓度进行检测，当瓦斯浓度小于1.5％允许开钻；采用湿式钻孔，严禁干式打钻，炮眼深度不应小于0.6m；炮眼最大抵抗线不得小于30cm。移挪钻机时，必须切断电源进行，严禁带电作业；在钻孔过程中，出现顶钻、夹钻、喷孔等动力现象时，应立即停止钻进，撤出人员，加强通风。3、爆破作业1)爆破作业开始时，对爆破点20m以内，风流中瓦斯浓度进行检测，当风流中瓦斯浓度小于1％才允许装药，连线起爆。2)爆破点20m内，矿车、碎石、煤渣或其他物体阻塞开挖断面不得大于1/3；3)装药前，每孔炮眼内岩粉应清除干净；4)炮眼封泥不足或不严不得进行爆破。4、钻孔装药、封孔1)采用电雷管起爆时严禁反向装药。采用正向连续装药方式，雷管安放在最外一节炸药中，雷管以外不得装药卷。2)在岩层内爆破，炮眼深度不足0.9m时，装药长度不得大于炮眼深度的1/2；炮眼深度为0.9m以上时，装药长度不得大于炮眼深度的2/3。3)所有炮眼的剩余部分应用炮泥封堵。4)炮泥应用水泡泥和黏土炮泥。水泡泥外剩余部分应用黏土炮泥填满封实。炮泥由专制炮泥机生产。5)严禁用煤粉、块状材料或其它可燃性材料作炮泥。5、爆破网路和连线1)必须采用串联联接方式。线路所有连接接头应相互拧紧，明线部分应包覆绝缘层并悬空。2)母线与电缆、电线、信号线应分别挂在巷道的两侧，若必须在同一侧时，母线必须挂在电缆下方，并应保持0.3m以上距离。3)母线应采用具有良好绝缘性和柔软性的铜芯电缆，并随用随挂，严禁将其固定。母线的长度必须大于规定的爆破安全距离。4)严禁瞬发电雷管与毫秒电雷管在同一串联网路中使用。6、爆破材料1)瓦斯隧道的爆破作业必须采用煤矿许用炸药，有瓦斯突出地段安全等级不低于三级的煤矿许用的含水炸药；2)使用煤矿许用电雷管，严禁使用秒及半秒级电雷管。使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得大于130ms；7、起爆1)采用电力起爆，起爆器采用防爆型专用起爆器，在洞外远距离起爆，起爆器电缆长度不小于510m。起爆时，洞内停止一切工作且必须停电，人员撤离至洞外，爆破电闸安装在洞外新鲜风流中。一个开挖工作面不得同时使用两台及以上起爆器起爆。2)爆破后连续通风30分钟后，由爆破员和瓦斯检测员佩带压风自救器进入掌子面对通风、瓦斯、瞎炮、残炮进行检查，在瓦斯浓度小于1%。二氧化碳浓度小于1.5%允许施工人员进入开挖工作面施工。8、出碴采用防爆型侧卸式柴油轮式装载机装碴，防爆型自卸式汽车运碴，严禁非防爆型机械进入掌子面。装碴前喷雾洒水、冲刷岩壁，且必须将石渣洗湿，防止摩擦和碰击火花，严禁装载机和运输机械与渣体撞击。5.2.4支护1、喷射混凝土支护掌子面开挖后，为减少工作面瓦斯溢出，必须立即进行喷射混凝土支护，及时封闭瓦斯。喷射混凝土机械必须采用防爆型，所有开挖面采用气密性混凝土封闭，喷射混凝土厚度不小于15cm，气密剂参量不小于水泥用量的10%，对裂隙带较宽，围岩稳定较差段必须采用工字钢支护，工字钢必须在洞外加工组装拭拼严禁在洞内焊接，工字钢在洞内安装时必须对开挖面用气密性混凝土进行初