刘家庄隧道穿越出口瓦斯段综合施工技术

总结并采用的“超前地质预报预测前方煤层，确定地质、煤层及瓦斯情况。瓦斯突出段采用多孔大直径钻孔排放，有效消除瓦斯突出危险；瓦斯段采用强化通风管理、严格防爆改装和进洞管理等工程措施”，实现了大断面客专隧道瓦斯突出段无轨运输的技术突破，总结并形成了一套可操作性强的瓦斯突出隧道无轨运输综合施工技术。

【关键词】隧道工程；瓦斯；施工技术；安全管理

1. 隧道工程概况

在建沪昆客运专线贵州段CKGZTJ-11标刘家庄隧道进口里程DK916+557，出口里程DK924+140。隧道场址位于扬子准地台黔北台隆六盘水断陷普安旋扭构造变形区，断裂、褶皱较发育。主要断裂有5条，走向北东向和南北向，表现为南北向组断裂切错北东向组断裂，隧道在中部穿越苦蒜冲断裂，出口附近穿西陇断裂。苦蒜冲断裂：走向北东向，倾向南东，倾角50°，断层带宽度小，旁侧岩层有褶曲拖拉现象。隧道洞身于D1K921+220处横穿该断层，影响较大。西陇断裂：东西走向，发育于大平地-兰花塘背斜核部，长约3.6km。两盘地层均为P[2]β～P[2]l，断裂影响破碎带宽约30m。该断层位于隧道出口，出口泄水洞洞身于D1K924+081处以20°交角穿该断层，对泄水洞影响较大。

根据调查区含水层岩性、组合特征、富水空间的成因，含水岩组为三叠系下统永宁镇组，其富水性中等，该区地下水整体呈南东径流。隧道的前半段穿越可溶岩地层，后半段穿越非可溶岩地层。地下水位不一，地下水渗透性亦存在一定差异。因此，根据隧址区地形地貌、地层岩性、构造及水文地质条件等进行隧道涌水量预算，推荐隧道正常涌水量Q=23767.3m³/d，雨洪期最大涌水量Q最大=47534.8m³/d。隧道区基岩大多裸露，为三叠系中统关岭组二段、一段、下统永宁镇组三四段、二段、一段以及二叠系上统长兴-大隆组、龙潭组地层，隧道进出口及缓坡地带有少量覆土。

2. 隧道出口不良地质及施工灾害

刘家庄隧道出口位于三板桥镇坟山、阶梯状宽缓冲沟，地形坡度16°～39°，地形上陡下缓，两侧为小山脊，覆土厚3～5m，下覆基岩为二叠系上统龙潭组（P2l）泥页岩夹粉砂岩及煤层。出口地层倾向隧道右侧，隧道左侧边墙顺层，岩层产状N70°W/65°NE，岩层走向与线位走向夹角约38°，视倾角41.32°，地层为二叠系上统龙潭组（P2l）砂岩、泥岩，局部夹煤层。对隧道进口边坡影响较大，隧道出口上部有一个小型松散层蠕变型滑坡，滑坡前沿有宽约15m左右的缓平台，对滑坡的变形起到一定的阻挡作用，滑坡目前稳定，对隧道影响较小。同时，刘家庄隧道出口段含煤地层为二叠系上统龙潭组（P[2]l），厚约430m，岩性以黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩为主，含煤（线）20余层。隧道穿越煤层为贫煤、瘦煤，属中变质阶段。隧道煤层瓦斯压力为0.85MPa，煤层瓦斯涌出量为1.68m3/min。按《铁路瓦斯隧道技术规范》瓦斯涌出量大于0.5 m3/min为高瓦斯工区，隧道为高瓦斯隧道。隧道出口地质剖面见图1所示。

图1. 刘家庄隧道纵断面图

3. 隧道穿越瓦斯段施工技术

3.1瓦斯防治原则

刘家庄瓦斯隧道施工防治的方针为：“加强预测，以防为主”。施工中应先按照一般工序进行加深炮眼施工，炸药应采用煤矿炸药；若加深炮眼和掘进中用便携式瓦斯探测仪检测到有瓦斯溢出，则应超前钻孔来进行探测。刘家庄瓦斯隧道施工的工艺见图2所示。

图2. 刘家庄瓦斯隧道施工工艺图

3.2 超前钻探

加强对掌子面前方围岩的超前钻探尤为重要，一方面可以准确了解前方围岩的情况，另一方面能对掌子面前方底层中的瓦斯、氧气及二氧化碳等气体提前释放，降低压力。超前布置要求如下：超前探孔孔径为89mm，单孔长度为30m，搭接长度不小于5m。超前钻孔的位置布置在全断面拱顶处与边墙中部及两边拱脚处。在钻探过程中要仔细观察钻孔内排除的浆液和岩屑变化情况，仔细观察是否有卡钻、顶钻、瓦斯喷孔等动力现象，做好记录。在掌子面距瓦斯积聚区5m处打成排放钻孔停止掘进，进行瓦斯天然气排放；钻孔过程中检测孔内是否有瓦斯天然气等有害气体，单孔瓦斯涌出量不大于5L/min时可正常开挖；否之，则将进行瓦斯气体排放，直至将瓦斯压力降至1Mpa以下，直至瓦斯浓度不大于5L/min时，方可继续开挖。

3.3 超前支护及开挖爆破和支护

由于煤层自稳能力差，开挖后拱顶容易掉块，所以揭煤前必须加强超前支护。采用超前中管棚的方式，中管棚采用Φ76*6无缝钢管，每根长8m，环向间距30cm，并严密注浆。

隧道瓦斯地段的掘进爆破施工中，总的原则是“早封堵、短进尺、多循环、快封闭”，防止有害气体的溢出。

正洞高瓦斯隧道设计主要为Ⅴ级围岩，部分为Ⅳ级围岩。Ⅴ级围岩开挖工法采用CRD法，Ⅳ级围岩采用台阶法加临时横撑。隧道采用震动放炮一次揭煤，每次揭一层煤，不得同时多层揭煤；正洞采用分部揭煤，各部逐一揭煤，当一层煤揭完后方可准备下一层煤揭煤层施工。其中，石门工作面距煤层的垂距不小于2m，当石门揭穿后，在半岩半煤中掘进。各掘进工作面应始终保持前方安全区不小于5m。揭煤前设置钢架、超前支护等防护措施。采用湿式钻孔，炮眼深度不小于0.6m。爆破作业采用煤矿许用炸药，有突出地段安全等级不低于三级的煤矿许用的含水炸药。主要爆破材料及规格见表1所示。采用电力起爆，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。在岩层内爆破，炮眼深度不足0.9m时，装药长度不大于炮眼深度的1/2；炮眼深度为0.9m以上时，装药长度不大于炮眼深度的2/3。在煤层中爆破，装药长度不大于炮眼深度的1/2。每次起爆前，隧道内所有人员退出洞外安全区域，洞外起爆。

表1. 主要爆破材料及规格

序号爆材名称规格型号

1煤矿许用乳化炸药32mm/200mm/200g

2毫秒电雷管1～5段（电阻6.3Ω）

3GM-2000型起爆器输出电压2000V

4孔口联结线（铜线）1mm2，单股，电阻17.5Ω/km

5主线（铜线）5.5mm2，7股，电阻3.18Ω/km

3.4 初期支护和二次衬砌

出碴之后，如掌子面一度处于不稳定的状态，对掌子面进行封闭，掌子面打设锚杆，挂钢筋网片，喷气密性混凝土。钢架间距缩小为0.5m，每榀钢架每侧打设Φ42*3.5锁脚锚管2根，每根长4.5m，挂网、喷混凝土。初期支护完成后，经过监控量测发现煤层与支护发生较大变形，喷射混凝土开裂，并有进一步加大的趋势，存在塌方危险，对已支护段落进行径向注浆。

刘家庄隧道按一级瓦斯地段设计，采用全封闭复合衬砌，喷射混凝土及模筑混凝土中掺气密剂、设置瓦斯隔离层、施工缝进行气密处理。在初期支护与二次衬砌之间满铺铺设防水板及闭孔型泡沫塑料垫层。且初期支护及衬砌混凝土均采用气密性混凝土。为避免地下水将瓦斯气体带入隧道内，全封闭段落纵向及环向盲管内不得接入侧沟，环向盲管与纵向盲管三通连接，通过水气分离室对地下水进行水气分离后，方可排入侧沟。全封闭段落瓦斯等有害气体的排放路径：环向波纹管—纵向波纹管—洞内水气分离室--纵向Φ100镀锌钢管（Φ100HDPE波纹管）—排出斜井洞口。全封闭衬砌左右边墙均设置2根Φ100HDPE波纹管作为纵向盲沟。由于煤系地层瓦斯压力较大，水气分离出的瓦斯气体采用1根Φ100镀锌钢管排出，镀锌钢管既为瓦斯排放管又兼做瓦斯降压管，镀锌钢管延伸至斜井洞口地面上10m处，其上端管口应妥善接地，防止雷击。瓦斯排放管的接地电阻不得大于5Ω，其周围20m内禁止有明火火源及易燃易爆物品。环向盲管与纵向盲管、纵向盲管之间、以及瓦斯排放管等各类接头之间必须进行有效可靠地连接，保证排水、排气的通畅。水气分离室用于对煤系地层段地下水进行水气分离，由水气室与水室组成，采用锚网喷防护。为确保水气分离室密封完好，衬砌必须整体灌注，并采用相应的全封闭措施。水气分离室施做完毕后，应进行灌水处理，水位高度不小于150cm，防止瓦斯气体串入斜井及正洞。

3.5 开挖检测及防治措施

开挖工程中应及时检测隧道内有害气体的浓度。瓦斯隧道检测采用“双保险”监测措施监测。在隧道洞口值班室安装隧道瓦斯检测自动报警监测系统与工人现场监测相结合，对洞内各个作业面进行24小时全天候监控。隧道瓦斯检测自动报警监测系统由一个主机与三个监测探头组成。主机安装在洞口值班室，三个瓦斯检测探头安装在开挖作业面20m范围内。拱部安装一个瓦斯检测探头，两侧拱墙各安装一个瓦斯检测探头。瓦斯检测自动报警系统主机，由专职瓦检员进行监控。主机显示各路探头所在区域瓦斯浓度。当瓦斯报警系统探测到瓦斯发出报警声音，专职瓦检员根据瓦斯监测系统反应数据进行判断。便携式瓦斯监测仪由专职瓦检员人员佩戴，对隧道内瓦斯进行实时任意处瓦斯浓度监测。专职瓦斯检测员对瓦检仪检测数据进行判断。根据判断进行如下的相应处置：

（1）开挖工作面风流中的瓦斯浓度达到1.5%时，应停止工作，撤出人员，切断电源进行瓦斯处理，制定瓦斯排放措施，严格控制送风量。

（2）开挖工作面内，在体积大于0.5m3的空间内，其局部积聚瓦斯达到2%时，工作面附近20m内必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行局部通风处理。

（3）开挖面回风流中瓦斯浓度大于1%或二氧化碳浓度大于1.5%时，也应停止工作，加强通风措施。

（4）坑道总回风流中瓦斯或二氧化碳浓度小于0.5%时，应加强通风措施。

（5）其他有害气体浓度超过规范要求时，应根据相应的标准来进行处理。

瓦斯检测员严格按照瓦斯检测制度实行一炮三检制。对隧道内作业面实行“三班制”24小时不间断巡查检测。检测频率每小时检查一次，瓦斯浓度的测定应在隧道风流的上部。

3.6 安全保证措施

严格执行铁道部推行的制度标准化、施工标准化、管理标准化及“六位一体”的管理要求，切实履行安全责任，接受上级有关部门、监督站及建立单位的监督检查，认真整改落实安全管理中存在的问题，并严格实施持续，不断提高安全管理水平，确保安全总目标的实现。首先建立健全安全管理体系，建立以项目经理为组长，项目副经理为副组长，包括专职安检工程师等人员的安全领导小组，坚持管生产必须管安全的原则，建立健全岗位责任制，从组织、制度上保证安全生产，做到规范施工，安全操作。

建立安全施工方案审批制度，隧道开工前，根据现有的安全施工政策、法令和规章制度，结合工程项目特点编制实时性安全生产方案，对技术复杂、施工危险性大的施工项目，编制专项安全操作规程。建立各级安全岗位责任制，逐级签订安全生产施工方案和技术措施，逐级进行交底，下达安全作业指导书，对施工人员进行安全教育和安全作业交底。严格安全监督，建立和完善定期安全检查制度。按照定期检查、突击检查和特殊检查相结合的安全检查形式，查思想、查管理、查制度。针对各安全管理环节和事故易发点，制定相应的突发事件处理预案，作到有备无患。

（1）通风与防尘安全方案：施工时的通风，设专职人员管理。无论通风机运转与否，严禁人员在风管的进出口附近停留，通风机停止运转时，人员不靠近通风软管行走和在软管旁边停留，不将任何物品放在通风管或管口上。隧道通风保证作业人员每一人最少提供3m3/min新鲜空气，保持空气流动速度不小于0.25m/s，二氧化硅粉尘小于1mg/m3，开挖作业空间的空气中有害气体的浓度不超过有关劳动法规要求的标准。喷射混凝土采用湿喷工艺，减少空气中的粉尘含量。隧道内的空气成分每半月取样分析一次，含尘量每月检测一次。

（2）隧道开挖及机械设备使用安全方案：开挖人员到达工作面时，先检查工作面是否处于安全状态。挖掘机开挖时要有专人指挥，严禁人员在挖掘机大臂下活动，以防止挖掘机壁碰撞初期支护以及临时支撑体系。洞内所有机械设备均应安装防爆罩，洞内外运输应采用有轨运输方式。

（3）瓦斯隧道爆破安全措施：瓦斯隧道爆破必须使用煤矿安全炸药；岩层中使用2#煤矿硝铵炸药。采用瞬发电雷管分次起爆。如使用毫秒、延期电雷管，最后一段的延期时间不超过130ms瞬发电雷管不能用以代替毫秒电雷管的第一段；电雷管使用发火参数一致的，不能掺混使用；禁止使用导火索和火雷管。装药前，必须进行瓦斯检测，在放炮地点附近20m以内的风流中，如瓦斯的浓度到达1%以上时，必须经过通风扩散，使瓦斯浓度降到0.5%以下后再装药。爆破炮眼使用炮泥封堵，炮泥的长度不小于孔深的三分之二。使用防爆式发爆器起爆，禁止使用动力或照明电源起爆。放炮后在放炮地点附近检查瓦斯的浓度，如有瓦斯超标情况，立即进行处理。

4. 结 论

由于刘家庄隧道施工路线通过煤层瓦斯影响区，为瓦斯隧道。施工中应采取超前探孔及加深炮眼进行超前探测。若施工中没有发现瓦斯，则按一般工序施工；若超前探孔、加深炮眼或掘进中发现瓦斯溢出，则需按瓦斯隧道专项施工方案进行施工。瓦斯隧道施工必须坚决贯彻“安全第一，预防为主，依靠科学，综合治理”的方针，防止瓦斯灾害性事故的发生。刘家庄隧道穿越瓦斯段按“加强探测，超前排放，严格监测，强化通风，严格无轨设备改装”等综合工程措施，安全、可靠地完成了瓦斯段隧道的施工，为今后同类隧道的施工提供了技术借鉴。

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