云南绿汁江龙门水电站高瓦斯隧洞施工

陈彰毅

（湖南水总水利水电建设有限公司 长沙市 410007）

1 工程概况

云南龙禹电力发展有限公司投资建设的云南绿汁江龙门水电站，位于云南红河一级支流绿汁江中游的高山峡谷中，地理坐标东经102°2′，北纬24°26′。电站装机39MW，投资3.25亿。该工程全长5376m的发电引水隧洞为全线的控制性工程，隧洞为城门洞形，最大断面尺寸7.5m×6.5m，最小断面尺寸6.3 m×5.3m，衬砌厚度（0.35～0.5）m；开挖断面7.5m×6.5 m，隧洞平均开挖断面面积为42.7m2。整个发电引水隧洞于2008年10月5日开工，计划于2011年2月28日完工，因施工中途遇高瓦斯涌出，施工难度增加，进度滞后，延期至2012年7月份完工。

2 龙门水电站发电引水隧洞工程地质条件

根据剖面地质测绘及平面地质调查，隧洞上覆岩体厚度大，围岩为三叠系上统一平浪群干海子组（T3g）黑色泥质粉砂岩、泥岩，岩石较为软弱，物理力学强度一般。N10°E·NW∠40°～45°，倾向右岸，岩石强风化层厚（1～3）m。未见有大的断裂带，节理裂隙发育一般，走向与洞向斜交，该段位于地下水位之下，岩体完整性较好，成洞条件较好，属Ⅲ类围岩，k0=（15～30）MPa/cm，坚固性系数f=（2.0～2.5）。

引水发电隧洞围岩整体虽然比较稳定，但通过泥质粉砂岩、泥岩、泥晶灰岩区，有7条区域性大断裂穿越洞身，存在渗流、塌方等地质问题，且隧洞穿过煤系地层的情况不清楚，煤层赋存状态及煤层瓦斯参数也不清楚，给隧洞施工造成较大的不确定因素。图1为龙门水电站工程区域构造纲要图。

图1 龙门水电站工程区域构造纲要图

3 瓦斯状况

2010年7月5日晚19：40隧洞开挖至距支洞1200m穿过黑色泥质粉砂岩和泥岩时，遇到瓦斯、氯、硫等有害气体，工人在焊接工字钢金属支架和锚杆时，出现约20cm高的火焰，建设单位随即停止了一切作业。经检查在掌子面右侧墙角裂缝处有气体涌出，用便携式瓦斯检测仪检测出瓦斯最大浓度达到3%，远远超过1.5%瓦斯隧洞全部停止施工的界限，并接近5%的爆炸浓度，情况危急。

从工程地质勘察报告分析，该隧洞要穿过三叠系上统一平浪群干海子组（T3g）底层，该地层中有煤层存在，但煤层赋存情况和具体位置不清，无煤层瓦斯含量等参数。隧洞是否需穿过煤层不详。隧洞揭露情况表明，围岩为黑色泥质粉砂岩、泥岩，岩石较为软弱，物理力学强度一般，属Ⅳ类围岩，未遇到煤层或煤线。根据 《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB 10120—2002）中4.1节中“当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3／min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5 m3／min时，为高瓦斯工区”。根据上述隧洞瓦斯的涌出情况，为确保施工安全，龙门水电站发电引水隧洞穿过煤系地层段按高瓦斯工区管理。

4 高瓦斯隧洞工区施工方案

由于龙门水电站发电引水隧洞穿过煤系地层段按高瓦斯工区管理。因此施工方法将与常规隧洞工区的施工方法有很大的区别，包括更换设备、增加供电线路、调整施工方法等等，具体的施工方法如下。

4.1 已揭露围岩的初期支护

龙门电站引水隧洞穿过煤系地层段为Ⅲ～Ⅳ类围岩，岩石较为软弱，物理力学强度一般。在开挖过程中按Ⅲ类围岩开挖的地段，不架设钢支撑。此段采用C20气密性喷射混凝土(厚15cm，采用湿喷)、Φ8双层钢筋网片、砂浆锚杆联合支护(间距1m×1m梅花型布置)，以减小瓦斯的渗出量。在开挖过程中按Ⅳ类围岩开挖的地段，除按Ⅲ类围岩采用的锚、网、喷支护外，还要架设15#工字钢支架，棚距1m。

4.2 更换电器及设备

（1）电器更换。

龙门水电站发电引水隧洞穿过煤系地层段工区内的所有电器全部更换为防爆型，包括更换防爆灯、防爆开关，移动光源采用煤矿专用矿灯，隧洞开挖1500m时防爆变压器进洞。隧洞内电缆与电气设备连接，使用与电气设备的防爆性能相符合的接线盒。电缆芯线使用齿形压线板或线鼻子与电气设备连接。

隧洞内由于未进行衬砌，所有照明灯具均选用ExdI型矿用防爆照明灯，移动照明使用矿灯。

（2）施工设备更换。

将目前的普通扒渣机更换为防爆扒渣机、普通排渣汽车更换为防爆排渣汽车、普通喷浆机更换为防爆喷浆机等，根据后期情况决定是否更换为防爆混凝土运输车和防爆混凝土输送泵等。

附表为前期主要更换和增加的设备、电缆。

附表 前期主要更换和增加的设备、电缆表

隧洞内凡容易碰到的、裸露的电气设备及其带动机械外露的传动和转动部分，都必须加装护罩或遮栏。通风机和开挖工作面的电气设备均装设风电闭锁装置。当通风机停止运转时，应立即自动切断通风机供风区段的一切电源。

隧洞内的低压电气设备，严禁使用油断路器、带油的起动器和一次线圈为低压的油浔变压器。

（3）更换电缆。

隧洞内原使用的低压和高压电缆分别为DLV-35、DLV-120铝芯电缆，将铝芯电缆更换为铜芯电缆，铜芯电缆为不延燃橡套电缆；移动式和手持式的电缆，更换为专用的不延燃电缆。

（4）电器保护。

隧洞内36V以上的和由于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备的金属外壳、构架等，都有保护接地，其接地电阻值满足下列要求：接地网上任一保护接地点的接地电阻值不得大于2Ω；移动式或手持式电气设备与接地网间的保护接地所用的电缆芯线的电阻值不得大于1Ω。

为确保隧洞内电气设备的安全，将在洞口处装设避雷装置，防止雷击供电线路，将金属进行3次集中接地。

4.3 增加供电线路

高瓦斯隧洞工区按规范要求通风设施必须采用2路电源，安装风电闭锁装置，当1路电源出现故障时，另1路电源立即供电，确保隧洞内供电畅通。目前洞内采用高压进洞，电缆布置在流水方向左侧，与水管分别布置在隧洞两侧，电缆铺设方式为悬挂方式布置。

4.4 超前煤层探测和瓦斯检测

因隧洞掌子面两侧墙角附近有大量瓦斯涌出，根据内开挖掌子面围岩情况，采用超前探孔的形式进行超前地质预报，探孔采用专用地质钻机成孔，探孔深度≥60m，在隧道左右两侧（距底板1.2m，距开挖轮廓线0.8m）各施工1个探孔。探孔施工过程中密切观察岩芯情况，通过岩芯的情况以了解前方隧洞通过的地层层序、年代、岩层种类及含煤地层的分布，煤层数及顶底板特征和位置，煤层厚度、倾角，隧洞穿煤里程及长度；通过分析煤层数据，煤层瓦斯含量参数，了解煤的自燃及煤尘爆炸可能性，煤与瓦斯突出危险性。

由于超前地质探孔需要观测的数据多且专业，且施工存在较大的危险性，超前地质预报湖南水总委托专业部门进行作业。

在目前尚不能准确判断隧洞一定揭穿到煤层时，利用现有的气腿式凿岩机在掌子面打3～5个孔（需打到最大深度6m），探明掌子面前方的围岩情况。同时观测钻孔瓦斯涌出的情况，可根据钻孔岩粉、瓦斯的涌出情况和掌子面瓦斯涌出量的大小分析判断，以探明前方的围岩情况。采用此方法时需制定专门的安全措施。

4.5 揭 煤

经超前地质预测，引水隧洞有需穿过煤层，则按如下方法揭煤：

（1）石门揭煤。

采用 “低爆力震动放炮部分露煤揭石门方法”，露煤揭开石门及过石门坎见图2。

图2 过石门坎示意图

（2）过石门坎。

施工原则：勤检验、短进尺、弱爆破、强支护、快喷锚。

（3）煤层掘进。

4.6 隧洞开挖

隧洞开挖前方有煤层存在时，按有煤层的情况进行开挖。

隧洞穿过煤层段，需要采用煤层段的专项施工方案，严格按照短进尺、弱爆破、强支护、勤监测、强通风、快喷锚的原则组织施工，每次开挖进尺控制在1m以内，保持每次开挖体积小，瓦斯溢出量不大，开挖轮廓能够迅速得到支护。

4.7 初期支护

当隧洞穿过煤层段时，开挖后立即进行初期支护，初期支护形式为15#工字钢支架、C20气密性喷射混凝土、Φ8双层钢筋网片、自进式中空锚杆联合支护。

4.8 二次衬砌

当隧洞贯通后从隧洞中部向隧洞进口和出口两个方向同时进行二次衬砌，在进入有瓦斯涌出段时，在二次衬砌和初期支护之间铺设高密度PE板，同时隧洞二次衬砌选择掺气密剂的衬砌混凝土。混凝土在洞外搅拌站集中搅制，采用混凝土运输车将混凝土运送至指定地点，混凝土输送泵泵送入模。

4.9 排放瓦斯和水

（1）全封闭防瓦斯地段有地下水时，含有瓦斯的水通过二衬后的排水盲管排至隧洞中部的排水沟内，用水气分离装置分离后，水通过中部的排水沟排出，瓦斯采用钢管统一排出。在隧洞方向左侧二衬内埋设一根DN50的钢管，钢管的一端伸出隧洞并高出洞口10m。

（2）从隧洞内引出瓦斯的金属管，其上端管口距地面不应小于10m，并应妥善接地，防止雷击。瓦斯放空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。

4.10 通 风

根据隧洞的情况分最大瓦斯涌出量、瓦斯隧洞最低风速和掘进工作面一次爆破最大炸药量计算出掌子面每分钟需要的风量为1230m3，故选用2台110kW的轴流风机进行供风（1台通风机每分钟的最大供风量为1950m3，由于目前瓦斯涌出点距洞口1200m，1台风机输送到掌子面的风量仅为900 m3，故需要2台风机）并备用2台，当隧洞长度大于1500m时增加2台110kW的轴流风机接力送风。隧洞错车道处安装局扇，定期进行通风。布置在洞口的轴流风机，位置一定要选在上风向处，且距洞口的距离必须≥30m，确保送风质量，防止由隧洞内排除的含有粉尘和瓦斯气体的空气被吸入轴流风机造成二次污染。

瓦斯隧洞在施工期间，实施连续通风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。恢复通风前，必须检查瓦斯浓度。通风机应设两路电源，并应装设风电、瓦斯电闭锁装置。当一路电源停止供电时，另一路应在15min内接通，保证风机正常运转。

瓦斯隧洞应采用抗静电、阻燃的风管。风管出风口到开挖面距离小于5m，风管百米漏风率不大于2%。

4.11 消 防

在隧洞开口上方垂高20m的位置设置消防水池（以前使用的高压水池由于地形的原因不能再进行扩建），水池的容积为300m3；在进洞方向左侧储备消防用砂，消防用砂数量不得少于100m3。

在进洞方向左侧设置一条消防供水系统，每隔100m设置1个消火栓，供水系统距掌子面不超过15m。

在作业区附近放置灭火器，灭火器的数量不少于10个。

4.12 瓦斯检测

在隧洞施工过程中采用人工巡检和瓦斯遥测仪连续自动监测相结合的方式，运行如图3。

（1）瓦斯检测由专职瓦检人员负责，瓦检员应完全了解自己所使用仪器的功能和原理，熟悉瓦斯检测仪器的操作程序及保养办法，严格按照检测要求，严格按照仪器说明进行操作，及时准确检测出各检测部位的瓦斯浓度，不得出现空班、漏检、少检、假检等违规情况。

图3 瓦斯检测运行图

（2）瓦检员现场必须严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮机制”。每班瓦斯浓度检测不少于2～3次，有异常现象时每小时检测1次，特殊情况时应现场值班人员不间断落实检测工作，当隧洞内瓦斯超限时，瓦检员有权要求立即停止工作、撤除人员，同时立即向现场负责人汇报，并逐级上报。

（3）瓦检员检测结果必须经当班负责人签字确认，同时将检测结果告知现场负责人、安检负责人以及现场值班调度，现场值班调度负责洞口瓦斯浓度告知工作，即在洞口瓦斯浓度告知牌上明确洞内各处瓦斯浓度情况。瓦检员在交接班过程中必须交清洞内各处瓦斯浓度和检测重点关注部位，同时将监测浓度出洞后告知项目负责人。

（4）瓦斯检测仪器采用固定式和便携式瓦斯检测仪器，并定期对瓦检仪进行校验（或委外校验），确保其检测数据的真实性、准确性。校验项目包括对零、灵敏度、报警点、指示值等。

5 结 语

在隧洞工程施工中，遇到高瓦斯涌出是非常危险的，如何做好高瓦斯条件下的隧洞安全施工，是隧洞施工中面临的难题之一。该项目在建设业主和施工单位的共同努力下，严格执行高瓦斯工区安全施工管理，不间断的进行瓦斯浓度检测，及时掌握瓦斯涌出情况和围岩变形情况，有效加强通风，确保各项安全保障措施落实到位，施工中不断总结和完善施工方案，成功攻克难关，圆满完成了施工任务，取得良好效果，诸多施工经验值得总结和借鉴。