隧道穿越顺层偏压高瓦斯地段施工控制技术研究

钱其锋QIAN Qi-feng

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

在铁路设计过程中，为保证线路坡度，减少对线路经过地段原始植被的破坏，以最优的规划方案完成线路设置，针对经过山体部位多采用隧道穿越来实现，山体内围岩多变，溶洞、瓦斯、流沙、涌水等不良及特殊地质隐藏其中成为施工过程的关键控制点，合理的施工方法才能有效的消除多变围岩及不良地质对施工产生的质量、安全隐患。

在顺层偏压及高瓦斯不良地质同时出现时施工难度成倍增加，通风、支护成为重点控制项目，瓦斯放出及坍塌对隧道施工带来很大的危害及损失。通常施工过程中先解决高危地质灾害再解决次要地质灾害，结合此区域施工必须先解决瓦斯问题再进行顺层偏压加固支护问题，针对瓦斯放出主要采用风管式、巷道式、风墙式的通风方式以排为主，当顺层偏压高瓦斯出现时单一的通风方式及常规支护方式无法达到风量及加固要求，不能确保洞内施工安全，而采用“横洞、平导、通风竖井+全封复合式衬砌”的组合方式化可以实现消除安全隐患及保障质量工期。为确保安全高效的施工，同时实现质量、工期、成本的有效控制。本文就采用“横洞、平导、通风竖井+全封复合式衬砌”方法作为通风及支护的施工控制技术研究进行阐述。

1 项目概况

成贵铁路高坡隧道（D3K338+600.78 到D3K343+168.78），长度4.568km；其中，Ⅲ级围岩1.15km，Ⅳ级围岩1.93km，Ⅴ级围岩1.50km。平导里程PDK340+371.46～PDK343+348.46，长2.977km。其中顺层偏压高瓦斯段里程为D3K340+390 到D3K343+169，为确保工作区域内通风要求，结合水文地质及地形等条件，设置“横洞、平导、通风竖井”的辅助坑道配合施工及确保通风要求。在左线隧道中心线大里程方向右侧35m 设置平导，长度为2.977km，采用有轨双车道运输。

2 总体施工方案

顺层偏压高瓦斯隧道作业基本原则：管理及意识加强，隐患消除；超前预报、过程检测监测，时刻掌握瓦斯含量，降低瓦斯含量；确保通风、管控火源。

顺层偏压高瓦斯隧道防治方针：强化预报，预防为主。施工中必须加深炮眼和超前钻孔来进行瓦斯及有害气体探测，使用防爆型电气设备，使用非防爆型施工设备，配备便携式甲烷探测仪。

作业过程中通风必须连续，通风设备必须设置备用风机，电源设置双电路，由于设备检修或停电原因无法通风时，作业人员必须撤出工作区域、电源必须切断。正常通风后，必须对洞内瓦斯及有害气体进行检测，符合标准后方可进入作业。

3 施工控制技术及要点

3.1 超前地质预报

作业前采取地质调查、洞内加深炮眼、超前钻孔相结合的预报，同时使用相关仪器进行预报预测，以防止瓦斯及有害气体放出等灾害的发生。地质调查采取地貌、地质调查、地质推理相结合的方法，进行定性预测预报。

3.2 施工通风控制要求

施工通风目的是为了确保区域内有害气体浓度、氧气含量、温度等符合规定。

作业区域内氧气含量≧20%（以体积计算）；10%以上游离粉尘容许浓度，二氧化硅粉尘≦2mg/m3，二氧化硅矿物性粉≦4mg/m3；一氧化碳≦20mg/m3，短时间（15min）接触容许浓度≦30mg/m3；二氧化碳≦0.5%（以体积计算）；氮氧化物＜5mg/m3；气温≦28℃。

顺层偏压高瓦斯隧道作业区域内通风必须能满足各作业区所需的最小通风要求，新鲜空气保证每人≧4m3/分，通风风速，全断面开挖时≧0.15m/s，在分部开挖的坑道中≧0.25m/s，并均≦6m/s，瓦斯隧道进行爆破作业时，爆破作业点20m 内，流动空气中瓦斯浓度必须＜0.5%（以体积计算）。

3.3 施工通风量计算

高坡隧道附属坑道通风长度为2977m，附属坑道井身开挖断面为57.33m2。通过以上数据计算附属坑道通风量，确保满足各作业区所需的最小风量同时为通风机选择提供依据。

3.3.1 按洞内同时作业人数最大值计算风量：Q=q·k·m

q—新鲜空气量（每人/每分钟），取4.0m3/min；

m—洞内同时作业人数最大值，45 人；

k—备用风量系数，取1.3。

计算得：Q=q·k·m=4m3/min*45*1.3=234m3/min

3.3.2 按排除炮烟计算风量

一次爆破最大用药量：附属坑道Gmax=236.2kg；

爆破后计划排烟时间：t=30min。

附属坑道排烟最大量为948.55m3/min。

公式中：ϕ—淋水系数；掘进巷道沿干燥岩层，取值0.8；b—爆破时生成有害气体量，岩层中爆破取值b=40；K—扩散系数取值0.4；L临—炮烟稀释符合允许浓度时所需隧道长度（m）；p—风筒漏风系数。

3.3.3 按允许最低风速计算风量：Q=60*V*A

V—工作面最小风速全断面开挖时为0.15m/s，导坑开挖为0.25m/s。考虑洞内温度高，作业环境差，高地温，按0.5m/s 要求；A—掘进面积，斜井全断面法开挖取57.33m2。

计算得：Q=60*0.5*57.33=1719.9m3/min

根据风量计取值:以上计算结果取最大值Q=Max（234，948.55，1719.9）=1719.9m3/min 作为控制设计通风量配置通风设备。针对此项目所配置通风设备通风量满足控制设计通风量要求。

3.4 瓦斯检测、监控

为确保施工安全，必须随时检测与监控洞内瓦斯浓度及有无瓦斯存在，明确施工过程中施工方法和施工设备动态调整方案。本项目顺层偏压高瓦斯区域根据设计相关要求，采用自动监测为主、人工检测为辅的检测方法，主要检测仪器详见表1。

表1 瓦斯检测仪器

人工检测的控制位要求，一般地段按照每班不少于3次频进行检测，特殊地段有煤层与瓦斯放出地段、异常变化地段设专人进行检测；掌子面的瓦斯应连续监测，按照装药前、放炮前、爆破后进行人工检测（一炮三检制），遇异常变化时需随时检测。

自动监测设备应具有瓦电闭锁功能，自动监测设备传感器应设置在掌子面、作业台车附近、电气开关、瓦斯易于积聚等工作区域附近，所有监测断面处设备传感器设置位置应能反应风流中瓦斯的最高浓度。隧道任何监测断面设置报警浓度为0.5%（以体积计算），除电气开关20m 范围内瓦斯浓度＞0.5%（以体积计算）需停机停止作业、加强通风处理外，当监测瓦斯浓度为1.5%时，必须切断作业区电源，所在作业人员停止作业，立即撤出作业区域。

3.5 顺层偏压高瓦斯地段的施工技术

高坡隧道D3K340+060～D3K343+169 通过高瓦斯地段且存在顺层偏压区，加强支护及结构才能安全顺利穿越此区域，施工使用全封复合式衬砌、钢筋砼结构，并向低瓦斯段延伸50m，同时设置CPE 卷材瓦斯隔离板，全环I20b型型钢钢架及拱部超前管棚加强支护防止顺层偏压造成坍塌。施工缝进行气密处理，对瓦斯封闭性能大于或等于衬砌本身，衬砌背后压注水泥-化学浆液，另外初支及二衬砼都必须符合气密性要求。

为有效防止岩隙水将瓦斯及有害气体带入洞内，全封复合式衬砌盲管（线路方向、环向）严禁接入侧沟，环向和线路方向盲管设置三通连通，利用水气分离装置对岩隙水进行水气分离后排入侧沟，如图1。

图1 水气分离装置

3.5.1 瓦斯隔离板施工（拱部及边墙采用无钉孔铺设工艺详见图2）

图2 瓦斯隔离板铺设施工工艺流程图

3.5.1.1 施工准备

仰拱施工采取全幅开挖一次成型，人工清除淤泥、浮碴、积水等杂物后，制备M10 水泥砂浆找平使仰拱底圆顺，无局部坑洼及岩石突出，具备条件后方可铺设仰拱瓦斯隔离板。二衬施工时，待台车就位后，先将初支表面裸露的锚杆头、钢筋头、岩石突出等清除，制备砂浆找平将其覆盖，对初支表面不平整部位进行找平。

3.5.1.2 瓦斯隔离板铺设

隧道瓦斯隔离板使用复合式防水板（规格：WRM-100，厚度≧1.5mm，单位质量≧300g/m2）。同时使用水泥钉加塑料焊垫沿隧道开挖轮廓由顶向两侧钉挂无纺布，塑料焊垫按梅花型设置，间距要求拱部50cm*50cm，边墙100cm*100cm。将瓦斯隔离板从台车顶按两侧对称沿隧道开挖轮廓铺开，同时使用平头木桩将瓦斯隔离板沿隧道开挖轮廓展开。使瓦斯隔离板紧贴无纺布，并且保持松紧适度，相邻两幅之间的搭接长度≧10cm。

铺设工作完成后对塑料焊垫与瓦斯隔离板相贴部位压紧，将瓦斯隔离板与塑料焊垫，热熔粘接，达到固定瓦斯隔离板的作用。固定完成后开始正式焊接工作，采用双轮自动爬焊机进行焊接工作，先对设备温度及爬行速度进行设置，达到设置温度后进行试焊。试焊检验合格后，按试焊参数进行正式焊接。将瓦斯隔离板接缝压入爬焊机热楔，启动爬焊机，人工控制焊机前进方向，爬焊机将两幅隔离板接缝焊接成整体。焊接完成部位形成两条焊缝（宽度10mm*间距50mm）。

3.5.1.3 瓦斯隔离板施工要点

进行瓦斯隔离板固定时，根据初支表面的平整度预设富余量，防止富余量不足而被混凝土挤破损坏；为确保瓦斯隔离板接头焊接质量良好，瓦斯隔离板每段铺设长度和接缝均大于衬砌长度0.5-1m，确保接头质量；瓦斯隔离板铺设完成后，尽快完成混凝土浇筑作业；预留瓦斯隔离板接头应采取有效的保护措施，二次衬砌模板、钢筋、预埋件安装及混凝土施工中要进行有效防护，防止损坏瓦斯隔离板。

衬砌钢筋施工时，为防止焊渣烧坏铺设完成的瓦斯隔离板，使用“移动保护板”对铺设完成的瓦斯隔离板防护。

地下水、岩隙水向外涌出时，结合涌水量的大小设置一根或多根直径较大的PVC 管代替软式透水管。

施工中出现淋水时，为防止淋水打湿瓦斯隔离板无法保证焊缝质量，采取双层铺设瓦斯隔离板，下层起引水保证上层干燥，上层为正式层。

3.5.2 软式透水管盲沟

盲沟环向设置在隧道拱墙处，沿线路方向设置在墙脚处，均采用软式透水管（环向直径5cm，纵向直径10cm）并用锚钉加窄条PE板固定在初支上，拱墙、墙脚盲沟和墙脚泄水孔使用三通相接。

3.5.3 橡胶止水带

本项目采用“中埋式”橡胶止水带，设置在混凝土二衬施工缝处。按照二衬厚度和形式安装挡头板，挡头板模板采用钢模（钢模宽度=1/2 二衬厚度），挡头板钢模根据安装顺序进行编码。台车对位后，按照编码顺序依次安装钢模挡头板，止水带设置在挡头板中间，沿衬砌环向埋一半留一半，挡头板固定使用U形卡，排水管采用PE 条固定。止水带的固定见图3。变形缝按照设计图纸确定部位、宽度、结构形式，变形缝侧面应平整干燥，变形缝底部嵌入背衬材料，不得与嵌缝材料有粘结力，嵌缝必须密实。通过一系列的施工技术控制及计算，针对隧道穿越顺层偏压高瓦斯地段的施工，从超前地质预报到设置通风，从通风量计算到配置通风设备，从偏压超前加固到瓦斯监测，从开挖完成到全封复合式衬环环相扣顺利完成顺层偏压高瓦斯地段的穿越施工，实现了无坍塌、无瓦斯放出、无作业区域瓦斯超标的安全目标。

图3 止水带的固定图

4 结束语

“横洞、平导、通风竖井+全封复合式衬砌”方法作为通风及支护的施工方法在成贵铁路镇雄至毕节区间高坡隧道穿越顺层偏压高瓦斯地段中成功应用，实现了顺层偏压区域无坍塌灾害发生，高瓦斯地段无瓦斯放出灾害。完成支护开挖进行二次衬砌施工采用全封复合式衬砌有效预防了因地下水及施工缝引发的瓦斯放出灾害。科学的设计通风系统，精密计算通风量，合理高效配置通风设备实现了作业区域内无瓦斯超标的安全目标。在实际施工中一系列的组合设计为隧道穿越顺层偏压高瓦斯地段施工提供了有力的保证，安全、高效、节能、零事故、零灾害的顺利完成穿越施工创造了良好的社会效应，同时在施工中实现了工期可控、成本可控、质量可控为项目实现了可观的的经济收益，同时还为复杂地质与多种灾害共存时隧道施工项目提供了可借鉴的宝贵施工经验及施工控制技术。