TBM引水隧洞瓦斯处理方法研究与应用

2022-04-29李晓兵李久源

山东建筑大学学报 2022年2期

李晓兵李久源

(1.新疆额尔齐斯河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000；2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041)

0 引言

我国水资源空间分布不均衡严重制约着部分地区的经济发展，跨区域调水工程是解决水资源分布不均的最有效方法之一，近年来我国引水隧洞数量持续增加，引水隧洞具有埋深大、距离长、地质环境相对复杂等工程特点，已成为隧洞建设面临的主要技术难题[1-2]。隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)因其掘进速度快、环境适应能力强、掘进安全、利于环保等技术优势，已广泛应用于吉林引松工程、引黄入晋工程、引大济湟工程等重大引水隧洞工程中[3-6]。

富水地层、软弱地层及瓦斯等问题是导致TBM施工灾害事故的主要原因，这些灾害事故经常会使机器磨损严重、卡机而影响施工进度，甚至机毁人亡，造成巨大的人员伤亡和经济损失，社会影响极为严重[7-8]。尤其是隧洞瓦斯易发生爆炸、燃烧等，发生事故时造成的伤亡和经济损失更大[9]。

煤矿巷道、铁路及公路隧道瓦斯处理施工技术已日益成熟，并形成了瓦斯隧道施工规范规程[10-11]。但在水利工程设计时应考虑隧洞线路要尽量避开煤层，因此在敞开式TBM设计制作采购时均按照非防爆设备考虑，相关配套设备设施等均为非防爆设备，且无相关的施工规范要求。在TBM施工隧洞出现瓦斯问题时，由于受TBM设备本身特性的影响，以及TBM隧洞施工条件限制，煤矿、铁路及公路工程的成熟瓦斯施工技术无法直接应用。兰州市水源地建设TBM隧洞工程采用TBM自动监控系统和人工监控共同实现对瓦斯的监测，注意加强隧洞内通风。用风筒或管子将有害气体引至回风流中。在TBM掘进后，及时的对岩面进行管片支护和灌浆处理[12]。万家寨引黄工程在加强洞内通风的同时，通过TBM上安装的有害气体检测仪检验隧洞内有害气体浓度，当有害气体的浓度超标时，立刻关闭TBM机器并组织施工人员撤离现场。通风设备持续保持运行[13]。针对TBM引水隧洞瓦斯处理难题，文章依托北疆某引水隧洞工程开展处理方法的研究和应用，以为后续类似工程提供借鉴和参考。

1 TBM隧洞瓦斯处理方法

TBM瓦斯隧洞施工过程中，通风尤其重要[14]。高效的通风系统能够很大程度降低瓦斯浓度、减少瓦斯聚集、保障施工安全。应进一步完善现有通风供电系统，实现独立专用双电源，使隧洞中保持独立供电长期通风。在隧洞施工过程中，TBM中所有设备的运行环境对于瓦斯浓度的要求应当＜3%，眼下对于已施工洞段的瓦斯监测报警系统已经完成布置。此外，还布置了风电闭锁、瓦斯电闭锁等系统以保证设备正常运行。对隧洞内TBM设备工作面附近瓦斯溢出段以及TBM掘进掌子面前方范围的瓦斯实施钻孔排放。最后在保证瓦斯监测、风电闭锁、瓦斯电闭锁等系统工作正常，工作面任意位置处瓦斯浓度稳定在＜0.3%的环境中使用TBM装置完成含瓦斯段的掘进支护。

1.1 TBM隧洞通风系统

TBM隧洞宜采用压入式供风，将新鲜风供到TBM作业面，使污风从支洞排出。依据现场施工通风情况和瓦斯浓度检测报告结果，为了预防安装房间的顶部、错车道、旁支洞等位置瓦斯聚集，增加布置了射流风机、小功率风机等设备适时通风。针对TBM隧洞的真实环境，应充分结合TBM设备供风布置。为了保证掌子面的通风条件，在人口刀箱、TBM上方和下方工作面3个部位布置软风筒。此外，应带打开TBM护盾后方的皮带道上盖，可以形成回风瓦斯通路，进一步预防瓦斯积聚。另外，必要的预防循环风措施对隧洞安全通风具有重大的意义。

1.2 TBM隧洞瓦斯监测系统

TBM隧洞瓦斯监测系统应是自动瓦斯监控系统和人工采用便携式瓦斯监测仪器共同监测隧洞内瓦斯的浓度变化情况。两者监测的数值相互印证，可以避免误报现象[15]。瓦斯监控系统安装调试完成投入运行后，适时进行隧洞内瓦斯浓度监测，并在洞口监控室可以随时查询，给瓦斯治理工作提供了保障。同时，安装风电闭锁及瓦斯电闭锁后，根据适时监测的瓦斯浓度实现供风和供电与瓦斯浓度自动连锁。

1.3 TBM隧洞瓦斯排放

在TBM引水隧洞中，TBM前方的刀盘部位占据了整个掘进工作面正前方位置，TBM主机结构示意图如图1所示。

图1 TBM主机结构示意图

TBM隧洞掘进工作面空间狭小的特点增加了现场打钻的难度。因此，无法在施工掘进工作面正前方钻孔，根据现场实际开挖揭露的地质情况及地质单位提供的地质资料，结合根据现场打钻条件，具体分析确定瓦斯探测分区及布孔情况，超前探孔设计为四周钻孔。向外倾角应控制在5°～15°，由于受现场TBM设备及已支护钢支撑、钢筋排及锚杆等的影响，具体孔距、倾角等应根据现场实际情况进行调整[16]。

在TBM引水隧洞中，要充分了解隧洞内瓦斯压力情况，进行瓦斯压力的测定，可以排出瓦斯突出的风险，对于隧洞内瓦斯压力的测定开孔位置选在洞壁完整的位置。(1)钻孔长度应该保证测压所需要的封孔深度；(2)在施工时，要保证钻孔平直以及钻孔形状的完整性。穿层测压钻孔应进入隧洞顶(底)板1 m，在隧洞壁特厚的位置，测压钻孔的孔深应保持在1.5～3 m。在每次钻孔施工结束后，立即用清水或压风进行清孔，清除孔底沉淀物，以保证顺利的钻孔。(3)进行封孔工作，封孔深度根据隧洞底板的岩性决定。采用硅酸盐水泥、砂子、膨胀水泥等封孔材料，将水泥按一定比例倒入搅拌筒，充分搅拌至呈粘稠状为止。由注浆泵将搅拌好的水泥砂浆泵入孔内，待测压管见浆液返出立即停泵(该项工作必须指定专人负责)。瓦斯压力测定及封孔工艺示意图如图2所示。按图2所示的方式封孔测压。

图2 瓦斯压力测定及封孔工艺示意图

钻孔封孔24 h后，水泥浆将固化达到一定强度，在测压管端头安装球阀和压力表，严格检查并确保测压管与球阀、球阀开关、球阀与压力表接头等位置处和不漏气。准确记录读数值，隧洞瓦斯压力和透气性大小决定了观测时间的长短，观测时间一般为20～30 d，如果3 d内瓦斯压力变化＜0.015 MPa，即可结束测压工作。否则，应该继续进行测压。测得的最大压力即被认为是瓦斯压力。

充分了解隧洞内瓦斯压力情况后，开始进行探测钻孔。钻孔施工应保证钻孔平直、孔形完整。还应该充分考虑钻孔的环向孔距、钻孔方位、孔深等因素。选择合适的钻机开始进行钻孔工作，待钻孔完成后，退出钻杆、钻头更换为大直径钻头进行扩孔，扩孔深度5～8 m。扩孔完成后再次退出钻杆、钻头，为防止孔口塌孔和减少后期搬钻、稳钻等工作量，将5～8 m孔口管连接牢固后使用钻机推送至扩孔段最前端，如果孔围岩条件不好，孔口破碎，或者孔内塌孔，需要套管跟进，在该段范围内设套管，防止塌孔。之后退出所有钻杆，更换小直径钻头透孔，确保瓦斯钻孔排放效果。

2 工程应用

2.1 工程概况

北疆某引水隧洞工程某标段，隧洞总长度为17.2 km，设置有1座竖井和1个支洞，该隧洞施工采用了TBM法和钻爆法两种工法。TBM法是主要施工方法，以竖井为界划分为TBM11-1(5.255 km)和TBM11-2(10.377 km)两个开挖段，掘进总长达15.632 km。采用1台开挖直径为7 m的敞开式TBM进行施工，设备总长为215 m。

在进行TBM11-1段掘进施工，TBM掘进施工至KS265+279桩号时，掌子面出现垮塌，1＃皮带受垮塌影响压停无法正常运转，TBM设备配置的瓦斯监测仪瞬时报警，显示瓦斯浓度高达114%LEL(体积比5.7%)，已达到瓦斯爆炸的浓度界限(5%～16%)，立即停止施工作业，组织人员撤离并断电。

2.2 地质条件

该段出露岩性以碳质砂岩(其分布如图3所示)为主，夹炭质页岩，裂隙多发育，部分裂面光滑，发育约1 mm黑亮的钙质、硅质薄膜，层间结合力差，岩壁受碳质砂岩夹层和裂隙发育影响，掘进后受推力挤压，未出露护盾部位发生局部塌腔，塌腔深度约80 cm，未见地下水出露，岩石完整性及稳定性差，有甲烷气体溢出，根据设备甲烷检测仪器显示瞬时报警值达到114%LEL(按照体积换算为5.7%VOL，规范要求≤1%)，该段围岩整体为IV类围岩。

图3 碳质页岩分布情况图

2.3 施工通风

结合工程现场的实际情况，对隧洞进行了通风系统的布置。采用压入式供风，在支洞口设置一套2×132 kW风机用于TBM11-1段供风，该风机最大供风量为46.4 m3/s、最大风压为4 250 Pa；局部增设SLFJ100-2T防爆射流风机，通过计算风速可达到0.8 m/s，风压、供风量等均满足规范要求。通过直径为2.2 m的抗静电、阻燃的风筒将将新鲜风压入TBM后配套11＃台车尾部，通过配置2×45 kW接力风机将新鲜风供到TBM作业面，污风从支洞排出。施工通风布置示意图如图4所示。

图4 施工通风布置示意图

这种施工通风布置容易在接力风机部位形成循环风，对此需采取相应的预防措施。保持接力风机与压入式供风风筒出风口的距离约为50 cm，采用风筒将压入式供风出风口与接力风机进风口进行封闭连接。根据压入式供风出风口及接力风机进风口的尺寸，提前加工了连接风筒，并确保其透气性完好。将加工好的风筒运输至TBM后配套11＃台车尾部，将风筒对应压入式供风出风口及接力风机进风口进行安装、固定，以保证压入式供风与接力风机进风口相连接，防止接力风机吸入污风，并将污风再次供至工作面。以上措施可以有效的避免循环风的形成。

另外，为了保证通风稳定可靠，风筒吊挂平直、困扎牢固不漏风。使风筒距离TBM护盾最近的出风口在操作室处(距离TBM护盾尾部约为20 m)，采用直径为1.2 m的软风筒将风筒口接引至以下3处:进人口刀箱内、TBM上部工作面、TBM下部工作面，同时保持TBM护盾后部的皮带道上盖口敞开，形成回风瓦斯通路，防止瓦斯积聚。

2.4 瓦斯监控监测

工程施工隧洞的瓦斯监测主要对象为CH4气体，隧洞内CH4气体的浓度变化情况通过自动瓦斯监控系统及人工使用便携式瓦斯监测仪器共同监测，将两者监测的数值相印证，避免误报现象。

隧洞的自动监控系统采用KJ999X煤矿安全监控系统，地面设备包括主备服务器、地面核心交换机、电源避雷器、打印机、不间断电源、KJ999X系统主软件。洞内设备主要包括防爆交换机、网关、分站、电源箱、传输线路及各种类型传感器等。瓦斯监控系统由洞口值班监控人员24 h不间断监控，电工班组或系统服务厂家技术员负责监控系统的维护保养工作，定期检查对监控线路、主机、分站、传感器等元件进行定期检查并确保其完好性。

另外，配置3名专职瓦检员，进行轮流值班，保证24 h人工瓦斯检测，与自动监控系统相互印证。工作人员在本隧洞中采用干涉式甲烷测定器，并通过5点监测法对CH4气体进行监测。取隧洞的顶部、腰部两侧、底部两侧距巷道周边200 mm处5个位置中最大浓度为该处瓦斯浓度。重点对掌子面前0.5～1 m处的断面中进行检测，对距回风口往掌子面15 m断面中进行回风检测，对压入式风机入口处进行进风检测。对于洞室、总回风、进风、回风、掌子面等位置每2 h检测一次，掌子面出渣时每1 h检测一次。另外，本隧洞还安装了风电闭锁及瓦斯电闭锁设备，根据适时监测的瓦斯浓度实现了供风和供电与瓦斯浓度自动连锁。

2.5 瓦斯钻孔排放

根据工程现场实际开挖揭露地质情况及地质单位提供地质资料，结合现场只能向四周钻孔的实际钻孔条件，具体瓦斯探测分区及布孔情况如下:

该隧洞瓦斯探测孔分为3个区，1＃及2＃区为探明已揭露段煤层及瓦斯含量情况，3＃区为探明目前掌子面前方20 m煤层及瓦斯含量情况。具体分区情况如图5所示。

图5 探测分区布置示意图

每个区实施超前探测布孔，选用ZLJ-700钻机和ZDY1600钻机进行超前钻孔，钻孔直径为Φ89 mm，钻孔深度满足了穿过煤层10～15 m的要求。钻孔的开孔位置选在了岩石(煤壁)完整的地点，并按照环向间距1.0 m进行控制，由于受现场TBM设备及已支护钢支撑、钢筋排及锚杆等的影响，具体孔距、倾角等根据现场实际情况进行了调整。具体瓦斯探测布孔如图6、7所示。

图6 探测孔平面布置示意图

现场实施测压孔4个，其中2个孔压力为0 MPa、1个孔压力为0.002 MPa、1个孔压力为0.175 MPa、压力最大为0.175 MPa；通过瓦斯压力测定，排出瓦斯突出的风险。根据确定的瓦斯钻孔排放方案，通过超前钻孔，释放岩层中瓦斯，并通风将瓦斯稀释排放至洞外，减少了掌子面前方岩层中瓦斯的含量，为TBM恢复正常掘进创造条件。

图7 探测孔布置立面示意图

2.6 TBM掘进和支护施工

在瓦斯钻孔排放完成后，瓦斯监控系统监测隧洞内瓦斯浓度均＜0.3%，开始恢复TBM掘进施工，在掘进过程中瓦斯浓度正常。TBM掘进施工遵循的原则为“短进尺、勤换步、早封闭、强支护、初期支护务必一次到位”。在掘进期间，及时调整TBM开挖掘进时的参数，并根据开挖掘进情况适时采取措施，如有针对性的进行调向、对岩性较软弱的岩体进行注浆，防止TBM在软弱不均地层中开挖掘进方向出现的偏差超限。对于承载力比较低的隧洞洞壁，可能不足以承担撑靴反力，因此可以使用联合支护方式(喷锚网+钢拱+灌注混凝土)对撑靴处进行加固处理后再进行掘进。

隧洞支护施工采取了“先注浆后安装锚杆”的工艺。有轨罐车将混凝土运输到指定位置后，然后采取湿式喷射方法由TBM自带的喷射系统进行本隧洞的注浆支护。。钢支撑采用HW150型钢，是由加工单位按照施工设计图纸在加工厂加工完成的。平板车在到达洞内安装洞后，采用桥机吊装到内燃机车物料运输车上，之后由有轨车运进隧洞内组装使用，采用桥机吊装到内燃机车物料运输车上，通过有轨运输运至工作面，最后采用TBM自带的钢架安装器进行安装。

按照原设计，采用“L”型锁脚(锁定)锚杆，但是考虑到“L”型锚杆的弯钩部分与钢支撑的需要借助电焊连接，由于瓦斯气体的存在，不能进行焊接作业，为了安全起见，采用装配式连接方法组装“L”型锚杆的弯钩部分和钢支撑。安装工序为(1)将厚度为1 cm的、预先留有腰孔“耳板”采用电焊方式连接到钢支撑上；(2)将钢支撑、“耳板”、锚杆用螺栓进行整体固定。具体如图8所示，原设计钢支撑之间采用C22的联系钢筋连接，联系钢筋需要焊接，在瓦斯段严禁动火作业，且根据施工方法瓦斯段按照软岩不良地质段掘进施工，采用HW125型钢按照装配式连接固定钢支撑[17]。

图8 锁脚(锁定)锚杆与钢支撑的连接示意图

对于围岩较松散、稳定性较差的洞段，采用联合支护方式，即用钢筋排与钢拱架预先固定，然后喷射混泥土，支护的范围拱顶＜200°。当施工的洞段存在瓦斯气体时，需要用扎丝对钢筋绑接，钢支撑在洞外加工完毕，其翼边等间距0.5 m的焊接C16短接钢筋(总长为10 cm、外露3～5 cm)。沿焊接的短钢筋采用A8的圆钢随分节钢支撑焊接成弧，在钢支撑安装到位后，采用扎丝将钢筋排与A8的圆钢固定，具体如图9、10所示。