低瓦斯隧道施工中的瓦斯防治技术研究

张军

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

瓦斯隧道是一种常见的隧道类型，是指隧道施工中局部地段为煤系层，有瓦斯出露的可能。依据高速公路瓦斯隧道的分类标准，根据绝对瓦斯涌出量大小，全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min 的属于低瓦斯隧道[1]。低瓦斯隧道施工时，为了保证施工安全，必须保证良好的通风条件，对瓦斯情况进行动态监测，并且制定完善的防治技术和应急预案，最大程度地减少瓦斯对施工造成的影响。以下结合相关经验，针对低瓦斯隧道施工技术和瓦斯防治措施进行探讨。

1 工程概况

某低瓦斯隧道工程，为分离式短隧道，左幅起讫桩号为ZK95+105—ZK95+583，全长478m；右幅起讫桩号为ZK95+122—ZK95+585，全长463m。隧道区植被发育，主要为丛林。进口位于山体缓坡脊背部位，纵向坡度约23.7～27.8°；出口位于地形稍缓的坡面上，纵向坡度约6.9～10.6°。隧道区顶部为灌木林地，有低压用电线路经过。隧道K95+310 右侧200m 为村委，进口段路基为基本农田，距离隧道口约150m 有7 座坟墓；出口段为生态保护林地，延隧道区纵向、间隔约70m有一条混凝土组组通公路途经，距隧道进口约80～100m、隧道出口约10～40m，交通条件较方便。

根据工程地质资料显示，该地层岩性为石英砂、炭质泥岩及煤层，地层中含煤l～7 层，厚0.1～2m，设计含气量检测结果见表1。通过等温吸附a 值，判断该储层最大甲烷吸附能力为4.5m3/t，吸附能力较弱，属于低瓦斯含量煤储层。通过煤尘爆炸性试验结果判定，该储层煤尘没有爆炸性，属于不易自燃储层。

表1 设计含气量检测结果 单位：m3/t

2 低瓦斯隧道施工技术

2.1 施工顺序

隧道先进行临时工程施工，做好洞口规划，调查隧道区内的已有构造物及地质构造，施工准备期内完成弃碴场排水设施的施工。然后进行洞口段截水天沟排水设施及坡面防护施工，接着进行洞口套拱及超前大管棚施工，为进入暗洞做好准备工作。进入暗洞后的施工顺序是：超前地质预报→测量放样→超前支护→洞身开挖→初期支护→仰拱开挖及衬砌→防水施工→洞身二衬施工→回填注浆及其他附属工程。

2.2 超前预报

该工程超前预报采用综合预报法，以地质分析为主，以物探技术为辅，通过超前钻探和瓦斯检测进行验证。本工程中，主要采用超前钻探法、电磁波反射法、不良地质超前预报、煤层及瓦斯预报。

2.3 洞身开挖

洞身开挖过程中，做好超前支护和预加固，防止塌方引起瓦斯事故；开挖后及时喷锚，封闭围岩以减少瓦斯溢出；超挖部分回填密实，喷射混凝土要满足设计要求和施工规范。本工程根据地勘资料和设计图纸，整座隧道围岩等级均为Ⅴ级，洞身为可塑状粉质黏土、强中微风化灰岩、石英砂岩，节理发育、岩体破碎，基本无自稳能力，不支护受震动易产生松动变形、挤压破坏和坍塌，甚至冒顶。对此，Ⅴa、Ⅴb 段采用双侧壁导坑法开挖，先对两侧导坑超前掘进，进行初期支护；当双侧导坑封闭稳定后，再环形开挖拱部，最后开挖中部，并封闭衬砌。Ⅴc 段采用CD 法开挖，将隧道分为左右两大部分，先在隧道一侧采用台阶法自上而下分层开挖，及时初期支护、喷射混凝土；当混凝土强度达到设计值70%以上，再分层开挖另一侧，支护形式与先开挖一侧相同。

2.4 初期支护

初期支护施工重点内容有：

（1）喷射混凝土，工艺流程为：方案报批→施工准备→制备混凝土→运输混凝土→混喷机初喷→复喷→质量检查。喷射作业技术要点有：①隧道开挖后及时喷射混凝土，防止岩体松弛；②分片、分段喷射，按照从下到上的顺序，纵向长度不大于6m；③初喷厚度40～60cm，复喷厚度拱顶处不大于100mm，边墙处不大于150mm[2]。

（2）锚杆使用中空注浆锚杆，工艺流程为：施工准备→锚杆钻孔定位→钻进就位→钻孔→清孔→安装锚杆→安装止浆塞→锚杆检测→注浆并检查→安装垫板螺母。技术要点有：①施工时保持锚杆中空通畅，留有专门的排气孔；②注浆压力维持在0.5MPa 左右，当排气口出浆可停止注浆；③钻进过程中，控制好钻进参数，合理掌握钻进速度，防止埋钻、卡钻、坍孔等通病出现。施工质量标准见表2。

表2 锚杆支护施工质量标准

2.5 仰拱与铺底

仰拱与铺底施工时，技术要点如下：

（1）开挖

采用机械+人工开挖模式，隧道底两隅与侧墙连接处平顺开挖；仰拱处若有膨胀性围岩，打入锚杆或加固后再开挖；洞口或洞内断层破碎带仰拱跳格开挖，控制一次开挖范围，保证施工安全。

（2）初期支护

开挖后及时初期支护，混凝土强度、厚度、钢架安装等均要符合设计规范要求；仰拱钢支撑、边墙拱架牛腿要保证焊接质量。

（3）二衬钢筋

预埋钢筋接头错开，同一截面的钢筋接头数不大于50%；绑扎时控制好层距和间距；弯曲弧度与隧道断面设计弧度相符。

（4）混凝土施工

仰拱填充采用片石混凝土时，片石距模板大于50mm，片石间距大于粗集料最大粒径，分层摆放、捣固密实；当仰拱混凝土强度达到设计值的70%才能进行片石混凝土施工；强度达到100%后方可允许车辆通行[3]。

2.6 防水排水

在隧道内设置临时排水沟，能及时排出渗漏水和施工废水，定期清理保证水路畅通。排水沟要远离边墙，和边墙基脚距离不小于1.5m（见图1）。施工过程中，为了防止涌水，采取措施如下：在开挖面超前钻孔，及时发现暗河、水囊、高压涌水；获取地质水文资料进行分析，判断地下水流方向后再确定钻孔的位置、数量和钻孔深度。非施工人员撤离现场，合理配置抽水设备；预先埋管设阀以控制排水量，防止承压水冲击；水平钻孔时，如果未见出水，进一步进行地质水文勘测，对地下水情况再次判断。

图1 隧道内供电、通风、排水布置示意图

2.7 二次衬砌

根据监控测量结果，确定可进行二次衬砌时，工艺流程为：布设轨道→台车就位→顶模升起→侧模张开→净空检测→调整模板→浇筑混凝土→拆模→养护。技术要点如下：①采用全断面模板台车进行泵送作业，并对初期支护断面进行激光测量，及时处理不符合要求的部位。②已完成衬砌地段，观察二衬稳定性，注意变形、开裂、侵入净空等现象，并及时记录。③二次衬砌和工作面的距离不大于50m，拱顶部位预留注浆孔，衬砌完成后压浆回填，从而封闭瓦斯。④二次衬砌的施工缝、变形缝，要按设计要求做好防瓦斯渗透处理。

3 瓦斯段隧道瓦斯防治技术措施

3.1 预防煤与瓦斯突出

开挖工作面时，进行超前钻孔探测、突出危险性预测，并采取防突措施，检验防突效果。当工作面出现煤与瓦斯突出的预兆时，及时报警、停止工作，撤出人员，切断电源，上报有关部门积极应对。预测时，采用“四位一体”步骤，要清楚掌握煤层赋存情况，评估煤与瓦斯突出的危险性大小，根据瓦斯浓度限制采取对应的处理措施（见表3）。

表3 隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施

如果预测出该煤层具有煤与瓦斯突出的危险性，先采取防止煤与瓦斯突出的措施，常见的处理方式有：打排放孔泄压、深孔松动爆破、瓦斯抽放、水力冲孔、大直径钻孔（Φ30cm）排放等。

3.2 震动放炮，揭煤、过煤

预测为突出煤层，采取防突措施证明已经取得效果后，为了保证施工人员的人身安全，要采用震动放炮的方式揭煤、过煤。

（1）0.3m 以上的煤层第一次揭开时，要按震动放炮的方式穿过。突出煤层震动放炮的工艺流程为：组织→打眼→雷管母线检测→装药→联线→撤人警戒→放炮→通风并检查爆破效果→恢复施工。

（2）因煤层较厚或煤层倾角较缓，震动放炮一次无法揭穿全部煤层，应继续开挖放炮，重复以上安全措施执行，直至进入煤层顶板（或底板）真厚2m为止。

（3）通过其他煤层时，煤层在30～100cm之间的较薄煤层，如果不在断层或地质构造带附近，且煤质不是十分松软，可不进行突出性预测和采取防突性措施。预计真厚10m 以外，仍要打液压钻探明煤层赋存情况，采取长探短掘的前进方式，揭煤、过煤时所有人员仍要撤至洞外放炮。

3.3 施工通风技术

通风能避免瓦斯积聚，降低瓦斯浓度，从而预防瓦斯事故发生[4]。在瓦斯区段施工时，必须采取连续通风方案。通风技术要点如下：

（1）设计风量

在洞口采用管道压入式通风，主扇选择大功率轴流式通风机，风管选择帆布材质软管，同时配置管理人员。根据相关标准，依据掘进工作面最大瓦斯涌出量、瓦斯隧道最低风速、掘进工作面一次爆破的最大炸药量计算工作面需风量，最终计算结果是3 075m3/min。

（2）风机选型

先计算通风机的工作参数，主要是工作风量Q和全风压Ht。本工程选取隧道专用轴流风机，每单幅隧道使用2台，因隧道进出口端双向掘进，共计使用轴流风机4台。

（3）通风检测

隧道施工期间，建立通风检测组织，由通风组技术人员测定风速、风量等参数，对通风设备、人员加强日常管理，形成真实完整的现场记录，并建立台账。

3.4 瓦斯监控检测

瓦斯监控贯穿在隧道施工全过程，以开挖工作面附近为例，瓦斯浓度测定要点如下：

（1）在瓦斯区段风流范围内测量瓦斯浓度，对风流范围的划分依据是：①模板台车处，距离支架、巷底各50mm 的断面空间；②无支架、锚喷支护或已衬砌段，距离拱顶、侧壁、底板各200mm的断面空间[5]。

（2）布置瓦斯监测断面时，可以参考图2；确定监测点时，可以参考图3，重点是隧道风流上部（即拱顶部位）。

图2 瓦斯监测断面布置图

图3 瓦斯监测断面测点示意图

（3）每个测点连续测定3 次，取最大值为最终检测结果。测风断面应同时测定瓦斯浓度。比较开挖工作面附近的瓦斯浓度值、稳定回风流中的瓦斯浓度值，取较大者为该断面处的瓦斯浓度。

（4）瓦斯监测时，以CH4监测为主，与H2S、CO、CO2有毒有害气体的监测相结合。每日监测后，及时填写监测记录，以便进行数据对比分析和全程追踪。

根据隧道施工进度，在开挖掌子面、二衬台车以及回风流中，安装甲烷传感器。检测参数和预警值见表4。

表4 CH4浓度预警范围表

4 结语

综上所述，低瓦斯隧道施工时，因瓦斯渗漏、涌出可能造成安全事故，施工时必须采取有效的防治措施。本文结合实际工程案例，介绍了低瓦斯隧道施工技术要点，对各方面施工中的瓦斯防治技术进行阐述。分析结果表明，施工中没有出现瓦斯事故，确保了施工质量和安全，实现了预期管理目标。希望能够为同类工程施工管理提供参考。