长大铁路瓦斯隧道施工技术实践与研究

夏春雷

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润，064000）

1 工程概况

当时我国在建的最长高瓦斯铁路隧道——梅岭关隧道是新建兰（州）渝（重庆）铁路全线高风险重点控制性工程之一，跨越四川省广元市昭化区石井铺乡和梅树乡，是单洞双线隧道，总长度为8270.9 m。隧道进口和出口平导总长4902 m。

2 瓦斯地质环境

梅岭关隧道穿越区域地层岩性大多是泥质砂岩及一些砂岩，局部裂缝比较丰富，砂岩的裂缝中含大量瓦斯。隧道地质详细构造和油气田分布情况见图1。

图1 隧道地质详细构造和油气田分布情况

3 瓦斯等有害气体预防措施

3.1 瓦斯超前预报勘测技术

采用非煤系地层瓦斯超前地质预报技术，一般按照查阅并收集资料、勘测地质、在室内进行岩体实验、通过钻孔测定瓦斯渗出的浓度和速度等步骤，分析浅层瓦斯的源头、测算瓦斯涌出量（图2）[1-4]。

图2 非煤系地层瓦斯钻孔超前地质预报流程

3.1.1 瓦斯浓度检测

在梅岭关隧道施工现场通过SL-808A瓦斯检测仪开展检测。SL-808A瓦斯检测仪警报区间是5~100 ppm，通过泵吸的方式，将钻孔里的气体吸到仪器里进行检测。通过该仪器，能够在现场确定钻孔内是否有瓦斯外，并计算瓦斯浓度。

3.1.2 瓦斯外溢初速度测定

在基础条件尚未达成开展某类实验时，教师可利用大学或兄弟单位硬件资源，课前提前准备，将一些实验课程提前录制成微实验。在课堂教学中，微实验作为实验教学的补偿、理论教学的补充。

为精准检测非煤系围岩里瓦斯的综合状态，通过深孔进行检测，方法为：在非煤系地层进行超过10 m深度钻孔以后，深入到没有被扰动的含瓦斯围岩层中5 m深的距离，采用“RS-1型柔性深钻孔瓦斯外溢初速度检测设备”进行瓦斯外溢初速度的检测。[4-6]

3.1.3 分析地质岩芯

在隧道施工现场进行地质钻探登记的基础上，再特别着重分析如下情况：产生瓦斯地层、储存瓦斯层的石质构造、不同岩层的埋深等；裂缝或孔隙缝隙大小、形状等；对岩层揉皱情况、断层的宽度等地质构造。

3.1.4 钻孔取样分析研究围岩中瓦斯的含量

可以通过围岩的渗透率和孔隙度这两个非常重要的参数，分析围岩中的瓦斯特点以及瓦斯在地层中的分布情况。对于非煤系地层来说，围岩自身对瓦斯没有很强的吸附性。分析围岩裂隙或孔洞的分布规律，可以更好地研究围岩中瓦斯的含量。具体方法是：在现场进行岩芯取样，在每个钻孔当中把一组瓦斯的显示段以及储存段岩样取出后进行实验。[7]

3.1.5 工程实践

梅岭关隧道在DK608+210～DK608+560段进行施工时，瓦斯监控系统时常报警，并监测到隧道里瓦斯浓度在极短时间里迅速升高。采用I16工字钢加工成网格骨架并对隧道围岩喷射混凝土，在控制围岩的同时，全面封闭岩体。另外，采用直径为8.9 cm、间距为150 cm的排放钻孔，特别是对上导断面采取双层注浆管棚封堵技术，有效地阻止了瓦斯外溢，确保了施工安全。

3.2 通风系统在线监测和实时分析预警技术

瓦斯隧道通风系统是隧道施工安全生产系统的重要构成部分。现将通风系统在线监测和实时分析预警技术介绍如下：

3.2.1 通风方案

依照梅岭关隧道设计情况和高瓦斯地质现状，采用巷道式分区间通风方案，详情为：

（1）第一步通风方案

在距离隧道洞口前600 m区间，无论是正洞还是平导都选取压入式通风方式。为将新鲜空气压入隧道和平导，正洞口选取SDF-NO13型轴流式通风机将新鲜空气压入正洞隧道；平导进口通过SDF-NO11.2型轴流式通风机将新鲜空气压入平导隧道，平导出口通过隧道施工专用的SFC-6-NO18型隧道抽出式轴流通风机将瓦斯等有害有毒气体抽出。9#、10#横通道施工完毕以后，把风门安装在9#横通道两侧，选用VDT32（35）-2型隔爆轴流式通风机（局扇）在10#横通道里加强通风效果。以上方案可以最大限度地规避瓦斯等有害有毒气体在隧道和横通道内积聚。

（2）第二步通风方案

为避免瓦斯等有害有毒气体在9#横通道出现涡流现象，在9#横通道与正洞结合处增设一道风门。为防止瓦斯等有害有毒气体顺着平导回流，加速隧道内部空气流动，在10#横通道增设（B）SSF-N011.2/37防爆射流风机，让瓦斯等有害有毒气体通过正洞排出。

（3）第三步通风方案

当11#、12#、13#横通道相继进入正洞以后，正洞和平导风机依次向掌子面移动。为提高风流速度，增加（B）SSF-N011.2/37防爆射流风机设置在相距隧道口大约300 m的地方。此外，在正洞内部每相隔1 km的地方位置增加一台（B）SSFN011.2/37防爆射流风机，让瓦斯等有害有毒气体加速排出洞外。

（4）第四步通风方案

当14#横通道与正洞贯通以后，完成平导施工。然后在14#横通道设置SDF-NO13型轴流式通风机将新鲜空气压入正洞隧道；平导进口通过SDF-NO11.2型轴流式通风机将新鲜空气压入平导隧道，平导出口通过隧道施工专用的SFC-6-NO18型隧道抽出式轴流通风机将瓦斯等有害有毒气体抽出。

（5）第五步通风方案

当正洞隧道双向洞穿以后，在14#横通道、斜井和正洞交会处分别增加一台（B）SSF-N011.2/37防爆射流风机向正洞输入新鲜空气。

3.2.2 通风状态监控

KJ101N型瓦斯安全监控系统由瓦斯信息采集、瓦斯信息传输和瓦斯信息等构成。将监控信号电缆无死角布置在瓦斯隧道中，通过风速传感器和瓦斯传感器等对梅岭关隧道各个施工区域进行实时监测。当隧道掌子面瓦斯浓度超过限值或者通风机风力小于设定值或处于停机状态（一般规定瓦斯浓度不能大于1.0 ppm，隧道里的风速不能小于0.25 m/s）时，监控系统会立即把隧道异常情况信号传输到安全监控分站，立即发出预警信号，通过配套断电器断开控制隧道掌子面以及回风巷道内配套的电源设备，供电系统停止送电。当工况正常，警报解除，闭锁也随即解除，此时就能将供电恢复。安监系统瓦斯风电闭锁原理详见图3。

图3 监控系统闭锁原理

3.2.3 分析应用效果

通过KJ101型瓦斯安全监控系统动态监测分析软件[8]，与隧道里设置的空气流动监测传感器进行关联，构建瓦斯隧道施工通风在线监测和分析预警系统，能够顺利完成通风设备网络动态分析。构建好此系统并投入使用以后，技术施工安全管理人员能够实时掌握隧道里任何一个工作面的通风状况。在工程施工中，通过该系统多次及时发现瓦斯超标、风量不足等情况，并及时进行妥善处理，极大提升了瓦斯隧道通风的保障性和安全性。

3.3 安全距离爆破

爆破震动时会导致瓦斯异常涌出，极具危险性。为降低因预测误差导致的危险，采用远距离爆破方式，有利于安全施工。爆破的时候，在隧道外部设置起爆点，隧道内部和隧道口严禁火源，隧道里关闭电源，撤离人员。完成爆破以后，必须进行至少半小时的通风，并进行瓦斯浓度监测，确保安全后，才能进入隧道掌子面继续施工。[9]

3.4 快封闭短进尺施工

梅岭关隧道进行开挖爆破以后，隧道里的瓦斯浓度和体积会立即升高，不符合规定要求的稳定状态。依照围岩中瓦斯流动的趋势，瓦斯浓度与瓦斯外溢速度、工作面的进尺、通风状态等综合因素密切相关。岩层中瓦斯含量和浓度越高，进行爆破开挖进尺越大，那么瓦斯外溢量就越大。短进尺举措能够有效降低瓦斯的涌出量。[10]

4 结论

梅岭关高风险瓦斯隧道目前已顺利通车，对于该项目的安全施工实践，总结如下：为确保瓦斯隧道安全施工，必须按照“超前钻进行瓦斯孔探、实时对瓦斯进行监测、杜绝接触火源、强化通风降低瓦斯”综合防治瓦斯的原则，提前构建瓦斯应对综合施工闭合管理体系，借助瓦斯超前预报勘测技术对瓦斯隧道进行超前地质预报，掌握地层瓦斯含量和涌出情况，以此制定合理的通风方案，并实时监测通风效果，确保通风处于最佳状态，这是防止瓦斯事故发生最有效的防范手段。另外，在隧道开挖过程中，通过洒水、铺石灰等办法也能将瓦斯浓度降低；同时，采取洞外远距离爆破，隧道掘进采取短进尺、快封闭方法，同样也能有效地降低瓦斯等有毒有害气体的危害，有效预防瓦斯事故发生。