钻爆法施工技术在低瓦斯隧道开挖工程中的应用

2023-01-08高勇

交通世界 2022年14期

高勇

（成都华川公路建设集团有限公司，四川成都 610000）

1 工程概况

某隧道工程总长1160m，为低瓦斯隧道，包含明挖段、暗挖段、明挖暗埋段3部分。该隧道工程施工遵循因地制宜的原则，根据现场实际条件选择合适的施工技术，其中暗挖段采用钻爆法，辅以喷锚构筑法和湿喷混凝土施工技术，集多种方法于一体保证隧道施工安全。

2 钻爆法施工技术优势

相较于传统的人工钻爆法，采用凿岩台车机械化钻爆施工定位精准、钻进速度快、耗能低，同时能够达到较高的机械化水平，减少超欠挖等不利情况的出现率。在实施凿岩台车进行机械化钻爆施工的过程中，操作人员可在固定的操作台上操作台车，精准开展钻孔作业，并且装药完毕后操作人员和台车均能快速退出洞外，距离掌子面距离较远，受到爆破施工的影响较小。

2.1 钻爆机械设备

人工钻爆法施工采用的钻爆设备为手持风动凿岩机，虽然这种凿岩设备具有操作简单的优势，但凿岩速度较慢，精度不够，同时还会产生较大的噪声，不够环保。特别是在面对长隧道钻爆工程时，需要通过配置多台大功率空压为风钻提供压力，施工造价较高。相比而言，凿岩台车采用机械化液压凿岩系统，能够较好地适应大断面、长隧道和高类围岩的施工情况，钻进速度快，精度高，能够达到较高的机械化水平，预防超欠挖情况，同时采用电力进行控制，污染小，无明显粉尘，产生的噪声也相对较小，具有低耗能和环保性好的优势。川陕高速某隧道钻爆施工的试验数据表明，在相同硬度的花岗岩（硬度系数≥18）中，人工钻爆法对于ϕ42mm的炮孔，每10min钻爆进尺的深度为1.0m；凿岩台车机械化钻爆打ϕ50mm的炮孔，每1min钻爆进尺的深度可达2.0m,大大提升了施工效率。

2.2 钻爆施工质量

人工钻爆法施工主要通过施工人员手持风钻完成钻孔作业，以人工的方式操作钻杆很难控制钻杆的钻进角度与速度，无法确保钻孔质量，一旦出现操作不当极易影响后续钻爆施工的效果，导致超欠挖情况的出现。凿岩台车采用液压凿岩系统，电脑控制推进角度与速度，机械化水平较高，钻臂反应灵敏，能够实现精准定位，可提升钻孔效果，降低钻孔和开挖误差，将超欠挖误差控制在11～15cm范围内。

2.3 施工人员配备

人工钻爆法需要配备大量施工人员，以保证钻孔、装药等工序的顺利开展，同时人工操作的工序较多，安全隐患较大。而凿岩台车施工机械化水平较高，钻孔和开挖作业主要由台车完成，只需要少量的操作人员操作台车和调整参数设置，操作人员只需要在台车上就能够完成操作作业，节省了劳动力。加上操作人员距离施工掌子面的距离较远，台车也设置了安全顶棚，大大降低了落石伤人事故率，同时台车施工产生的粉尘污染和噪声污染较少，施工人员佩戴防噪声耳塞和做好其他安全防护即可有效保证人身安全。

3 钻爆法施工准备工作

隧道施工期间的安全隐患较多，尤其是低瓦斯隧道施工时，开挖难度较大，容易由于方法不合理或控制不当而诱发安全事故[1]。超前加深钻孔前校核瓦斯检测设备，判断其运行情况，若有故障则及时处理。加强对作业面20m范围内及超前钻孔进行瓦斯浓度检测，要求瓦斯浓度≤1.5%；为提高安全防控水平，要适配防护救援设施；全面清理掌子面松散围岩；安排作业台车等设备就位，检查瓦斯抽排设备等各类装置是否可正常运行。

4 钻爆法的应用

钻爆法施工工艺流程为：施工准备→超前加深钻孔→瓦斯检测→测设开挖轮廓及炮孔位置→钻炮孔、清理、质量检查→瓦斯检测→装药、连线、检查→瓦斯检测→起爆、通风、清断面→瓦斯检测→出碴。需注意的是，每一次瓦斯检测时必须保证其浓度未超限，否则必须采取处理措施使浓度降至安全范围内，方可继续施工。

4.1 超前加深钻孔

4.1.1 作业要求

钻头直径≥60mm，用ZDY-1250潜孔钻机以湿式钻孔的方法施钻。钻孔外插角3～5°，每个钻孔深度为80m，前后两循环超前钻孔搭接长度＞5m。上半断面钻孔数≥4个、下半断面钻孔数≥3个，对于下台阶分区钻进的情况（包含左、右两个部分），要求每边钻孔数至少为2个。

4.1.2 钻孔孔位布置

孔位布置在隧道轮廓线1m以内，孔位数量为底板两侧各1个、拱腰处左右各1个、拱顶中线1个，必要时从底板中线开始向两侧适量增加。

4.1.3 钻孔流程

钻探时密切关注现场是否有动力现象，例如，废液变化、气体喷孔，若有则及时处理，全程完整记录[2]。瓦斯压力超过0.6MPa时潜在安全隐患，需要加强通风；瓦斯压力超过1.0MPa时暂停钻孔施工，并根据实测浓度在周边施作适量的排放孔，在该处理方式下，若24h内的瓦斯压力仍无法降低至1.0MPa以内，则采取封闭措施，另行处理。实际钻进速度明显偏快且浆液变为黑色、夹杂一定量煤屑时，意味着已经钻进至煤层，此时需着重检测是否有气体喷孔、有毒气体涌出等问题。实测结果显示钻孔内瓦斯浓度超1.5%、瓦斯压力小于0.6MPa时要加强局部通风，同时增加瓦斯检测频率。着重关注作业空间20m内的现场环境。瓦斯浓度超过1.5%时不具备继续施工的条件，须立即暂停，要查明原因并采取针对性的处理措施。

4.2 钻炮孔

实测结果显示瓦斯浓度被控制在许可范围后，及时清理掌子面的松散岩体，根据设计要求测放孔位。对于工作面20m范围内，在瓦斯浓度得到有效控制的前提下采用湿式钻孔的作业方法。该方法的优势在于可在一定程度上溶解瓦斯气体，降低瓦斯浓度，同时有利于提高现场湿度，以免在爆破后出现明显的粉尘污染。

钻孔施工全过程中，密切观察废液变化及气体喷孔等情况，若有异常则进行处理，同时记录各项信息。根据不同的瓦斯浓度采取针对性的应对措施，如前文所述，瓦斯浓度超0.6MPa时要加强通风，超1.0MPa时暂停钻进，并在周边施作排放孔。当瓦斯浓度超过1.5%时，表明现场潜在大量的安全隐患，可能有瓦斯爆炸的可能，应立即停工，在有效的调度下安排施工人员撤离现场，并切断电源、加强通风，在此期间查明原因，采取有效的方法加以处理。钻孔后，炮孔内存在一定量的废渣，可用高压风吹出，使炮孔保持洁净；检测炮孔内瓦斯的实际情况，若实测结果显示释放压力为0.6～1MPa，瓦斯浓度超过1%，则需设置准确、醒目的标记，后续装药时结合实际情况处理。

4.3 装药

4.3.1 爆破材料及炸药用量

（1）爆破材料。专用电桥起爆，以保证爆破效果。根据钻孔及作业面20m以内的瓦斯情况选择相适应的爆破材料，若瓦斯浓度均在0.5%以内同时瓦斯压力≤6MPa，较为合适的是乳胶炸药、电雷管、毫秒导爆管雷管；瓦斯浓度为0.5%～1%时，低瓦斯隧道优先考虑煤矿许用炸药，同时安全等级至少达到二级，高瓦斯隧道的炸药安全等级则必须达到S级，且不允许使用秒或半秒级电雷管。在应用煤矿许用电雷管时，必须保证该装置的末段延期时间≤130ms。之所以考虑煤矿许用炸药，是因为其相比浆状炸药、水胶炸药等而言，爆炸时释放的爆热、爆压较小，爆温相对较低，在取得良好爆破效果的同时可减小对周边环境的影响，也能有效控制爆炸时排放的有毒气体量，符合国家标准，有利于营造安全的隧道施工环境。

（2）炸药用量。在选择合适的炸药类型后，计算炸药爆破用量，根据结果选取适量的炸药。

4.3.2 注意事项

装药时用木质炮棍辅助操作，用串联法连接雷管。炸药要保持一致性，即同一工作面的炸药品种必须保持一致，且禁止同一串联网络中毫秒电雷管与瞬发电雷管共同使用的情况；在同一串联网络中，还需保证各电雷管“同厂、同批、同牌号”。在炸药的填塞过程中要加强防护，不可损伤起爆线路；装药后，用炮泥封堵，不允许用石块封堵，否则会影响炸药的正常爆破；对设置在起爆药包中的导爆管采取防护措施，禁止拔出或强行拉出。

4.4 起爆前的安全防护及正式起爆

装药结束后要加强对作业面及20m范围内瓦斯浓度的检查，超过1%时不允许爆破。正式爆破前，放炮员将警戒牌交给爆破指挥员，由其在现场加强管控，采取有效的警戒措施；在经过警戒操作后将放炮命令牌交给瓦斯检查员，经检测合格后将放炮命令牌交给放炮员，由其发出爆破口哨，开始爆破，即整个过程实施的是“三人连锁爆破制”。

4.5 通风

（1）起爆前，仔细检查送风机和抽风机电路，确保无异常状况；日常施工中定期检查风带，若有受损则修补，有扭曲则理顺，以便在爆破后稀释瓦斯，减少安全隐患。

（2）从隧道施工情况出发制定具有可行性的通风管理制度，规范日常工作；组建专业的管理班组，做好通风机的日常维护工作，同时完整记录信息，形成养护记录；注重对备用风机的检维修，以备不时之需，例如，主风机出现故障后及时启用备用风机，经过维修后，待主风机恢复正常时再撤下备用风机，使施工全程现场均保持良好的通风条件。爆破前，将风带撤离至距掌子面至少20m的后方区域，以免因爆破作业而损伤风带；待爆破作业结束后，将风带接至距离掌子面5m左右的位置。

（3）建立通风监控检测系统，将隧道施工安全管理落到实处。在隧道施工过程中，应保持隧道通风并加强隧道环境检测，掌握隧道的气象参数、瓦斯浓度、风速等一些参数，确保隧道内任一位置的瓦斯浓度≤0.3%，评估隧道施工环境的安全性。无异常情况不得停风，如遭遇检修或停电等特殊情况，应及时中止隧道施工，并要求施工人员快速撤出隧道，以保证施工人员的安全。此外，通风管道应选择抗静电、阻燃性能良好的风管，并对风管进行漏风率检测，确保风管百米漏风率≤1%。

（4）针对一些容易积聚瓦斯的特殊部位，如坍腔、防水板背后、模板台车处、断面变化处，应根据不同部位和具体情况灵活选择消除瓦斯的方法。在处理完特殊情况恢复通风前，工作人员应检测瓦斯浓度，确定停风区的瓦斯浓度≤1%、压入式局部通风机及其开关地点附近10m以内风流中瓦斯浓度≤0.5%后即可判断工作的安全系数，开启局部通风机，恢复通风。反之，若发现停风区的瓦斯浓度＞1%，则先采取排除瓦斯的安全措施，并撤离回风系统中的工作人员，保证施工人员的人身安全。

4.6 瓦斯检测

定期校正瓦斯检测仪器，保证此装置可正常运行，以便获得准确的瓦斯检测数据[3]。瓦斯检测时，着重考虑各炮孔作业面20m以内的空气，尤为关键的是各类聚积瓦斯的死角以及通风不良等区域。每班进洞前全方位检查各通风死角，识别瓦斯浓度＞0.3%的施工区段，加大检测力度（出于安全考虑，每15min检测一次）；若瓦斯浓度在1.5%以上则每5min检测一次。考虑到检测结果的准确性要求，宜在隧道风流的上部检测，掌握具体的瓦斯浓度，利用相关数据指导工作开展。

4.7 瓦斯控制措施

瓦斯超限时检查现场是否存在瓦斯泄漏点，若有则加强通风即可，直至现场的瓦斯情况得到控制为止。炮孔瓦斯浓度超1.0%、释放压力在1MPa以内时禁止装药，用水袋和炮泥封堵。经过爆破施工后检查是否有泄漏情况。若炮孔瓦斯浓度超过1.0%但不存在释放压力的现象，可以向炮孔内吹入高压风，吹散孔内瓦斯，经处理后再将预先准备好的矿用许可炸药和毫秒雷管装在炮孔内，及时用炮泥封堵，然后引爆。对于钻孔内瓦斯浓度超2%、释放压力超1MPa的情况，不允许对该断面的各炮孔进行装药，此时应由专员加强瓦斯观测，待24h后若无减弱情况，及时抽排瓦斯，具体可以利用专用瓦斯抽排设备完成，也可以在周边打设辅助眼，加速瓦斯释放。总之，控制瓦斯的方法较多，具体应根据实际情况进行合理应用。