开敞式TBM输水隧道瓦斯处理研究

吕昀龙

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆EH长距离调水工程是一项高埋深长距离输水工程，其中KS 隧洞总长283.3 km，为无压输水隧洞，平均埋深428 m，最大埋深774 m，纵坡1/2583。KS 隧洞地质条件较复杂，穿越多个大断裂带，隧洞主要采用开敞式TBM（全断面硬岩掘进机）、矿山法等多种掘进方式相结合施工。TBM11施工段长度为18.2 km，钻爆段施工2.57 km，TBM施工15.63 km。

TBM掘进至KS265+279桩号时，掌子面出现垮塌，出露岩性以炭质砂岩为主，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，岩壁受炭质砂岩夹层和裂隙发育影响，未见地下水出露，岩石完整性及稳定性差。同时设备瓦斯检测仪瞬时报警，实测瓦斯浓度5.7%VOL，施工作业人员停止施工，停电并撤离施工现场。

根据现场配置轴流风机通风量2784 m3/min 及现场实测风流中的瓦斯浓度0.42%VOL估算绝对瓦斯涌出量约11 m3/min，判定为高瓦斯煤系地层，且不排除煤与瓦斯突出风险。会议一致认为在洞内瓦斯高浓度情况下必须成立领导管理小组，停止作业、维持通风，撤人、停电、排放、停止内燃机车运行，加强通风及气体监测，做好洞口值班管理。

根据现场情况，参建各方现场查验确认，制定遵循隧洞瓦斯“以通风为主、钻孔排放为辅”的处理原则，使最终隧洞瓦斯浓度满足现场施工要求，同时尽可能减小瓦斯处理对TBM正常掘进的影响。

2 水文地质条件

（1）TST 超前地质预报。KS265+280～KS265+180 段落：在反射图像上，出现明显的正负反射，推断该段落围岩破碎，节理、裂隙发育，易发生掉块、塌腔。特别是KS265+280～KS265+230反射密集，推断有断层或岩性交接带发育。

（2）隧洞目前出露岩性以炭质页岩为主，局部夹凝灰质砂岩，炭质页岩呈灰黑～黑色，薄片状层理，属软质岩，强度低，遇水易软化；凝灰质砂岩多呈青灰色，块状构造，属中硬岩。岩层产状：274°SW∠67°，岩层走向与洞轴线近垂直，洞内主要发育顺层结构面，节理多成组发育，面平直、闭合无充填，层间结合力差，受裂隙切割影响，炭质页岩洞段顶拱围岩易出现塌落、掉块现象。洞室未见地下水出露，在掌子面桩号265+279处有甲烷气体溢出，根据前期勘察成果及本次地表探槽开挖成果分析，认为甲烷气体主要集中在炭质页岩夹层内，为岩性变化遮挡圈闭，炭质页岩多呈透镜体状出露，甲烷气体周围由致密层限定，圈闭高度和圈闭面积有限。

3 现场处理方案

3.1 瓦斯监控监测

3.1.1 人工监测

人工检测应配备专职瓦检员，专职瓦检员必须携带便携式光学甲烷检测仪，当地层富含H2S、CO、N2等有害气体时，尚应配备相应的气体测定器。

人工检测的巡逻地点应包含TBM出护盾处、机身易形成回风区域附近20 m范围、作业台车和作业机械附近20 m 内的风流中、局扇及电气开关20 m内的风流中、电动机及开关附近20 m 内的风流中、瓦斯易发生积聚处及瓦斯异常涌出点、隧道内可能产生火源的地点及其它通风盲区及通风薄弱点。人工瓦斯检测应在每个班组施工前及施工中至少检查一次，检查频次不少于2次。

3.1.2 瓦斯自动监控系统

根据相关要求在隧洞内安设一套瓦斯监控系统（包括风电闭锁、瓦斯电闭锁），实现对隧洞内瓦斯的实时监控。瓦斯自动监测报警系统应具备故障闭锁、瓦电闭锁和风电闭锁功能，断电状态、馈电状态监测和报警功能，实时监测瓦斯浓度、上传监控数据的功能；供电电源应取自被控开关的电源侧或者专用电源，严禁接在被控开关的负荷侧。

为监控风机或其他电器设备运转情况，监控系统应配备风机或其他电器设备运转开停监控系统。同时安装断电控制器，监测隧道中馈电开关或电磁启动器负荷侧有无电压，并经过分站与上位机通讯，通过软件设置与瓦斯传感器及开停传感器关联，实现闭锁功能。

3.2 超前地质兼瓦斯抽排钻孔

（1）瓦斯探测孔钻孔。根据瓦斯压力测定情况结合现场实际开挖揭露地质条件进行瓦斯排放孔钻孔施工，钻孔直径选择Φ75 mm 或Φ94 mm，钻孔的开孔位置应选在岩石（煤壁）较完整的地点，钻孔设计为四周钻孔，环向孔距1.0 m，孔深为穿过煤层10～15 m，超前探孔向外倾角控制在5°～15°，按照倾角计算，每个孔深60～80 m（具体孔深根据现场实际施工条件确定）。由于受现场TBM设备及钢支撑、钢筋排及锚杆等的影响，具体孔深、孔距、倾角等根据现场实际情况进行调整。

（2）扩孔、套管安装。扩孔直径Φ108 mm，如孔围岩条件不好，孔口破碎，或者孔内塌孔，需要套管跟进，在该段范围内设置套管，套管使用Φ89 mm，厚6 mm的特制无缝钢管，防止塌孔，确保瓦斯钻孔排放效果。

（3）排放孔灌浆。瓦斯排放后为了防止围岩在掘进过程中出现塌方，利用部分已施做瓦斯探测孔进行孔内注浆岩石固结，注浆浆液采用水灰比为2∶1～1∶1水泥浆或M25砂浆，并随时关注刀盘及护盾周边浆液渗出情况。

3.3 隧洞一次支护加强

3.3.1 钢支撑

采用HW150 全环型钢支撑，榀距45～180 cm，将联系钢筋调整为联系型钢，联系型钢采用HW125型钢，环向间距为1 m，连接形式为装配式，使用M20×80（8.8 级）高强螺栓进行连接，纵向连接型钢单根长度及环向间距可根据现场实际情况调整。

3.3.2 锚杆

（1）系统砂浆锚杆。该段岩性主要为碳质页岩（煤矸石），极度破碎，呈碎块状、粉末状，系统锚杆无法施做，将系统砂浆锚杆调整为随机。

（2）锁脚（锁定）锚杆。每榀钢支撑锁脚（锁定）锚杆不少于3处，每处均调整为双根锁定，C22砂浆锚杆，长3.0 m，入岩深度不小于2.8 m，外露20 cm，通过1 cm厚钢板（Q235B），单板规格为长40 cm、宽12 cm，由于洞内严禁电焊钢拱架锁脚（锁定）锚杆无法按原设计与拱架焊接施工，锚杆穿过位置开孔，采用M20（8.8级）高强螺母及异性垫板连接紧固。

3.3.3 初喷混凝土

喷混凝土采用C30W10F50混凝土，V类围岩顶拱270°范围，厚度18 cm；IV 类围岩顶拱270°范围，厚度15 cm。

3.3.4 其他加固措施

瓦斯出突段岩性以炭质粉砂岩为主，多成粉状散粒结构，与水泥浆胶接性能差，TBM 施工过程极易出现塌腔，部分渣料通过刀盘与护盾间隙等进入刀箱及护盾内，造成刀盘内及护盾底部大量积渣，刀盘掘进前在确保刀箱瓦斯浓度安全的情况下，需人工进入刀箱内进行渣料清理，以便刀盘能恢复转动掘进。另根据瓦斯排放孔揭露刀盘前方岩体完成情况，应及时施超前管棚、化学灌浆等超前支护。

穿煤段围岩极度破碎，不能为撑靴提供稳定受力面，利用TBM设备应急喷混系统提前对撑靴部位塌方区域破碎围岩进行喷护，以确保撑靴安全顺利通过。

3.4 塌腔处理

对明显塌腔部位，如塌腔处理可能对护盾及刀盘造成胶结时，首先对护盾及刀盘进行护盾及刀盘周边超前加固中隔离处理，然后再进行塌腔处理。

（1）如塌腔内瓦斯突出较大，应首先对塌腔采用发泡型化灌材料进行封闭处理，封闭厚度根据现场施工条件确定，可布置在钢筋排上部。

（2）及时对塌腔部位进行喷护混凝土施工，喷护施工过程中对塌腔处埋设预埋直径Φ50 的灌浆管及排气管，及时进行回填灌浆处理。

（3）根据塌腔深度不同，回填处理可采用M25砂浆、C30 喷护混凝土或轻质混凝土，进行分层回填，每层回填厚度不大于1.0 m，将塌腔全部填满后，封堵所有回填灌浆管管口。

（4）针对护盾前方塌腔，在完成护盾及刀盘隔离化学灌浆和护盾口外露空腔体封闭后及时进行回填灌浆，具体回填造孔及孔位倾斜角根据现场实际情况确定，单次回填厚度控制在1.0 m 左右。一次回填施工完成待凝后，再在灌浆管上部继续造孔进行回填灌浆，如此往复，直至空腔体完全填满为止。

3.5 停（复）工标准

（1）瓦斯监测设备布设及洞内电气设备改造。人工及监控监测系统检测洞内任意处瓦斯浓度降低到小于0.3%时开始作业，任意处瓦斯浓度大于0.5%时停止作业、断电。

（2）瓦斯钻孔探测施工。钻孔工作面10 m 以内瓦斯浓度大于1%，及TBM 设备任意带电处瓦斯浓度大于0.5%时，停工、停电，加强通风。当洞内任意处瓦斯浓度降低到小于0.3%时（除钻探孔部位）复工。

（3）TBM 施工。TBM 刀箱及顶护盾下瓦斯浓度降低到0.5%以下，其它任意处瓦斯浓度小于0.3%时施工；TBM 设备任意带电处瓦斯浓度大于0.5%时，停工、断电。加强通风，当洞内任意处瓦斯浓度降低到0.3%以下时复工。

4 结语

本文结合新疆EH调水工程TBM11在高浓度瓦斯隧洞施工处理实例，以“探、排、引、堵”的综合施工处理手段，总结形成了一套适用于水利工程TBM施工隧洞的瓦斯处理方法，保障施工安全及掘进效率，该处理方法可为其他类似工程提供参考。