小断面水利隧洞高瓦斯段施工控制分析

王文军

(中铁十八局集团 第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

随着经济的发展和城市化进程的加快,水利工程建设在国家基础设施建设中发挥着越来越重要的作用。小断面水利隧洞作为一种常见的水利工程形式,在解决水资源短缺、防洪排涝等方面具有独特的优势。然而,小断面水利隧洞在施工过程中可能遇到高瓦斯等安全风险,因此如何确保施工过程的安全成为亟待解决的问题。高瓦斯隧道施工是指在地下或地面开挖隧道时遇到瓦斯等有害气体的情况。由于瓦斯具有易燃、易爆的特点,高瓦斯隧道施工面临着较大的安全风险[1]。为了保证施工过程的安全,研究人员提出了一系列施工安全控制措施,如瓦斯检测与预警、通风与供氧系统设计等。基于此,以都江堰灌区“十四五”续建配套与现代化改造井研白井干渠项目一标段水井湾隧洞小断面高瓦斯段为案例,分析该环节中的施工控制措施,以期提高水利隧洞工程施工的安全和质量水平。

1 工程概述

都江堰灌区“十四五”续建配套与现代化改造井研白井干渠项目一标段水井湾隧洞起点上接内家湾暗涵终点,终点至一标和二标分界点。起讫里程桩号TJ3+709—TJ12+600 ,全长8 891 m(其中:Ⅳ级围岩2 292 m,占25.8%;Ⅴ级围岩6 599 m,占74.2%)。最大埋深为245 m,隧洞坡比为1/1 730,在TJ9+500处线路大里程方向左侧设置2#支洞作为辅助施工坑道及后期运营维修通道。2#支洞长度为749 m(均为Ⅴ级围岩),从2#支洞向大小里程方向同时施工,小里程施工至桩号TJ6+400,大里程施工至桩号TJ12+600。隧洞设计断面形式为城门洞型,净断面尺寸洞宽2.5 m、高3.07 m,为小断面隧洞,施工难度大。水井湾隧洞平面布置如图1所示,隧洞净断面如图2所示。

图1 水井湾隧洞平面布置(单位:m)

图2 隧洞净断面图

根据工程地质监测,水井湾隧洞在TJ03+800—TJ09+400范围内,共计5 500 m长度为高瓦斯段落,施工中要加强监控检测,须对洞内电气设备进行防爆改造,各个工作面均应配备数量充足的瓦斯检测设备,并结合瓦斯浓度及压力等参数确定后续瓦斯隧洞衬砌施工措施。 TJ03+200—TJ09+400 段具有一定的储集能力,且较少受到通天断层影响。本区在 TJ03+800—TJ04+500段,隧道穿越蓬莱镇组砂岩地层,上覆泥质粉砂岩盖层,具备瓦斯聚集的储存、盖层与封闭性条件。

2 施工的重点与难点

在案例工程高瓦斯段施工中遇到的重点与难点问题主要表现在3个方面:1) 不同地段地质条件的复杂程度不同,无法采用统一的超前地质预报方法,如何结合地质复杂程度,采取有效的超前地质预报方法,准确、有效地掌握隧洞施工前方的地质条件是本工程施工的重点与难点。2) 瓦斯浓度是否超标,直接关系到隧洞内部施工人员的生命安全。因此,如何实现对隧洞内部瓦斯浓度的实时监测,并保证瓦斯浓度监测结果的准确性,也是本工程施工的重难点。3) 在高瓦斯段施工中,排风系统、排风方式、排风设备等的选择是否合理[2],是否能够有效降低隧洞内瓦斯浓度,也是小断面水利隧洞高瓦斯段施工的关键环节。

3 小断面水利隧洞高瓦斯段施工控制措施

3.1 超前地质预报

结合本工程地质勘察的结果,按照地质复杂程度的不同,可细分为简单、复杂、中等复杂、较复杂4个程度。具体的段落起讫里程、长度以及采用的超前地质预报方法见表1。

表1 地质复杂程度分级及超前地质预报方法

在进行瓦斯超前探测中须结合超前地质预报及以往经验选择合适的方法[3]。就案例隧洞而言,采用有害气体地质调查、掌子面地质素描、加深炮孔、红外探水、瓦斯监测、加长探孔相结合的方法最为适合。详细调查隧洞所在区域油井、气田钻进等勘探资料,以及浅层天然气、沼气的利用情况,并结合区域地质条件,分析确定施工区内是否存在有害气体贮存的地层岩性条件。本工程有害气体主要贮存分布在半坚硬岩(煤地层、煤层类、砂岩等)以及富含有机质的岩层(淤泥、腐土层等)中。本工程区域构造如图3所示。

本工程TJ05+995—TJ09+400段,总长度为3 405 m,属于地质中等复杂条件,需采用加长探孔探测法。掌子面共设1个加长探孔,布置在掌子面中心位置,其直径为89 mm,长度为30 m,搭接长度为2 m。探测有瓦斯隧洞段时,须详细记录有害气体涌出的位置,具体的加长探孔布置如图4所示。

图4 超前加长探孔布置

超前加长探孔时应注意的事项:1) 钻机应采用防爆型,钻孔直径不宜小于76 mm;2) 当作业地点附近20 m以内风流中瓦斯浓度达到1.0%时,应停止钻孔作业;3) 低瓦斯地段超前探孔宜采用单工序方式进行作业;4) 钻孔过程中应观察记录孔口排出的浆液、钻屑、孔内瓦斯浓度变化情况,结束后应及时整理钻孔记录表和成果;5) 施钻过程中出现顶钻、夹钻、顶水、喷孔等动力现象时,应立即报警,停止工作,撤出人员,切断电源,并进行分析处理。

3.2 瓦斯检测技术控制

为保证小断面水利隧洞高瓦斯段的施工质量和安全性,需要在隧洞施工全过程中,组建专门的瓦斯检测队伍,对瓦斯的浓度、风速等相关参数既要进行自动监测,也要进行人工监测[4]。在隧洞开挖施工前期进行人工监测,监测人员携带便携式瓦斯检测仪,每隔120 min监测一次。若遇到突发情况,需缩短监测时间,并于隧洞内部掌子面上设置光干涉甲烷测定器,一旦发生报警,应及时处理。

隧洞内部需要对开挖掌子面按照规定进行监测,每个施工断面上需要布置3个监测点。由于瓦斯的密度要小于空气密度,瓦斯会汇集在隧道顶部。因此,在进行瓦斯浓度检测中,将1处布置在拱顶位置,另外2处布置在两侧墙脚各距离坑道周边20 cm的位置,以实现对瓦斯浓度的全方位检测。监测内容包括开挖工作面风流中、回风流中、爆破点附近20 m范围之内的风流中以及局部塌方冒顶位置风流中的瓦斯浓度[5]。在正常情况下,按照每2 h监测1次的频率进行。若遇到特殊情况,需要随时监测,全部监测完成后,详细填报瓦斯巡检表。隧道内瓦斯超限质量分数以及超限处理措施见表2。

表2 隧道内瓦斯浓度超限值以及超限处理措施表

在每个洞口掌子面和衬砌台车附件上布置光干涉甲烷测定器,垂直悬挂在隧洞上方风流稳定的位置,监测开挖工作面风流中的瓦斯含量。在掌子面5 m范围拱部,距离顶板的最大距离不应超过300 mm,距离洞身侧壁不能小于200 mm。局扇和电气开关前后10 m的风流中,及掘进工作面的长度大于800 m时,隧洞中部拱顶增设甲烷传感器。此外,每天还需要检查安全监控设备和电缆是否处于正常状态,以方便便携式的光学瓦斯检测仪和光干涉甲烷检测器能够相互对照[6]。自动监测仪器需要定期进行调校,使用前、大修后都需要严格按照说明书的要求进行测试并调校至合格状态,在地面试运行24～48 h确认安全、稳定后方可安装到隧道内。每隔10 d就需要使用校准气体和空气样,按照产品的使用说明书进行调校,以保证测量仪器始终处于良好的运行状态。

3.3 隧洞通风施工控制

隧洞通风是小断面水利隧洞高瓦斯段施工控制的核心措施,通过隧洞通风可防止发生瓦斯积聚、避免瓦斯超限、预防瓦斯事故发生等[7]。总而言之,在进行小断面水利隧洞高瓦斯段施工中,通风质量的好坏直接关系到隧道内部施工人员的生命安全,同时也是避免发生瓦斯燃烧、瓦斯爆炸的关键防治措施。在案例工程施工中,为保证隧道通风的有效性,建立了瓦斯通风监控监测系统。实时监测瓦斯浓度、一氧化碳浓度,以及风速、风量参数,并配备便携式瓦斯检测仪和光学瓦斯检测仪。

3.3.1 隧洞通风方式

3.3.2 隧洞设备选型

结合本工程的分布情况,需要在各掘进工作面上布设独立的通风系统。隧洞内部所需的通风量需要根据爆破排烟情况,同时工作的最大人数和施工设备进行综合考虑,按照允许风速进行检验,选取其中的最大值。根据各洞口承担的施工任务选取合适的压入方式,从类似工程通风经验来看,影响隧洞内部通风效果的主要因素是漏风系数和风管直径的选择。一般情况下,风管直径越小,管道阻力系数就越大,所需风机功率也就越大,反之则越小[9]。在长距离通风情况下,特别是在单口掘进的隧洞需要采用大直径风管,这样能最大限度减少风阻,缩短通风时间,提升隧洞内部的通风效率。在小断面水利隧洞高瓦斯段施工中,作业环境须符合《水工建筑物地下开挖工程施工规范》(SL 378—2007)中的安全标准。要求隧洞空气中氧气的质量浓度不能低于20%,一氧化碳的最高容许质量浓度为30 mg/m3,二氧化碳质量浓度不能超过0.5 %,氮氧化物浓度不能超过5 mg/m3,隧洞内部最高温度不能超过28 ℃,隧洞内施工人员每人每分钟需要供应新鲜空气q为4 m3。考虑到隧洞太长,且含有瓦斯,为达到整体通风效果,根据现场实际情况,在隧洞高瓦斯段每隔1 000 m设置一处通风竖井。在高瓦斯段采用压入式通风和通风井通风相结合的方式,按通风人数和最小风速来计算隧洞内的通风量。

1) 按通风人数计算

施工人员所需风量计算,根据隧洞内施工安排,开挖阶段安排掘进机操作人员和空压机工共6人;在支护阶段,安排2台气腿式风钻,每台风钻2人,支护人员6人,共计10人;取最大施工阶段洞内人数计算,则施工人员需风量Q=k×m×q=1.15×10×4 m3/min=46 m3/min。其中:m为支护阶段人员数量,个;k为所需风量系数,取1.15。

2) 按洞内最小风速计算

保证最小风速供风量Q=60×0.15×12.17 m3/min=109.53 m3/min;按稀释和排除内燃机废气计算Vd≥60υminSmax,隧道所需的通风量Vg计算式为

Vg=v0N

(1)

其中:v0为每分钟通风量,取值4.1 m3/(kW·min);N为隧道内人数,个。Vg本工程主要采用掘进机开挖,渣料直接通过掘进机装入80 kW矿渣车内,单个工作面最多拟采用4台,则Vg=4.1 m3/(kW·min)×4×80 kW=1 312 m3/min。

根据上述计算取最大值,得出Qmax=1 312 m3/min。

压入式风管必须采用抗静电、阻燃风筒。风筒必须吊挂平直,接头严密不漏风,破口及时修补;吸出式风管采用PVC增强抗静电、阻燃塑料管材料。通风管漏风系数计算式为

P=1/(1-P100L/100)

(2)

掌子面需要的供风量计算式为

Q掌=KPQmax

(3)

式(2)—式(3)中:P为通风管漏风系数;P100为百米漏风率,取1.2%;L为通风长度,由施工组中独头掘进长度确定,m:白果乡进口通风长度L1=1 790 m;1#支洞通风长度L2=3 200 m;2#支洞通风长度L3=3 850 m;K为高原修正系数,不受影响,取K=1;Q掌为掌子面需要的供风量,m3/mim。

白果乡进口:Q掌=1/(1-P100L1/100)×1 312=1/(1-1.2%×1 790/100)×1 312=1 670.91 m3/min

1#支洞:Q掌=1/(1-P100L2/100)×1 312=1/(1-1.2%×3 200/100)×1 312=2 125.44 (m3/min)

2#支洞:Q掌=1/(1-P100L3/100)×1 312=1/(1-1.2%×3 850/100)×1 312=2 440.32 (m3/min)

Q掌=Q供/P,根据计算结果及参照各风机性能参数,白果乡隧洞进口拟采用SDF(B)-4-No11.5,2×75 kW压入式风机,1#支洞拟采用SDF(B)-4-No16,2×110 kW压入式风机,2#支洞拟采用SDF(B)-6-No17,2×160 kW压入式风机,符合要求。

3.4 隧洞施工通风检测和管理

本工程瓦斯隧洞施工通风与检测工艺流程如图5所示。

图5 瓦斯隧洞施工通风与检测工艺流程图

在进行通风检测时采用CFJD5型机械电子式风速表人工监测风速,仪器检测的风速为0.5～5.0 m/s,基本上满足本工程通风的要求。通风允许风流速度见表3。

表3 通风允许风流速度表

3.5 洞内电气设备防爆改造

在进行小断面水利隧洞高瓦斯段施工时,还需对洞内电气设备进行防爆改造。电气设备防爆改造是指对原有的电气设备进行改造,以增强其防爆性能,防止因电气设备发生故障而引起火灾、爆炸等事故。作业机械应采用防爆型或进行防爆改装。洞内配电开关全部采用具有煤安(MA)认证的隔爆开关,洞内配电全部采用煤矿用铜芯阻燃橡套软电缆。对电气设备进行接地改造,增加接地电阻和接地面积,以保证电气设备在故障时能够及时泄放静电能量,防止爆炸事故发生。为保证隧洞照明、通风及监测等一级负荷供电,配置发电机作为备用电源,以备在公用电网停电10 min内,及时启动备用电源。

4 结 语

在本工程施工中,按照工程所在区域的地质条件,严格按照施工中存在的重点与难点,选择有针对性的施工控制措施。在小断面水利隧洞高瓦斯段采用自动监测与人工监测相结合的方式加强瓦斯监控。按照“一作业面一风机一管道”的要求配置轴流风机压入式通风,并在瓦斯段每隔1 000 m设置一个通风竖井,保证隧洞工区的瓦斯浓度和风速检测符合设计和规范要求的限值;通过隧洞通风及风量计算确定最佳的设备选型,最后进行隧洞监测,确保水利隧洞高瓦斯段瓦斯浓度符合规定要求。在整个施工过程中,根据超前地质预报监测和瓦斯浓度监测的结果,采取配置轴流风机压入式通风及按规定设置通风竖井的通风方式,将隧洞施工中的瓦斯浓度控制在允许范围内,确保了施工的安全性,顺利完成了施工任务,值得类似工程参考和借鉴。