高瓦斯隧道施工工法

复杂地质条件

高瓦斯隧道施工工法

1. 前言

1.1 工程概况

重庆市肖家坡隧道，左线起讫桩号为ZK51+386～ZK54+105，全长2719米，右线起讫桩号分别为YK51+400～YK54+130，全长2730米。隧道最大埋深约460m。隧道穿越地层主要为志留系上统罗惹坪群第二段、第一段和志留系上统龙马溪群第二段，以粉砂岩、页岩、砂质页岩互层、水云母页岩为主。设计为无瓦斯隧道。

1.2 工法形成经过

2006年12月，肖家坡隧道右线首次在YK53+690处测得瓦斯浓度为0.35%。从12月8日到12月，在每次掘进放炮后，均对隧道右线内瓦斯进行测定，这期间测得掘进工作面附近瓦斯浓度维持在0.26～0.36%之间，肖家坡隧道右线YK53+622位臵的最大绝对瓦斯涌出量为4.69m3/min。随后于2007年9月19日在肖家坡隧道出口左线ZK53＋034处掘进工作面左侧离地3m处钻孔附近的出现不明气体，现场对瓦斯浓度进行了测定，孔口瓦斯浓度8.2%、拱顶0.16%、下部0.12～0.13%。根据已开挖进隧道实际瓦斯涌出情况和对未开挖段隧道瓦斯涌出量的分析，将肖家坡隧道定为高瓦斯隧道。在高瓦斯隧道施工中，如何有效的预防和采取必要的措施，防止瓦斯安全生产事故的发生，我们经过反复研究，从超前地质预报、钻爆、出渣及运输、支护、衬砌、防排水、风水电等各道工序上针对瓦斯的特性，经过对肖家坡高瓦斯隧道施工的工程实践，经总结形成了本

工法。

2. 工法特点

1、超前预报与地质工作相结合，提前探明瓦斯成因及规模，进行瓦斯突出性预测，采取防治瓦斯突出的措施，有效降低开挖爆破时瓦斯安全生产事故风险。

2、控制隧道内及工作面的瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的关键。通过瓦斯检测预警系统与合理的通风设计，在施工中的每个环节都必须保证有强大的通风量与风速，将瓦斯浓度控制在0.5﹪以下，有效地降低隧道内的瓦斯浓度，确保施工安全。

3、采用新型防水板、气密性混凝土、水玻璃、水气分离装臵、防爆机械等新材料新设备保证施工和营运期间的安全。

4、隧道开挖后及早地对围岩（含掌子面）进行封闭支护，以及采取径向预注浆措施可以防止围岩中的释压节理、岩层层理或者构造结构面在开挖松驰后相互贯通，切断瓦斯的运移通道，避免了瓦斯灾害的突涌。

5、健全有效的安全管理制度是高瓦斯隧道施工的重要制度保障。3. 适用范围

适用于穿越地层中赋存有石油和油气共生地段以及浅层地表天然气贯通等外源性高瓦斯隧道施工。

4．工艺原理

针对外源性高瓦斯隧道施工特点，采取超前预报与地质工作相结合，提前探明瓦斯成因及规模，进行瓦斯突出性预测，采用光干涉甲烷检定仪、便携式甲烷检测报警仪、瓦斯自动监控系统对瓦斯实时检测监控。

工前教育培训，每道工序全部采用防爆型，严禁火源进入隧道，采取径向注浆切断瓦斯的运移通道，开挖后及时采用气密性混凝土进行支护和衬砌，这些措施有效地规避了高瓦斯隧道突涌灾害的风险，避免了人员伤亡和财产损失，确保了施工和运营的安全。

5. 施工工艺流程及操作要点

5.1 高瓦斯隧道施工工艺流程

图5.1-1 高瓦斯隧道施工工艺流程图

5.2 高瓦斯隧道施工工法操作要点

5.2.1 超前地质钻孔

为准确判断前方地质情况和瓦斯浓度，对隧道施行5个连续的超前探孔。钻孔采用ZK-150地质钻机，配有φ75和φ89两种钻头，通过取芯可准确判断掌子面的地质情况。通过测定钻孔内瓦斯浓度和瓦斯压力以及判定前方裂隙带的地质情况确定爆破方案。

5.2.1-1钻孔布臵图

5.2.2 瓦斯测定及判断

在掌子面设臵两个光干涉甲烷检定仪探头对隧道内的瓦斯进行24小时不间断监测。1号探头距掌子面10m ，2号探头距掌子面20m ，每次进尺放炮后，对隧道内的瓦斯浓度进行测定，对检测数据进行整理分析。检测方法和需要进行的气样分析如下表。

表5.2.2 -1瓦斯监控系统检测方法

表5.2.2-2隧道钻孔气样分析

根据所检测分析得出的瓦斯浓度数据，得出肖家坡隧道最大瓦斯浓度值C=0.18%。

根据孔口瓦斯浓度可以算出瓦斯涌出量。其具体计算过程如下：

现场实测隧道平均风速：v = 0.53m/s

隧道风量：q＝v×s×t= 0.53×82×60＝2607.6m3/min。

S—隧道开挖断面积；

t—通风时间；

最大瓦斯涌出量：Q=q×C＝2607.6×0.18﹪＝4.69 m3/min。

Q—隧道瓦斯绝对涌出量，m3/min；

q—隧道进风量，m3/min；

C—隧道瓦斯浓度。

由于最大瓦斯涌出量Q=4.69m3/min＞0.5 m3/min(《铁路瓦斯隧道技术规范》规范值)，可以判定为高瓦斯隧道。

1、外源性高瓦斯形的基本规律

详细勘察和研究瓦斯的特征、来源、形成以及赋存空间和运移通道，

充分认识外源性高瓦斯形的基本规律如下：

1)广泛分布的围岩一般为非煤层或者非含煤地层，完整性较好，各种贯通性结构面发育。

2)前期地质构造形成了一系列的隐伏含瓦斯构造，这些构造只是在围岩中形成张性裂隙，围岩破碎并不强烈，现在构造地应力场稳定，可以使瓦斯有一个相对稳定的赋存环境。

3)隧道所在地区地下水并不发育，在地质历史时期形成的瓦斯具备一定的储量和压力，而且瓦斯赋存区域有相互连通的隐伏含水构造形成的通畅的地下通道，可以为瓦斯的运移、赋存和突涌提供必要的条件。瓦斯突涌灾害具有受地质构造控制明显，瓦斯突出量随着时间的推移逐渐减少的特征。

4) 在施工等外界环境的扰动下，具有一定压力和静储量的瓦斯通过一些列的释压节理、岩层层理或者构造结构面突涌而出，瓦斯突涌灾害事故就发生了。

地质模式如下图：

5.2.3 瓦斯突出防治

根据地质勘测资料分析表明，隧道掘进放炮时由震动产生的裂隙与构造破碎带

5.2.2-1 隧道斯突涌事故工程地质模式示意