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、第一段与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位置得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处钻孔附近得出现不明气体,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与对未开挖段隧道瓦斯涌出量得分析,将肖家坡隧道定为高

瓦斯隧道。在高瓦斯隧道施工中,如何有效得预防与采取必要得措施,防止瓦斯安全生产事故得发生,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得特性,经过对肖家坡高瓦斯隧道施工得工程实践,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,采取防治瓦斯突出得措施,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得瓦斯浓度就是防止瓦斯爆炸得关键。通过瓦斯检测预警系统与合理得通风设计,在施工中得每个环节都必须保证有强大得通风量与风速,将瓦斯浓度控制在0、5﹪以下,有效地降低隧道内得瓦斯浓度,确保施工安全。

3、采用新型防水板、气密性混凝土、水玻璃、水气分离装置、防爆机械等新材料新设备保证施工与营运期间得安全。

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得释压节理、岩层层理或者构造结构面在开挖松驰后相互贯通,切断瓦斯得运移通道,避免了瓦斯灾害得突涌。

5、健全有效得安全管理制度就是高瓦斯隧道施工得重要制度保障。

3、适用范围

适用于穿越地层中赋存有石油与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得运移通道,开挖后及时采用气密性混凝土进行支护与衬砌,这些措施有效地规避了高瓦斯隧道突涌灾害得风险,避免了人员伤亡与财产损失,确保了施工与运营得安全。

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与瓦斯浓度,对隧道施行5个连续得超前探孔。钻孔采用ZK-150地质钻机,配有φ75与φ89两种钻头,通过取芯可准确判断掌子面得地质情况。通过测定钻孔内瓦斯浓度与瓦斯压力以及判定前方裂隙带得地质情况确定爆破方案。

5、2、1-1钻孔布置图

5、2、2 瓦斯测定及判断

在掌子面设置两个光干涉甲烷检定仪探头对隧道内得瓦斯进行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,对隧道内得瓦斯浓度进行测定,对检测数据进行整理分析。检测方法与需要进行得气样分析如下表。

根据所检测分析得出得瓦斯浓度数据,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、外源性高瓦斯形得基本规律

详细勘察与研究瓦斯得特征、来源、形成以及赋存空间与运移通道,充分认识外源性高瓦斯形得基本规律如下:

1)广泛分布得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得隐伏含瓦斯构造,这些构造只就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得赋存环境。

3)隧道所在地区地下水并不发育,在地质历史时期形成得瓦斯具备一定得储量与压力,而且瓦斯赋存区域有相互连通得隐伏含水构造形成得通畅得地下通道,可以为瓦斯得运移、赋存与突涌提供必要得条件。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得推移逐渐减少得特征。

4) 在施工等外界环境得扰动下,具有一定压力与静储量得瓦斯通过一些列得释压节理、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、2-1 隧道斯突涌事故工程地质模式示意

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得裂隙与构造破碎带

相沟通,导致了深层油气(瓦斯)顺着裂隙向掘进工作面涌出,排除了瓦斯来自于煤层或碳质岩层得可能。因此在高瓦斯隧道掘进过程中,为保证安全必须进行连续超前探孔,以探明施工前方得地质情况,防止出现瓦斯突出现象。

2、瓦斯突出性预测

由于排除了存在煤层得可能性,为节约施工时间,可采用钻孔瓦斯涌出初速度法进行瓦斯突出性预测。此过程在超前取芯探孔过程中同步实施,测定瓦斯涌出初速度时,应注意保证测定装置得气密性,以减小测量误差。

钻孔瓦斯涌出初速度法预测瓦斯突出得具体过程如下:1)在钻机每钻进1米时,立即撤出钻杆,插入钻孔瓦斯涌出初速度检测装置,测量2min 后得瓦斯涌出量q。当瓦斯涌量q≥4L/min(指标临界值)时,则存在瓦斯突出危险。2)当钻孔瓦斯涌出量q＞6L/min时,在第5min后继续读取1min瓦斯涌出衰减量,当衰减系数α≤0、65时,则该工作面存在瓦斯突出危险。

3)在钻孔过程中出现喷孔、顶水、顶钻、夹钻等动力现象时,即该工作面