肖家梁非煤系瓦斯隧道施工关键技术

肖家梁非煤系瓦斯隧道施工关键技术

李定国孙忠亮

中铁二局工程有限公司610031；山东井亭实业有限公司277000

摘要：以肖家梁非煤系瓦斯隧道成功经验为例，对类似的非煤系瓦斯隧道的瓦斯预报、监测及通风等技术关键施工技术进行了系统总结和分析，为同类型隧道的提供了借鉴。

关键词：非煤系瓦斯隧道；瓦斯预报；瓦斯监测；施工通风

1引言

非煤系地层瓦斯隧道与常规煤系地层瓦斯隧道有着本质的区别，肖家梁隧道为典型的非煤系构造连通型瓦斯隧道。它的主要特点是其没有类似于煤炭一样的瓦斯载体，瓦斯从埋深较大的贮气地层沿着地层裂隙向上扩散，并在某些地质条件下形成气囊，在隧道施工揭露时气囊中瓦斯释放并隧道内空气混合，形成极其危险的易爆炸混合气体。

非煤系地层瓦斯隧道的瓦斯特点是：瓦斯压力低、流量低而稳定，瓦斯主要以游离态为主，涌出随机性很强，主要受与产气层相通而闭合条件好的张裂隙和有裂隙发育的岩体分布的控制，当隧道开挖遇到这种裂隙时，就会有瓦斯涌出，影响施工安全。因此在本类瓦斯隧道中，首先要做好瓦斯预报与监控，然后根据瓦斯的爆炸条件特点合理通风使瓦斯浓度处于安全范围内，就能确保瓦斯安全。

2工程概况

兰渝铁路肖家梁隧道全长5215m，最大埋深165m，为单洞双线隧道，净空约120m2，采用钻爆法施工，无轨运输。隧道以近水平产状的红色泥岩、砂岩互层为主，其中又以不透气的泥岩较多。隧道位于川东北油气产区，距九龙山气田12~15km，紧邻苍溪含气构造，浅层气源于下伏约3000m，天然气等有害气体顺着岩层构造裂隙上逸，并在隧道洞身范围基岩裂隙中局部游散富集，形成气囊。其随机性和不均匀性很强，对隧道施工威胁很大。

肖家梁隧道瓦斯压力为0.12~0.2MPa，瓦斯绝对涌出平均值为3.03m3/min，为高瓦斯隧道。

3瓦斯预报技术

非煤系地层连通型瓦斯隧道的瓦斯富集往往与地质情况密切相关，在断层、节理等发育的洞段往往是气囊存在和瓦斯溢出的危险洞段。因此，对地质情况的综合预报也是对瓦斯溢出可能性的预报。经过探索，肖家梁隧道采用了“先以地质法进行初步预报，再采用HSP进行深入预报，最后利用超前钻探进行直观验证”的手段对隧道地质和瓦斯的情况进行可靠的综合预报和测定。

3.1地质素描

破碎带和裂隙等是瓦斯溢出的路径，邻近这类不良地质体的有以下前兆：

施工过程中对肖家梁隧道在对掌子面做了不间断的地质素描，通过掌子面素描图可以初步预测掌子面破碎带和裂隙的存在。

3.3HSP声波反射法

地质法往往只能对破碎带和裂隙等不良地质条件进行定性的预测，而对其位置，影响范围等不能定量预测。这就需要更直观和可靠的预报手段。在肖家梁隧道施工中，综合考虑对施工的影响和预报距离，选择HSP声波反射法进行进预报。做法为:在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在后方接收反射波信号。探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。HSP声波反射法具有方法简单、占用掌子面施工时间少、预报距离合适(70～90m)等优点。

3.4超前钻探

超前钻探可以直观的反映前方围岩情况，验证地质预报成果。肖家梁隧道采用超前长钻探和加深炮孔长短结合的钻探方式。

超前长钻探每钻探循环布置5个孔，分别位于拱顶、中部两侧及底部两侧，孔径89mm，孔深50m，搭接长度不小于5m。在超前探孔处设置检测点，以检测是否有天然气涌出。若测到有，则相应检测天然气的涌出量、浓度，并根据记录确定天然气的涌出位置。根据浓度及涌出量决定是否进行压力测定，并根据测定数据制定针对性施工措施。

加深炮孔在开挖作业中同步进行，深度5米，布置在开挖轮廓线上。

3.5预报成果及施工建议

综合预报表明：肖家梁隧道的瓦斯有几大特点：一是以裂隙气囊游离天然气的为主，基本无压力，浓度低（探孔浓度以0.3%~0.5%为主，偶有1.5%的浓度）；二是未能明显表现出瓦斯与围岩裂隙和地下水赋存的直接联系。因此可以判断，虽然肖家梁隧道为定性为高瓦斯隧道，但瓦斯程度不高，瓦斯事故风险性较小，可在施工中优化原高瓦斯隧道相关设计及技术方案，从而实现科学合理施工，节约成本，缩短工期。

4瓦斯监测技术

4.1监测部位划分

根据非煤系地层瓦斯隧道的瓦斯揭露、溢出、扩散及排出特点，在贯通前把隧道分为三个主要部分进行有针对性的瓦斯监测。

第一部分：掌子面到仰拱施工端头；此段为瓦斯揭露、溢出和扩散的主要源头，需要进行重点监控，采用自动瓦斯监测系统固定探头和人工监测系统双重监测。

第二部分：仰拱施工端头至二衬台车尾端；本段施工机械、机具多，隧道横截面积变小，瓦斯容易在台车（特别是二衬台车）端部上方富集，采用自动瓦斯监测系统固定探头和人工监测系统双重监测。

第三部分：二衬台车尾端至洞口。本段是洞内瓦斯排出通道，施工施工机械、机具较少，而且由于二次衬砌的施作可以有效减少吸附瓦斯的逸出，主要采用自动监测的方式，另外对锚段、专用洞室处等监测重点进行每班一次的人工瓦斯监测。

4.2监测手段

肖家梁隧道采用KJ101瓦斯自动监测系统结合专职瓦斯监测员人工检测的方式，前者24小时不间断监测，后者灵活机动，互为补充，可以掌握隧道道内各部位即时瓦斯浓度。

4.2.1自动监测系统

肖家梁隧道所采用的KJ101瓦斯自动监测系统组成为：监控主机、计算机网络及监控软件；传输接口和传输通道；供电电源及数据采集分站；各种传感器及执行器。

（1）系统主要功能

①实时监测传感器处的瓦斯浓度；

②实现风电、瓦电闭锁功能；

③故障报警和故障统计功能；

④停电后2小时以上续航工作能力；

⑤利用软件进行图形显示、数据处理、生成报表等功能；

⑥外接显示瓦斯实时监测数据。

（2）传感器布置

根据4.1中监控部分的划分，传感器要布置在瓦斯容易聚集部位。因此肖家梁隧道在布置了三组传感器：掌子面拱顶及两侧壁、二衬台车拱顶及两侧壁以及洞口30米拱顶。以上三组传感器能对施工活动最多的掌子面及最易积聚瓦斯的二衬台车处瓦斯浓度进行24小时不间断监测，确保瓦斯安全。

4.2.2人工检测系统

配置4名专职瓦检员采用光干涉式瓦斯检测仪24小时对隧道内所有工作面进行不间断监测。其它施工管理人员配置便携式瓦检仪对专职瓦检员的工作进行补充。监测位置为拱顶，两侧壁及底部两侧，测点距离开挖面约20cm，其中以拱顶为监测重点。

（1）隧道瓦斯检查的主要地点

以掌子面和二衬台车附近为主，另外自动监测系统监测不到，瓦斯易积聚的地方也是监测重点如：局部塌方点、专用洞室，动火作业点、机械电气设备附近等。

（2）瓦斯及二氧化碳检查频次

瓦斯浓度在0.1%以下时每小时检查1次，瓦斯浓度在0.1%以上时每30分钟检查1次。预测有瓦斯涌（喷）出危险的开挖工作面和瓦斯涌出量较大、变化异常的工作面专人、专岗检查。

5隧道通风

《铁路瓦斯隧道技术规范》规定：“瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于1m/s。”此规定来源于煤矿经验，但隧道工程不同于煤矿工程，断面较大，同时非煤系地层瓦斯释放浓度通常较低，通过实测大断面平均风速0.5m/s是较为合理和安全的。据此，配置2台2×135KW轴流风机，配直径1.8m防静电阻燃螺旋风管，另外在瓦斯易聚集的二衬台车等部位布置局扇，可以满足通风稀释瓦斯的要求。风管出口要距离掌子面20米左右，这样不仅可以避免风管距离掌子面过近产生的涡流和对施工造成的影响，而且能得到满足要求的回风速度。

通风管理方面要成立专业通风班组并配置小型升降车等设备。通风班组不但要管理维护好风机和风管等硬件设备，减小风损，合理、足量供风；还要严格供风制度，形成不供风就停工的管理红线。

6设备改装及闭锁装置

6.1设备改装

隧道施工机械设备多，现代化程度高，它们在隧道内就像一个个火种，对瓦斯安全影响很大。对设备进行防爆改装，可以有效消除隐患。防爆改装有两种类型：

1、主动防御措施

安装车载的瓦斯监控设备，实时监测汽车周围环境空气中的瓦斯浓度，当环境瓦斯浓度超过报警限值，根据情况采取报警、熄火、断电等措施。

2.被动防御措施

针对进气系统、废气系统、柴油机冷却系统、电气系统进行相应防爆改装。这种改装会造成设备效率一定程度的降低。

两种改装耗费均较大，但被动防御耗费相对更大，而且造成设备效率的降低。因此，建议采用主动防御措施。另外，在通风和监测有可靠保障的前提下，可以考虑取消防爆改装。

6.2闭锁装置

非煤系地层瓦斯隧道的闭锁主要采用风电闭锁和瓦电闭锁。风电闭锁实现了在隧道通风停止的情况下自动切断动力电源；瓦电闭锁实现瓦斯浓度超过预警值时自动切断动力电源。这两种闭锁在隧道出现停风和瓦斯超限的异常情况时可以即时掐断电源保证瓦斯安全。KJ101瓦斯自动监测系统中可以实现两种闭锁。

7结语

非煤系地层瓦斯隧道通常具有瓦斯量较小、随机性和不均匀性大的特点，在隧道施工过程中若按煤系瓦斯隧道来进行管理是不合适的。因此，应当根据其特点对施工措施进行优化。结合本类隧道特点和肖家梁隧道的成功案件深入分析可以得出：可靠的瓦斯预报和有效的瓦斯实时监测是非煤系地层瓦斯隧道瓦斯安全的先决条件；而合理、足量的通风加快瓦斯稀释和排出是瓦斯安全最有力的保障。在做好以上三项工作的前提下，再辅以设备改装、风电闭锁和瓦电闭锁就可以将瓦斯危害在无形中消除。

参考文献

[1]TB10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2002.

[2]煤矿安全规程[S].北京：煤炭工业出版社，2009.

[3]《肖家梁隧道实施性施工组织设计》.

[4]《肖家梁非煤系构造连通型瓦斯隧道施工技术研究》报告.

[5]《肖家梁非煤系瓦斯隧道瓦斯预报及监测技术》作者：李定国.

作者简介

李定国（1984-），男，工程师，2008年毕业于西南交通大学土木工程专业。先后参与了锦屏二级水电站、兰渝铁路和青岛地铁8号线过海隧道的技术管理工作。

孙忠亮（1976-）男，工程师，2016年重庆大学在职进修毕业，采矿工程专业。