铁路瓦斯隧道施工技术方案研究

铁路瓦斯隧道施工技术方案研究

梁承欢

中铁五局集团限责任公司

摘要：本文结合某铁路瓦斯隧道的施工实例，从瓦斯隧道的施工准备、设备改装、监测措施、现场施工控制等全过程的施工组织进行了系统阐述，对瓦斯隧道施工技术方案进行了探讨研究，对其成果资料及质量安全控制进行了总结，为类似工程提供参考。

关键词：瓦斯隧道；施工；技术方案；研究

1、前言

在铁路隧道施工中，经常会遇见从围岩中逸出的各种有害气体（其中主要成份是俗称沼气的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮、重烃及其化合物，包括乙烷、丙烷、丁烷等气体）即瓦斯，有些在前期地质勘探时能准确预见，有些由于地质原因复杂没有能够提前探测出，有瓦斯逸出的隧道施工，周密的施工技术方案是安全的有效保证措施。本文结合黔张常铁路唐家寨隧道瓦斯逸出情况，对瓦斯隧道的施工技术方案进行了研究，阐述了瓦斯隧道的施工准备、设备改装、通风监测、施工组织、工序施工质量安全，并对瓦斯隧道施工成果进行了总结。

2、工程概述

唐家寨隧道位于湖南省龙山县比溪乡茄佗村及猛必乡红旗村之间。中低山地区，高程450～1400m，为一越岭隧道，隧址区通过的褶皱构造主要为猛必斜歪向斜，无断裂构造发育，位于向斜北西翼上，由新至老通过的地层依次为二叠系下统茅口组中厚层状灰岩、下统马鞍山组、栖霞组灰岩夹炭质页岩、泥盆系中上统砂岩、志留系上统纱帽群页岩夹砂岩及中统罗惹坪组页岩夹砂岩，隧道出口段属于碳酸岩岩溶裂隙溶洞水强富水岩组，岩组地表溶蚀现象严重，岩溶发育强烈，有数个较大落水洞发育。施工揭示存在瓦斯涌出和不明液体流出，通过专项勘察和专项调查发现，唐家寨隧道涌出气体是以甲烷为主的瓦斯气，包含有乙烷、丙烷气体成分，其中最高超前钻孔中瓦斯浓度测试值超过10%，大大超过规范规定的标准值，存在一定的爆炸危险性，唐家寨隧道发现的不明液体为淡黄色、透明状、易燃、易挥发的轻质油，其挥发的成分具有一定的毒性，对人体可造成直接伤害；瓦斯的来源主要是二叠系下统栖霞组古油气床，随着地层构造破碎带上升位移储存在岩层裂隙内，受隧道爆破施工的影响造成瓦斯不断涌出；隧道内二叠系下统栖霞组存在古油气床，并已在隧道内发现轻质油逸出。

3、瓦斯特性对隧道施工影响

唐家寨隧道有害气体主要是原油伴生天然气，蕴藏在地下多孔隙岩层中，比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性，易积聚在坑道顶部，瓦斯本身是不会自燃和爆炸的，但当和空气（氧气）以一定比例混合均匀并达到一定浓度后，遇到火源，就会燃烧和发生爆炸，给瓦斯隧道施工带来极大的安全隐患；瓦斯的渗透性极高，扩散速度快，其扩散性较空气高1.6倍，容易透过裂隙发达、结构松散的岩石或煤层，渗透到隧道开挖空间里；瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸着状态存在，两种状态的瓦斯是处在不断变化的动态平衡中，当温度、压力等外界条件变化时，平衡就被打破，压力升高温度降低时，部分瓦斯将由游离状态转化为吸着状态，反之，压力降温度升时，又会有部分瓦斯由吸着状态转化为游离状态；瓦斯无毒、无色、无味，但不适合呼吸，瓦斯浓度升高，空气中氧气浓度急剧下降，会引起人员窒息。许多瓦斯伤亡事故中，有很大部分是瓦斯窒息造成的。

4瓦斯隧道技术处理方案

4.1瓦斯地段等级定性

根据现场对隧道涌出的页岩气进行专项勘察及施工监测情况，唐家寨隧道DK117+723～DK118+040段掌子面钻孔内瓦斯浓度为0～10%，正常通风条件下空气中瓦斯浓度为0.02～0.36%，经计算隧道内瓦斯绝对涌出量最大值为1.5m3/min，大于0.5m3/min的指标值、岩样平均含气量为0.055m3/t、钻孔内瓦斯压力为0，且由于在隧道内发现轻质油逸出，气体中含有CO、挥发性油气等有毒有害物质，故定性本段为高瓦斯隧道，瓦斯地段等级为二级。

DK117+348～DK117+723段掌子面钻孔内瓦斯浓度为0.5～4%，正常通风条件下空气中瓦斯浓度为0.01～0.2%，气体中含有的CO、H2S浓度一般不超限，且本段未见轻质油逸出，定性本段瓦斯地段等级为三级。

4.2瓦斯地段衬砌结构设计加强

根据实际揭示围岩进行动态调整，考虑到瓦斯具有从压力高地段向压力低地段渗透扩散的特点，结构封闭措施在瓦斯、非瓦斯工区分界处，向非瓦斯工区延伸不小于50m。具体措施如下：

1）DK117+298～DK117+558、DK117+588～+591、DK118+055～DK118+092段300m，衬砌支护类型采用Ⅲy-qfb-2型；DK118+055～DK118+092段全断面采用径向注浆。

2）DK117+558～DK117+588、DK117+742～DK118+055段343m，衬砌支护类型采用Ⅲy-qfb-l型；DK117+742～DK118+055段全断面采用径向注浆。

3）DK117+591～DK117+594、DK117+599～+602、DK117+731～DK117+734、DK117+739～DK117+742段，为非绝缘下锚段，衬砌支护类型采用Ⅲy-FXM-qfb型；DK117+731～DK117+734、DK117+739～DK117+742段全断面采用径向注浆。

4）DK117+594～DK117+599、DK117+602～+731、DK117+734～DK117+739段，为非绝缘锚段一般段，衬砌支护类型采用Ⅲy-FYM-qfb型；DK117+723～DK117+731、DK117+734～DK117+739段全断面采用径向注浆。

5）为增强混凝土的密实性，隔离瓦斯或减少瓦斯溢出，全部瓦斯段落初支及二衬混凝土均掺气密剂。

4.3瓦斯地段防排水、防气设计

唐家寨出口工区溢出的瓦斯气体一般以游离态为主，局部存在炭质页岩处为吸附状态，在隧道施工过程中瓦斯涌出具有随机性及分布不均匀等特点，且钻孔内瓦斯一般无压力，且取样岩体瓦斯含量较低，隧道防排水设计总体上遵循“以堵为主“的原则，确保施工及运营安全，具体措施如下：

1）DK117+298～DK118+090段隧道环、纵向施工缝处在原设计中埋止水带+背贴止水带的措施基础上，增加双组份聚硫密封膏嵌缝气密性处理，其封闭瓦斯性能不应小于衬砌本体。

2）在瓦斯段与非瓦斯段交界处（DK117+298及DK118+090）端头初支与二衬之间全环环向设置20cm宽双组份聚硫密封膏，防止有害气体从瓦斯地段向非瓦斯地段渗透扩散。

4.4超前地质预报加强

唐家寨隧道出口DK118+090～DK117+348段为瓦斯工区地段，超前地质预报工作拟采用以地质调查法为基础，TSP303及地质雷达为先导、超前水平钻孔、加深炮孔配合瓦斯监测仪检测为主要手段的综合超前地质预报方法，以预测前方灰岩夹炭质页岩层的厚度、产状（走向、倾向、倾角）、裂隙发育情况等，同时对岩溶发育情况进行预报。根据前期探测地质条件，本段瓦斯工区采用地质素描、TSP及地质雷达探测全贯通，掌子面布置水平钻孔4孔、加深炮孔13孔配合瓦斯监测仪检测进行瓦斯浓度、压力等监测，以防止瓦斯突出、原油及有害气体溢出等不良地质灾害的发生。

4.5预留运营通风土建工程

为考虑瓦斯对后期铁路运营影响，预留后期增设通风机条件，在DK117+030～+070段预留运营风机的断面，风机断面长20m，两侧各10m过渡段；在DK116+999左侧和DK117+014右侧各增设一个电力箱变室，在DK117+025右侧增设一座风机控制柜洞室。

5瓦斯隧道现场施工方案实施

5.1整体施工方案

唐家寨隧道出口工区判定为高瓦斯隧道工区，为确保施工及运营安全，施工严格按照瓦斯隧道相关规范要求及设计加强措施实施；施工期间加强施工通风和有害气体检测，加强施工组织防止瓦斯燃烧、爆炸等事故；严格执行“短进尺、及时封闭”原则，控制开挖进尺，以保证开挖面积较小，开挖轮廓能迅速得到支护，减短有害气体溢出时间，减少溢出量；工序间距尽量缩短，尽快施做二衬封闭瓦斯地段；为保证施工安全，控制开挖进尺为2m内，每循环采用喷C25气密性混凝土10cm封闭掌子面。

5.2施工通风

隧道施工通风是排烟除尘和稀释有害气体的主要手段，是保证施工安全的重要前提，隧道施工期间采用不间断通风，施工通风按压入式通风考虑，按最小风速控制的需风量进行计算，结合隧道的断面布置，瓦斯工区布置2路1.8m风管；施工期间成立瓦斯监测及通风组，设专人开展隧道内瓦斯日常监测或随时监测，并及时通报瓦斯浓度等相关参数。

瓦斯隧道工区施工采用压入式通风，通风设计遵循：通风设计按爆破排烟、掌子面作业要求、瓦斯涌出量进行设计；隧道内防止瓦斯积聚的最小风速不宜小于1m/s；通风管内径不小于1.8m，具有抗静电、抗阻燃的性能，百米漏风率不大于1%，并且风管口距离掌子面的距离不得大于5m；通风设备采用防爆型，采用双风机、双电源；根据洞内瓦斯浓度监测情况，在衬砌台车等易减缓风速的地段可增设沿程增压风机；在作业台车、洞室等瓦斯以积聚的地方，增设小型局扇。

5.3.瓦斯监测

瓦斯监测是防止瓦斯事故的主要技术措施之一，为了保证唐家寨隧道施工过程中的安全，采用“双保险”监测措施，即遥控自动化监测系统与人工现场监测相结合，并建立风、瓦、电联锁系统和声光报警系统。遥控自动化系统由洞内监测中心（配置主控计算机）和洞内的控制分站以及在洞内各工作面、转角等处设置的瓦斯等有害气体浓度探头、风速探头、自动报警器、远程断电仪组成。安全监控系统的甲烷传感器垂直悬挂在隧道上方风流稳定的位置，距隧道顶板不大于300mm，距隧道侧壁不小于200mm。

通过各探头实测数据，监测中心监控人员能及时掌握各工作面瓦斯等有害气体浓度，可降低事故突发概率，增强处理突发事故能力；另外，在爆破期间，监控人员能立即观察到炮后瓦斯等有害气体浓度变化曲线和涌出量，可节省施工间隙。

由于设置自动监测系统的探头须离开挖面有一定的距离，同时配备瓦检人员采用便携式瓦斯检定仪等专门仪器配合检查，确保开挖过程中不间断监测瓦斯等有害气体浓度。施工现场负责人随身携带便携式甲烷检测仪，瓦斯检查工携带便携式光学甲烷检测仪。

瓦斯工区二衬施工后，对洞身段及盲管口继续进行瓦斯浓度监测，并保存监测数据，为竣工验收提供相关分析评估成果。

5.4钻爆作业

隧道瓦斯工区的具体钻爆开挖按照“多打眼、少装药、短进尺、快喷锚、强支护、勤检测”的原则进行，具体如下：

1）钻孔作业时严格控制在开挖工作面附近20m风流中瓦斯浓度必须小于1.5%时进行，采用湿式钻孔，炮眼深度不小于0.6m，。

2）装药与爆破作业时保持爆破地点20m内风流中瓦斯浓度必须小于1%；爆破地点20m内运输车辆、洞砟等物体阻塞开挖断面不得大于1/3；通风确保风量足，风向稳，局扇无循环风；炮眼内岩粉清除干净，炮眼封泥不足或不严时不进行爆破。

3）爆破作业采用煤矿许用炸药及电雷管，并采用电力起爆，电力起爆使用防爆型起爆器作为起爆电源，一个开挖工作面不同时使用两台及以上起爆器起爆。

4）爆破母线采用具有良好绝缘性和柔软性的铜芯电缆，并随用随挂，严禁将其固定。

5）进行爆破作业时，爆破15min后巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、瞎炮、残炮等情况，遇有危险必须立即处理。通风30min后，由瓦检人员检测开挖工作面、回风道瓦斯浓度，在瓦斯浓度小于1%，二氧化碳浓度小于1.5%，解除警戒后，工作人员方可进人开挖工作面工作。

5.5电气设备和作业机械

瓦斯工区工点配置双路电源，电源线上不得分接隧道以外的任何负荷；瓦斯隧道内照明灯具，开挖工作面附近的固定照明灯具，采用ExdⅠ型矿用防爆照明灯，二衬已施做段固定照明可采用ExdⅡ型防爆照明灯，移动照明必须使用矿灯；行走机械设备（汽车、装载机等）安装车载式瓦斯监测报警仪，同时配备有瓦斯超限报警时停止运行并熄火的功能，以及安装尾气火花熄灭装置；严禁现场焊接作业，构造钢筋、连接钢筋采用绑扎方式，主受力筋采用套筒链接；初期支护拱架在洞外加工时增加锁脚锚杆连接钢板，在洞内采用螺母固定锁脚锚杆，严禁焊接。

5.6防火安全

瓦斯隧道工区洞口20m范围内不得有火源，进洞人员不允携带火源；瓦斯隧道工区内不得存放各类易燃品，废油、用过的棉纱、布头、纸张等应存在铁桶内专人送出洞外。

由于隧道内有害气体具有刺激性气味，为减少对洞内作业人员身体伤害，作业人员需佩戴空气呼吸器；

6结束语

瓦斯隧道地质情况复杂，施工过程安全控制要求高，只有合理的安排施工组织，合理配备各工序的施工设备和人员，把控好超前地质预报，加强通风及监测管理，严格控制各工序的质量安全要求，把控好各环节的施工安全，才能有效的达到整体安全质量目标要求。唐家寨隧道出口自开始发现存在瓦斯确认为瓦斯隧道后，对瓦斯隧道施工技术方案进行系统的探讨和研究，采取了施工通风、瓦斯监测、供电与照明、作业机械改装、矿用火工品等材料准备以及钻探设备等资源配置、人员培训和应急演练等措施，取得了较好的效果，施工安全质量可控，从进入到结束瓦斯段落的施工，全过程安全质量都在有效控制之中，取得了较好的经验成果，为以后类似工程提供借鉴。