公路隧道穿越瓦斯地段的施工控制技术研究

公路隧道穿越瓦斯地段的施工控制技术研究

（保<山>施<甸>高速公路投资开发有限公司，云南保山678200）

摘

要：在我国西南地区广泛分布大量的小煤窑，因此在公路隧道施工中经常需要穿越瓦斯地带。

方义明*,金飞，余平军

隧道在穿越瓦斯地带组织施工时，一旦施工操作不当，很容易引发瓦斯爆炸事故。结合穿越瓦斯地带的公路隧道施工案例，对高瓦斯地带的成因进行了分析，并介绍了高瓦斯地段的施工处理措施。关键词：公路隧道；瓦斯；施工通风；运营通风

中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1004-5716(2020)02-0175-03

11.1

工程背景隧道工程概况

某高速公路隧道全长6359m，隧道纵坡为“人”字坡，进口段位于2800m长坡度为15‰的上坡上，其余地段位于2‰下坡上。为满足工期需要，兼顾施工通风、排水及运营通风等功能，该隧设置“进口平导+出口平导”作为辅助坑道模式，其中进口平导长1100m，出口平导长1200m，平导均采用无轨单车道断面。

2018年3月2日，出口工区平导施工过程中，施工单位发现距掌子面12m处底板左侧出现瓦斯溢出，实测浓度为0.4%~0.5%，并有上升趋势。为确保施工安全，施工单位在将台车推出掌子面过程中将该处瓦斯摩擦燃烧，火苗高度达1.4m，平导内瓦斯一直处于燃烧状态。施工单位委托有关科研监测单位对瓦斯情况进行勘察分析，并组织专家进行论证后提出隧道出口工区段位高瓦斯区段，其余地段为低瓦斯区段。1.2

隧道瓦斯赋存情况

该隧道区域构造复杂，断裂和褶皱发育，特别是隧道出口段为背斜构造，是油气有利运移指向区。隧道天然气来源于深部志留系和寒武系黑色页岩生油气层，隧道出口段为背斜构造且断层发育，有利于油气的运移和聚集。根据地层、岩性、构造、生油层系分布特征和油气演化等综合判断，该隧道为高瓦斯（天然气）隧道，实测高瓦斯（天然气）地段单位时间最大涌出量为1.3m3/min，估算瓦斯（天然气）溢出总量为285×104m3。2

隧道瓦斯成因分析

修回日期：2019-07-01

该隧道所处地段地质构造复杂，断裂和褶皱发育，特别是隧道出口段处于陡马箐背斜构造内，发育陡马箐断层、龙泉寺断层、阳宗海东缘—阳宗丫口断层，受构造影响，裂隙发育。隧道深部分布有生油气层，主要为志留系上统玉龙寺群和寒武系下统筇竹寺组黑色页岩层，深部天然气通过裂缝、断层向浅部地层运移，或在浅部储、盖条件匹配得当的地层中富集形成局部气囊，或直接向上逸散出地表。老石山隧道天然气运移方向如图1所示。

由于龙泉寺断层为张扭性断裂，断层破碎带及影响带发育，深部气体通过龙泉寺断层破碎带或影响带裂隙向上运移，当隧道揭露该断层时，天然气气体便从隧道洞底进入隧道，同时由于隧道施工开挖和施工爆破，围岩应力释放，原有的裂缝开启度变大，进一步增大了深部天然气向上运移的速度。以致最终造成隧道在掘进过程中，发生天然气溢出、燃烧。该类型的天然气出现及燃烧在以往的公路、铁路隧道建设中未曾遇见的特殊地质问题；同时在勘察期间，地表及深孔内均未出现瓦斯溢出现象。由于存在高瓦斯段，从而造成

*收稿日期：2019-06-09

第一作者简介：方义明（1979-），男（汉族），重庆人，工程师，现从事高速公路建设管理工作。

176

西部探矿工程2020年第2期出口工区调整为高瓦斯工区，并根据地质提供的高瓦斯段设置瓦斯设防段。同时，隧道其余地段由非瓦斯隧道调整为低瓦斯工区。33.1

高瓦斯地段施工控制措施结构处理措施

根据地质补勘测及分析资料，按规范要求确定该隧道出口正洞段及部分平导按高瓦斯段进行结构处理。对上述段落范围内正洞与平导间横通道衬砌结构结合瓦斯处理采用全封闭衬砌，该段范围内附属洞室正洞亦要求采用全封闭衬砌，护等环节加以控制。高瓦斯段通过设置全封复合衬砌将瓦斯封闭在二次衬砌以外，并通过二次衬砌与初期支护设置的排水装置及排气管将瓦斯通过平导排出隧道外，瓦斯（天然气）排放路径为：环向盲管—纵向盲管—水气分离装置—纵向瓦斯排放管—横通道瓦斯排放管—平导瓦斯排放管—洞外。全隧二次衬砌背后设⌀50mm环向盲沟，每10m一环；两侧边墙脚设⌀100mm纵向透水盲沟，并每隔5~10m设置水气分离装置将地下水引入洞内侧沟，将气引入瓦斯排放管。3.2

施工控制技术与运输方案

（1）施工控制技术。隧道出口工区为高瓦斯工区，瓦斯地段为Ⅳ、Ⅴ级围岩，均采用台阶法施工。高瓦斯段爆破作业必须采用煤矿许用炸药及煤矿许用电雷管，雷管最后一段的延期时间不得大于130ms。隧道出口工区为高瓦斯工区，该工区施工组织按规范要求办理，出口工区内使用的电器设备及移动设备均采用防爆型。

3.3

（2）运输方式。考虑出口工区为高瓦斯工区，出口工区运输方式调整为有轨运输。内轮廓满足S20梭式矿车等通行及排水管路布置及人行安全相关规定的要求。由于本隧道工期紧张，调整后平导采用有轨双车道断面，通风管设于拱顶悬挂，双车道布置2根⌀150cm风管考虑；风、水、电之管线设于人行道对侧边墙，水沟设于人行道对侧，其断面布置如图2所示。

图2平导断面布置

通风方案比选

根据地质专业提供的瓦斯绝对涌出量资料，本隧

道出口工区平导、正洞高瓦斯地段每延米的绝对瓦斯涌出量均为：Q=0.201m3/（min·m）。结合隧道出口工

区辅助坑道设置情况，出口工区瓦斯段的通风方式选用巷道式或压入式两种方案进行比较，具体通风方案如图3、图4所示。

图3巷道式通风方案示意图

图4压入式通风方案示意图

2020年第2期西部探矿工程177

出口工区高瓦斯地段巷道式通风模式下，利用正洞向作业面供送新鲜风，平导排污风，可按正洞二次衬砌距掌子面距离不超过60m、平导模筑衬砌距掌子面距离不超过40m，或正洞与平导衬砌距掌子面的距离均不超过50m的要求开展施工，正洞瓦斯段施工通风最长独头管路长度为410m，平导瓦斯段施工通风最长管路长度为734m。

当采用压入式通风，正洞衬砌距掌子面距离不超过70m、平导模筑衬砌距掌子面距离不超过60m，正洞瓦斯段施工通风最长独头管路长度为1465m，平导瓦斯段施工通风最长管路长度为1661m。考虑到施工高瓦斯段时，利用平导实现巷道式通风可有效缩短通风管路长度，降低施工通风的难度。此外，采用巷道式通风方案，污风从平导集中排出洞外，能有效改善正洞的施工作业环境，便于人员、车辆从正洞进出，可降低施工安全风险。因此，本次通风采用“利用平导排污风的巷道式通风”方案。

出口工区高瓦斯地段采用巷道式通风，按正洞二次衬砌距掌子面距离不超过60m、平导模筑衬砌距掌子面距离不超过40m的要求开展施工。正洞瓦斯段最长独头施工通风管路长度为410m，平导瓦斯段最长施工通风管路长度为734m。4低瓦斯地段施工控制措施

为确保除高瓦斯段外其余低瓦斯段施工安全，对超前探测、瓦斯检测、施工通风及安全要求采取的措施如下所述。

4.1超前探测与瓦斯检测

由于低瓦斯段也不能排除有天然气局部聚集的可能，因此，为确保施工安全，其余地段的超前探测、瓦斯检测及控制、施工安全要求等均按高瓦斯段的处理措施办理：超前钻孔必须采用水钻，建立全隧瓦斯自动监控及报警系统。

4.2施工方法及机具要求

Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，Ⅴ级围岩采用大拱脚台阶或台阶加临时横撑法开挖。若超前探测瓦斯浓度局部聚集，开挖爆破亦要求采用煤矿许用炸药及煤矿许用电雷管。低瓦斯工区的电气应采用防爆型，作业机械可使用非防爆型，行走机械严禁驶入高瓦斯工区。4.3施工通风

据地质资料，由于低瓦斯段不排除有天然气局部聚集的可能。施工通风需风量主要按稀释炮烟、开挖断面最小风速0.25m/s控制，并同时能确保将洞内瓦斯浓度稀释到0.5%以下。低瓦斯段仍应采用防爆型

风机及抗静电、阻燃的双抗风管，风管末端距上台阶作业面的距离应小于5m，下台阶作业面可采用气动风机或空气引射器稀释瓦斯，防止瓦斯积聚。

低瓦斯段内备用足够的防爆型射流风机及轴流风机，做到应急有备，并应定期或随时加强瓦斯监测，根据瓦斯监测结果，合理调整或增设射流风机，以加速回风流的流动，防止瓦斯积聚。5

运营期通风方案

由于该隧道为高瓦斯隧道，瓦斯溢出段距隧道出口较近，为防治隧道运营期间瓦斯积聚，设计采用机械通风稀释并排除洞内瓦斯等有害气体。

由于本隧道瓦斯溢出段距隧道出口较近，适宜采用全射流纵向通风方案，从隧道进口供送新鲜风，从隧道出口将有害气体排除洞外，且该方案需风量、供风压均较小，不存在能耗损失，经济性较好。利用进口平导或出口平导作风道的分段纵向通风方案，因供风量、供风压太大，需安装和备用的轴流风机功率太大，且短路端漏风严重，能耗损失很大，经济性极差，故放弃采用利用平导作风道的分段通风方案。因此，从通风方案的技术经济合理性比较，本次推荐采用通风效果好、经济性好的全射流纵向通风方案。6

结语

本文以某公路隧道穿越瓦斯地段的工程实例为基础，分析了瓦斯地段的成因，分别针对高瓦斯地段、低瓦斯地段的施工控制措施进行了分析，提出了相应的施工方案，并进一步介绍了瓦斯隧道的运营期通风方案。该方案被工程实践证明是可行的，可为今后类似隧道工程的施工提供参考。

参考文献：[1]隧道施工中的应用王运涛,杨敏,李好,蒋斯昂[J].公路交通技术，.瓦斯抽放在渝广高速公路华蓥山2017(2).[2]措施王运涛[J].,公路交通技术，李好,高建,郑志高2017(1).

.高速公路长大隧道瓦斯综合防控[3]朱成龙控技术分析,李冬霞[J].交通标准化，,鲁文斌,高劲松2013(16)..含微量瓦斯公路隧道施工管[4]通工程与技术，胡小涛.高瓦斯铁路长大隧道施工通风控制技术2017(S1).[J].国防交

[5]矿业，骆大勇2016(10).

,田卫东.隧道瓦斯段揭煤施工安全管理实践[J].现代

[6]西南交通大学，祝俊奇.高速铁路隧道施工煤与瓦斯突出防治技术研究2016.

[D].[7]

理方案研究先正平.铁路客运专线非煤系瓦斯隧道施工技术与施工管

[D].西南交通大学，2016.