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1、长大公路隧道通风斜井地下风机房洞室瓦斯地层施工技术摘 要：白云隧道地下风机房穿越煤系地层，施工中所有平巷均存在瓦斯。介绍了白云隧道通风斜井地下风机房洞室在瓦斯地层中施工所采取的综合治理措施：超前预注浆防护、加强初支、改进通风、实施瓦斯监测等，施工经验可供同类工程参考。关键词：瓦斯隧道；施工监测；通风斜井地下风机房洞室；超前预注浆；初期支护1 工程概况白云隧道是一座长大公路隧道，设计为上下行分离双洞四车道高速公路隧道，左、右线隧道长度分别为7 097.897 m和7 120 m，位于重庆市武隆县与水江镇之间，是渝湘高速公路的重、难点工程。隧道运营通风采用斜井分段式通风，左、右线各设一座斜井，斜井
2、倾角23，长度分别为1 024.49 m和1 056.26 m。斜井下面的地下风机房设在隧道中部，纵向长度121 m，横向最大联接长度150 m。地下风机房内布置有送风道、排风道、联络风道、运输通道、人行通道、设备房等洞室，其中送、排风道的最大开挖跨径18.56 m、设备房的最大开挖高度13.38 m，两个风机房建筑净面积分别为4 222 m2和4 342 m2。风机房洞室平面布置见图1。白云隧道地下风机房所处地层为二叠系吴家坪组P2W煤系地层，围岩岩性为硅质灰岩、粉砂质泥、页岩、炭质页岩的不等厚互层，炭质页岩中夹有几层煤线和薄煤层，煤层厚度3845 cm，风机房外围岩岩体完整性较差，岩层间的
3、结合也较差，并且风机房平巷与地层小角度相交，顺地层走向延伸，开挖过程中拱顶易坍塌。平巷围岩类别为类，局部薄层状夹煤层的炭质页岩段为类。2008年5月26日，当左线风机房排风道横向开挖至55 m时，爆破后岩堆发生燃烧现象，掌子面拱腰部位见一条煤系夹层，厚度3845 cm，产状N112E29，掌子面瓦斯气体检测最大浓度达到4.5%，底板积水中多处冒泡，并伴有咕噜咕噜的响声。同时左线送风道掌子面（横向开挖长度58 m）超前探孔内检测出瓦斯气体，浓度达到3.8%，左拱脚见一片10 m2左右的炭质页岩破碎带，部分已经做好的锚网支护开裂剥落。2008年6月8日上午9点左右，右线风机房排风道掌子面施作超前探
4、孔时,右拱脚的一个探孔内突然涌出一股较浓气体，伴有较强的响声，有腐臭味，经现场检测，炮孔内瓦斯气体浓度超过10，掌子面经通风稀释后，瓦斯浓度降至0.4%。1图1 地下风机房洞室平面布置图 2008年6月8日晚上22点左右，左线风机房送风道掌子面拱部爆破除欠时，拱顶偏左侧一炮孔发生气体爆燃，燃烧持续了11个多h。现场进行喷水降温，在风机持续运转的情况下，瓦斯浓度降至0.7 %。 风机房洞室施工中发现瓦斯以后，立即安排了对瓦斯的连续监测，加强了通风，编制了瓦斯隧道施工组织设计，制订了瓦斯隧道施工的综合处治措施和应急抢救预案，风机房洞室马上按照铁路瓦斯隧道技术规范（TB10120-2002）的要求组
5、织施工。2 地下风机房洞室瓦斯地层中施工综合治理措施由于地下风机房处在煤系地层中，洞室密集，围岩破碎，开挖后二次衬砌不能及时跟进，瓦斯会从围岩裂隙中泄出，施工过程中必须对瓦斯进行处治才能保证施工安全。隧道运营期间风机房内要有工作人员常驻，加上洞中有很多电气设备和电线路，所以地下风机房内也不能有瓦斯存在，必须用二次衬砌和二次衬砌背后注浆封闭有瓦斯泄出的围岩。为保证施工和运营期间的安全，必须从以下三个方面进行综合治理：超前预注浆防护、加强初支、瓦斯处治。2.1 超前预注浆防护措施超前预注浆防护措施包括全断面周边预注浆超前防护和局部径向后注浆支护两项。2.1.1 全断面周边预注浆超前防护左右线风机房
6、送、排风洞室、型交叉口和B1-B2型衬砌段断面跨度大、围岩破碎、岩层间结合力差，泄出的瓦斯气体浓度较高。采用全断面周边预注水泥-水玻璃双液浆进行超前防护，对大断面的破碎围岩进行加固，不但可以避免洞室变形坍塌和坍塌引起的瓦斯突出，还可以封闭围岩中的裂隙，阻滞瓦斯气体向洞内渗入。在预注浆前，先施作30m的超前钻孔进行地质探测和瓦斯气体检测，这样不但能查明瓦斯气体的出露情况,同时超前钻孔还能提前释放掌子面前方的瓦斯气体。 超前预注浆范围为隧道洞室开挖线以外6 m，注浆段长度为30 m，全断面共布钻孔73个，分3环实施，长度分别为31 m、21 m、11 m。 注浆孔沿隧道中轴线呈伞状布置，浆液扩散半
7、径为2 m，钻孔底间距不大于 3 m，开孔直径115 mm，终孔直径75 mm。 注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，浆液浓度为：CS（体积比）=1(0.61.0)，水泥浆水灰比（0.81）1，水玻璃模数2.62.8，水玻璃浓度35Be，注浆压力为1.5 MPa左右，施工中根据围岩破碎程度可以对以上参数进行调整。当单孔注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上或单孔注浆量与设计注浆量基本相同、注浆速度在20L/min以下时，可以结束本孔注浆。经过全断面周边超前预注浆支护，掌子面前方松散的围岩得到了很好的固结，开挖后没有出现过垮塌现象。同时，由于超前探孔的预排和双液浆的封堵，爆破开挖后掌子面即测瓦
8、斯气体浓度大大降低，由原来的8%降低为2%4%，并且残留在炮孔内的瓦斯气体浓度也降低到1%2%，切实降低了洞室内的瓦斯气体浓度。2.1.2 水泥-水玻璃双液局部径向后注浆支护针对已开挖的风机房洞室局部段落围岩破碎、支护开裂和存在瓦斯气体逸出的现象，用水泥-水玻璃双浆液径向注浆支护，对松散岩体进行固结补强和裂隙封堵。施工参数同上。径向注浆用42 mm钻孔，钻孔长6.0 m，间距1.0 m1.0 m，梅花形布置。套管用外径42 mm、壁厚4 mm的热轧无缝钢管加工，长1.0 m，安装在孔口处。注浆压力1.5 MPa左右，单孔注浆量0.9 m3，当每孔注浆量达到设计注浆量时可以结束注浆。通过局部径向
9、后注浆并配合型钢拱架支护，进一步提高了洞室初支的支护能力，降低了施工区域瓦斯气体无规律逸出的危险。2.2 加强初期支护措施为增强洞室的稳定性，修改原设计，加密型交叉口、型交叉口地段的格栅钢架，把原设计1 m的间距调整为0.8 m，喷混凝土厚度增加到20 cm； 在A型、B1-B2型和F型衬砌地段初期支护内增加用14号工字钢加工的格栅钢架，间距0.8 m，喷混凝土厚度增加到20 cm。2.3 瓦斯处治措施地下风机房洞室施工按瓦斯隧道进行管制，按照“强通风、勤检测、绝火源、预排放、全封闭”的原则组织施工，确保施工安全。2.3.1 瓦斯浓度的限值和处置原则 (1)当掌子面和洞内任意地点的瓦斯浓度0.
10、5%时，洞内可以正常施工。 （2）当掌子面和洞内任意地点的瓦斯浓度等于或略大于0.5%时，超限处20 m内立即停工，加强通风和监测，查明原因，即时处置。（3）当掌子面的风流中瓦斯浓度接近或达到1.0%时，风枪停工，严禁装药和放炮，有组织的撤人，加强通风和监测，查明原因，即时处置。（4）当瓦斯浓度达到1.5%时，超限处停工，立即撤人，断电，加强通风和监测，查明原因，即时处置。（5）当瓦斯局部积聚，瓦斯浓度达到2.0%时，超限处20 m内立即停工、撤人，断电，加强通风和监测，查明原因，即时处置。（6）当电动机和开关附近20 m范围内瓦斯浓度达到1.5%时，电动机立即停止运转，撤人，断电，加强通风和
11、监测，查明原因，即时处置。（7）竣工后洞内任意地点的瓦斯浓度0.5%时，要查明原因，找出泄漏点，进行处理。2.3.2 强通风改进洞室通风方式，提高掌子面的通风能力，加快瓦斯气体稀释速度，可以从加大风机功率、增加风机数量、增大风管直径、增设局扇等入手；还要做好相邻几个洞室的施工组织安排，不要同时放炮，以免形成不良的循环风；加速打通与斜井相连的洞室，洞室与斜井贯通后，会大大改善洞室的通风效果。（1）改进风机房洞室通风方案。原来的风机房洞室通风方案是采用单向压入的排风方式，风机房开工后发现正洞内自然风风力较大，完全可以满足爆破排烟和降尘的需要，只是风向不固定。鉴于目前洞室内瓦斯浓度较高的实际情况，决
12、定安装大功率风机，在每个送、排风洞口安装1台SFD-NO.12.5的110 kW轴流风机，以加快掌子面烟气排出和防止烟尘串流。正洞内仍以自然通风为主，由于受隧道进、出口气压的影响，风向会发生改变，风力强弱会有变化，因此在风机房区域两端10 m范围内各增加一台30 kW射流风机，根据自然风的风向，相应开启上风头的射流风机，以增加正洞内的通风能力。同时封闭白云隧道左、右线除4#车行横洞以外的所有横向连接通道。由于4#车行横洞是地下风机房施工的必须通道不能封闭，因此在这个通道的两端洞口处各增加一台30 kW射流风机，向正洞方向吹风，防止左右洞烟尘串流，并在正洞烟尘聚积严重部位增加射流风机加强通引。风
13、机房各洞室间的纵向联接通道暂不开挖，以免气体串流。同时加快左线送风道和右线排风道的开挖进度，尽快打通与斜井的联接，以便利用斜井作为烟尘排放的通道。(2)通风量计算。钻爆开挖作业面所需风量按常规方法计算。分别按一次爆破最大炸药消耗量时所需的通风量Q0、按掌子面同时作业的内燃机械总功率计算所需的通风量Q1、按洞内同时作业的最多人数所需的通风量Q2、按大断面风速必须0.15 m/s时所需的通风量Q3进行计算，取其中的最大值作为控制风量。经计算，Q0578 m3/min,Q1895 m3/min, Q260 m3/min, Q31 278 m3/min。取Q31 278 m3/min为控制风量。根据通
14、风管路送风的长度(最大为100 m)，风管的百米漏风率为2.0%，总漏风量为：Q漏=26 m3/min。则通风机的最大送风量必须1 304 m3/min。通过计算和对比，可满足施工通风的要求。选择型号为SFD-NO.12.5的110KW轴流风机，其技术参数见表1。表1 SFD-NO.12.5轴流风机技术参数表 设备名称型号技术参数数量速度/（rmin-1）风压/Pa风量/(m3min-1)功率/kW轴流风机SFD-NO.12.5高速1 3001 5001 6002 8501101台中速6002 5101 0801 93034低速3401 4308201 48516注：拉链式软风管，1 500
15、mm，平均百米漏风率0.015，摩阻系数0.02。由此可见，现场安装的SFD-NO.12.5、 110 kW轴流风机完全可以满足施工通风的需要。施工过程中控制风机的运转时间和速度，可以保证掌子面的风速不小于1 m/s。通风方案经过改进，在风机启动后掌子面新鲜风速可以达到46 m/s，隧道正洞开通上风头射流风机后，正洞内的风速不低于3 m/s，大大加快了掌子面瓦斯气体的稀释和烟尘消散的速度，掌子面、台车作业面和风机电气设备附近瓦斯浓度均能低于0.5%，保证了施工安全。2008年10月底左线送风道和右线排风道与斜井开挖联通后，洞室内形成了斜井至主洞隧道洞口新鲜风流的正循环，通风效果大为改善。2.3.3 勤检测瓦斯检测工作采取人工用手持式瓦斯检测仪与全自动瓦斯气体检测仪相结合的检测方法进行。在左、右线风机房送、排风洞室施工场地外侧各安装一台KJ-90高低浓度甲烷自动监测仪的洞内分站、一台远程断电仪和一个低浓度甲烷传感器、一个风速传感器，开挖掌子面拱顶下面安装2个低浓度甲烷传感器，计算机监控中心设在隧道进口的洞外。自动瓦斯监测系统报警点和断电点全都设定为1%。人工瓦斯检测工作由专职瓦斯检测员负责，配备JCB-CJ19A型便携式甲烷检测报警仪。人工监测瓦斯报警点设定为1%。检测频率
