專利名稱：巖溶與瓦斯共生隧道施工方法
技術領域：
本發(fā)明屬于巖溶與瓦斯共生隧道施工技術領域，特別涉及一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法。
背景技術：
隨著我國高速鐵路建設蓬勃發(fā)展，隧道的數(shù)量越來越多，由于高速鐵路線路曲線半徑的限制，隧道難免要經(jīng)過環(huán)境和地質復雜的地區(qū)，如破碎巖體、斷層帶、巖溶、采空區(qū)、 有害氣體、放射性地層、巖爆、危巖落石、高地溫等等。在如此復雜環(huán)境和復雜地層中的隧道施工面臨著極大的風險，施工難度大，施工要求非常高。如何克服復雜環(huán)境和復雜地層中的隧道施工困難，避免施工風險，保證安全、高質量地按期完成隧道施工任務是高速鐵路隧道施工成功的關鍵。我國在這方面的遇到的工程實例越來越多，2005年到2006年期間，客運專線合 (肥)_武(漢)鐵路位于大別山北坡的紅石巖、五福堂、九斗沖、周家坳、金寨、喬家山和汀筒溝等7座片(麻)巖隧道，施工中先后發(fā)生不同程度的氣體燃燒現(xiàn)象。2005年12月22 日，四川省都江堰至汶川公路董家山隧道右洞施工過程中，發(fā)生瓦斯爆炸，造成44人死亡， 11人受傷的重大事故。瓦斯隧道施工中，如何預防瓦斯災害歷來是隧道施工控制的重要因素之一。隧道中瓦斯危害主要表現(xiàn)為中毒、窒息、燃燒、爆炸、煤與瓦斯突出五種情況，其中以瓦斯爆炸事故最易發(fā)生。一般說來，隧道內(nèi)發(fā)生瓦斯災害事故概率較小，但是一旦發(fā)生瓦斯爆炸或瓦斯突出事故，后果往往十分嚴重，將造成極大的生命財產(chǎn)損失和極惡劣的社會影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種施工安全的巖溶與瓦斯共生隧道施工方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，包括如下施工工藝1)、超前地質探測；2)、開挖施工；3)、出碴；4)、初期支護；5)、襯砌施工；6)、防排水施工；7)、施工通風；8)、施工供電；9)、煤系地層坍方處理。所述煤系地層坍方處理中，坍方段的處理分三階段進行，第一階段先進行地質探測預報，初步確定坍方段的長度、高度及圍巖情況；第二階段進行坍方范圍內(nèi)的瓦斯探測及排放；第三階段進行初期支護拆換及坍方處理。所述坍方處理時，采用如下處理辦法(1)加固封閉坍方虛碴；(2)坍腔瓦斯治理；(3)施作超前支護；(4)拆換坍方段及影響范圍的初期支護。
所述步驟(1)中，采用Φ42注漿小導管對坍方體虛碴進行加固。長度為6米，間距50 X 50厘米，梅花型布置，小導管采用Φ 42無縫鋼花管，鋼花管上鉆注漿孔，孔徑Φ 8mm， 孔間距15cm，呈梅花型布置，搭接長度2. 0米，鋼花管距孔口段1. Om不鉆花孔作為止?jié){段， 用C25噴射砼20厘米厚將掌子面封閉。所述步驟O)中，在坍腔底部濕式鉆孔，采用局扇向鉆孔處吹風，孔鉆好后，埋入 Φ42小導管，小導管端部伸入坍腔頂部，采用高壓風管向坍腔內(nèi)送入高壓風，不斷稀釋瓦斯，并將其擠出坍腔，在坍腔瓦斯?jié)舛冉档桨踩秶鷥?nèi)后，注漿充填坍腔。所述步驟(3)中，a.超前支護采用Φ108管棚一次施作到位，長度為30米，環(huán)向間距為40厘米。外插角為3°，在拱頂144°范圍內(nèi)布置，每節(jié)長度為1.0m，采用絲扣連接套連接，錨桿上鉆注漿孔，孔徑ΦΙΟπιπι，孔間距15cm，呈梅花型布置，距孔口段2. Om不鉆孔作為止?jié){段；套拱為兩榀工22b型工字鋼架，間距1. Om ；b.超前支護第二層Φ42小導管每次施作長度3. 5米，向上傾角10° 12°，搭接長度1. 5米，環(huán)向間距為40cm，管孔口位置設置于超前支護Φ 108大管棚之間，在拱頂 144°范圍內(nèi)布置；每節(jié)長度為3. 5m，環(huán)向拱部設置組合中空錨桿，邊墻采用Φ22砂漿錨桿，呈梅花型布置；c.徑向注漿在初噴砼強度達到設計強度的70%后采用組合中空錨桿徑向注漿，長度為^!，在拱頂144°范圍內(nèi)布置；所述步驟(4)中，a.采用18號工字鋼臨時支護，鋼架間距為1米，縱向連接采用Φ22螺紋鋼彎鉤連接，環(huán)向間距為1米;b.拱部采用4米長的Φ22組合中空錨桿(注漿)對圍巖系統(tǒng)加固，錨桿間距 120cmX IOOcm ；c.采用光面爆破爆掉原有的初期支護，局部欠挖部位用風鎬鑿除；d.采用V級加強襯砌斷面，重新施作初期支護，工20b型工字鋼0. 6米/榀安裝。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是一種安全、高效、經(jīng)濟的巖溶與瓦斯共生隧道施工方法。1.從安全因素上分析本發(fā)明的重點是施工時通過加強通風、防突、防爆及瓦斯檢測等一系列工作，加上采取“疏導、堵填、注漿加固、跨越、宣泄”等措施進行巖溶處理；設置消防設施以及通過控制開挖方法、爆破作業(yè)等措施保證了瓦斯與巖溶共生隧道的施工安全。避免瓦斯爆炸的三個條件(一定的瓦斯?jié)舛龋欢囟鹊囊鹪春妥銐虻难鯕?的同時產(chǎn)生，從而安全有效的避免事故的發(fā)生。2.從施工工期上分析合理有效的安排組織施工，無事故，避免停工事件的發(fā)生。3.從工程成本上分析改變了傳統(tǒng)的防爆改裝方案，采用重慶煤科院研制的車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，既節(jié)約成本又不會降低車輛的功率，提高了出碴運輸功效?？傊?，本發(fā)明方法現(xiàn)場可操作性強，施工方法易于推廣；既保證了施工安全，又較好地滿足了隧道的施工質量。


圖1是本發(fā)明中隧道超前探孔布置示意圖；圖2是本發(fā)明中瓦斯救災監(jiān)測系統(tǒng)；圖3是本發(fā)明中瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)布置示意圖；圖4是本發(fā)明中瓦斯監(jiān)測流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發(fā)明的上述發(fā)明內(nèi)容作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。瓦斯隧道施工如何通過加強通風、防突、防爆及瓦斯檢測工作，設置消防設施以及通過控制開挖方法、爆破作業(yè)等措施確保瓦斯隧道施工安全是施工安全控制的重中之重。本發(fā)明將以小范坪隧道為工程依托，借鑒國內(nèi)外先進技術及多年類似工程施工經(jīng)驗，深入研究巖溶與瓦斯共生隧道施工技術施工技術，建立防突防爆管理技術體系，制定出適用于巖溶瓦斯共生隧道鉆爆作業(yè)、施工機械、機電設備配套、瓦斯監(jiān)測及超前地質預報技術；總結出一套適用于巖溶瓦斯共生隧道的施工方法。為了克服現(xiàn)有技術和安全上的缺點，本發(fā)明提供了一種安全、經(jīng)濟、高效的巖溶瓦斯地區(qū)的隧道施工方法，該方法現(xiàn)場可操作性強，極易于推廣，保證了瓦斯與巖溶的施工安全和施工質量。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明解決其技術和安全問題所采用的方案是一種巖溶與瓦斯共生隧道的施工方法，包括如下隧道主要工序施工方案1.超前地質預報方案為提高地質預報的準確率，確保施工安全，將地質預報作為一項工序納入施工過程中，貫穿于施工全過程。預報時應用工程地質分析法(地質調(diào)查和全斷面地質素描)、 TSP203超前地質預報、紅外線探水、地質雷達、超前水平鉆探綜合分析相互印證，進行超前地質預測預報工作。瓦斯超前探測方法隧道應進行全斷面超前探測，超前探孔孔徑一般為89mm，單孔長度為30m，搭接長度不小于5m，探測孔按圖1布置，用潛孔鉆機進行鉆探。并在超前探孔處設置檢測點，以檢測是否有有害氣體涌出。若探測到有害氣體，應根據(jù)記錄確定有害氣體的涌出位置及涌出情況。鉆孔過程中，在每循環(huán)超前鉆孔施工過程中記錄每米鉆孔巖性、 鉆進情況。隧道超前探孔布置示意圖如圖1所示。圖2為瓦斯救災監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機、電源箱等構成，其中，監(jiān)控主機經(jīng)數(shù)據(jù)接口與電源箱3連接，監(jiān)控主機還連接有打印機，監(jiān)控主機經(jīng)數(shù)據(jù)接口、避雷器分別與分站1和分站2連接，分站1經(jīng)電源箱1連接工業(yè)電網(wǎng)，分站2經(jīng)電源箱2連接工業(yè)電網(wǎng)，分站1和分站2分別連接有CO、O2、溫度、CH4檢測器。圖3為瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)布置示意圖，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)地面中心站、 風機開停傳感器、低濃度甲烷傳感器構成，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)地面中心站包含有分站、通訊接口、工控機、斷電器、打印機，分站經(jīng)三通接線盒分別與風機開停傳感器、低濃度甲烷傳感器連接，分站經(jīng)通訊接口分別與工控機和打印機連接，分站經(jīng)斷電器與洞內(nèi)電源控制開關連接。圖4為瓦斯監(jiān)測流程圖，流程如下施工準備，加深炮眼等檢測是否有瓦斯氣體， 如果沒有則進行正常開挖，如果有則進行超前探測孔，檢測孔內(nèi)是否有瓦斯有害氣體，檢測孔內(nèi)沒瓦斯氣體就正常開挖，檢測孔內(nèi)有瓦斯有害氣體的話就要進行檢測瓦斯壓力及積聚位置和孔內(nèi)瓦斯涌出量，符合單孔瓦斯涌出量不大于5L/min時可進行正常開挖，瓦斯壓力小于0. 6Mpa時可正常開挖，瓦斯壓力在0. 6-lMpa時加強通風也可正常開挖，瓦斯壓力大于 IMpa時，掌子面掘進至距離瓦斯積聚位置5m處，停止掘進，在涌出孔附近施作排放孔，進行瓦斯排放，將瓦斯壓力降至IMpa以下，若對小時內(nèi)不能使其降低，則應立即封閉，另做專門處理。正常開挖時，檢測瓦斯及其有害氣體濃度，如果坑道總回風流中瓦斯或二氧化碳濃度大于0.5%時應立即查明原因進行處理、加強通風；如果開挖工作面回風流中瓦斯?jié)舛却笥诨蚨趸紳舛却笥?.5%以及開挖工作面風流中的二氧化碳濃度達到1.5%時應停止工作，撤出人員，切斷電源，進行處理，制定瓦斯排放措施，嚴格控制送風量；如果開挖工作面風流中的瓦斯?jié)舛冗_到1. 5 %時停止工作，撤出人員，切斷電源，進行處理，制定瓦斯排放措施，嚴格控制送風量；如果開挖工作面內(nèi)，在體積大于0. 5m\S3"；的空間中，其局部積聚瓦斯?jié)舛冗_到2%時應工作面附近20m內(nèi)必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進行局部通風處理，，制定瓦斯排放措施，嚴格控制送風量；如果坑道總回風流中瓦斯或二氧化碳濃度小于0. 5%時應加強通風；如果無瓦斯就正常通風；如果有其它有害氣體濃度，如超標則加強通風，如未超標則正常通風。鉆孔施工完成后對前方煤巖體的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出流量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)進行測定考察，并計算出隧道在開挖過程中可能產(chǎn)生的瓦斯涌出量。瓦斯壓力考察采用當今世界上最先進的主動式快速測壓方法，其測壓時間僅僅相當于傳統(tǒng)測壓方法的0. 56%，測壓準確率和成功率都遠遠高于傳統(tǒng)的測壓方法。鉆孔瓦斯涌出量，以及鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)采用容積式流量計進行測定計算。2.開挖方案III級圍巖采用全段面法、IV級圍巖采用臺階法、V級圍巖采用大拱腳臺階法開挖， 利用多功能臺架人工手持YD8風鉆濕式鉆孔；全隧采用防暴型發(fā)爆器起爆，使用煤礦許用炸藥及煤礦許用瞬發(fā)電雷管，光面爆破。含煤地層地段炮眼應采用水炮泥封堵，既可減少殘眼，又可使爆破少產(chǎn)生火花，減少瓦斯危害。放炮后，用水霧降塵器噴霧撒水。3.出碴方案本隧道采用無軌運輸出碴。洞內(nèi)開挖爆破后采用2臺ZL50C型正裝側卸裝載機同時裝碴，SY215挖掘機配合，15T自卸汽車運輸出碴。出碴面設置噴水裝置，對碴體灑水，防止出碴過程中，挖機斗齒與碴體發(fā)生碰撞引起的火花爆炸。4.初期支護方案采用濕噴砼。鋼格柵、鋼筋網(wǎng)等構件由洞外加工成半成品，經(jīng)洞外檢驗后現(xiàn)場安裝定位，按規(guī)范搭接。IV級圍巖地段設拱墻格柵鋼架及拱部Φ42超前小導管或錨管加強支護，V級圍巖地段設全環(huán)120工字鋼鋼架或全環(huán)格柵鋼架及拱部Φ42超前小導管加強支護。全隧拱部144°范圍設置組合式中空錨桿。錨桿施工采用簡易臺架配合YD8風鉆鉆孔，安裝錨桿和鋼筋網(wǎng)。噴射砼采用TK500濕噴機噴射砼。鋼架、小導管、鋼筋網(wǎng)等采用在洞外加工成型后，汽車運至洞內(nèi)進行安裝。5.襯砌施工方案本隧道洞身V級、除IV級A型復合式襯砌的其他IV級復合式襯砌及III級下錨段襯砌采用C35鋼筋混凝土，IV級A型復合式襯砌及III有仰復合式襯砌采用C35纖維混凝土， D3K76+350 D!3K76+590段采用全封閉復合式襯砌C35氣密性鋼筋混凝土。隧道襯砌采用1臺12米長穿行式模板襯砌臺車，砼由拌合站集中拌制，配備4臺 9立方砼罐車運輸，泵送入模。仰拱超前洞身襯砌20m左右施工，采取縱向分段一次性澆灌，配置2座12米簡易棧橋施工，每次澆注長度控制在6m以內(nèi)，仰拱和仰拱填充分開施工。6.防排水施工方案防水板鋪設采用熱楔無損焊接，無釘鋪設工藝施工。隧道排水采用雙側溝加中心溝的方式。襯砌背后的積水通過環(huán)向和縱向盲管的匯集后引入側溝，再經(jīng)過側溝的匯集和沉淀后通過橫向飲水管引入中心溝，再由中心溝排出洞外。隧道襯砌分段澆注的砼施工縫采用遇水膨脹橡膠、止水帶進行加強防水處理。在砼結構施工縫處，沿結構厚度的中心線將止水帶的兩翼分別埋入結構中。襯砌背后設置排水盲管、止水帶按設計人工安設。7.施工通風方案本隧道采用壓入式通風，在洞口設置2*135kW的軸流風機SDZ-125型兩臺，配直徑 180cm風筒。風機安裝在距洞口 30米處，風機設置雙回路電源；成立專業(yè)通風小組，加強通風管理。根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》，為確保施工安全，通風方案設計時本隧通風瓦斯?jié)舛劝?. 5 %考慮。瓦斯隧道在施工期間，設專門的通風管理機構，負責通風系統(tǒng)各種設備的管理和檢修，定期測試洞內(nèi)風速、風量、氣溫、氣壓、瓦斯?jié)舛鹊炔⒆鞒鲈敿氂涗?。通風量計算(1)運■車輛功率為206kw，配3m3/min風量Q = PXNXff = 3X6X206X0. 75 = 2781 (m3/min)裝載機:3X2X162kwX0.7 = 729 (m3/min)內(nèi)燃機械需風量為Q = 2781(m3/min)+729(m3/min) = 3510(m3/min(2)按一次爆破最大炸藥用量驗算工作面風量計算Q = ^G(AL)2Q 工作面風量t 洞內(nèi)排煙時間(取20min)G 同時爆破的炸藥量(G = 350kg)A 巷道斷面積(按出碴斷面取25X6 = 150m2)L 巷道長或臨界長度，取60mρ = 7.8/20 χ 050 χ (150 χ 60)2 =1189m3/min
權利要求
1.一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于包括如下施工工藝1)、超前地質探測；2)、開挖施工；3)、出碴；4)、初期支護；5)、襯砌施工；6)、防排水施工；7)、施工通風；8)、施工供電；9)、煤系地層坍方處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述煤系地層坍方處理中，坍方段的處理分三階段進行，第一階段先進行地質探測預報，初步確定坍方段的長度、高度及圍巖情況；第二階段進行坍方范圍內(nèi)的瓦斯探測及排放；第三階段進行初期支護拆換及坍方處理。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述坍方處理時，采用如下處理辦法(1)加固封閉坍方虛碴；(2)坍腔瓦斯治理；(3)施作超前支護；(4)拆換坍方段及影響范圍的初期支護。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述步驟(1)中，采用Φ42注漿小導管對坍方體虛碴進行加固，長度為6米，間距50X50厘米，梅花型布置，小導管采用Φ 42無縫鋼花管，鋼花管上鉆注漿孔，孔徑Φ 8mm，孔間距15cm，呈梅花型布置，搭接長度2. 0米，鋼花管距孔口段1. Om不鉆花孔作為止?jié){段，用C25噴射砼20厘米厚將掌子面封閉。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述步驟(2)中，在坍腔底部濕式鉆孔，采用局扇向鉆孔處吹風，孔鉆好后，埋入Φ42小導管，小導管端部伸入坍腔頂部，采用高壓風管向坍腔內(nèi)送入高壓風，不斷稀釋瓦斯，并將其擠出坍腔， 在坍腔瓦斯?jié)舛冉档桨踩秶鷥?nèi)后，注漿充填坍腔。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述步驟(3)中，a.超前支護采用Φ108管棚一次施作到位，長度為30米，環(huán)向間距為40厘米，外插角為3°，在拱頂144°范圍內(nèi)布置，每節(jié)長度為1.0m，采用絲扣連接套連接，錨桿上鉆注漿 ？L孔徑Φ 10mm,孔間距15cm,呈梅花型布置，距孔口段2. Om不鉆孔作為止?jié){段；套拱為兩榀工22b型工字鋼架，間距1. Om ；b.超前支護第二層Φ42小導管每次施作長度3.5米，向上傾角10° 12°，搭接長度1. 5米，環(huán)向間距為40cm，管孔口位置設置于超前支護Φ 108大管棚之間，在拱頂144° 范圍內(nèi)布置，每節(jié)長度為3. 5m，環(huán)向拱部設置組合中空錨桿，邊墻采用Φ 22砂漿錨桿，呈梅花型布置；c.徑向注漿在初噴砼強度達到設計強度的70%后采用組合中空錨桿徑向注漿，長度為細，在拱頂 144°范圍內(nèi)布置；
7.根據(jù)權利要求3所述的一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，其特征在于所述步驟(4)中，a.采用18號工字鋼臨時支護，鋼架間距為1米，縱向連接采用Φ 22螺紋鋼彎鉤連接， 環(huán)向間距為1米；CN 102536250 Ab.拱部采用4米長的Φ22組合中空錨桿(注漿)對圍巖系統(tǒng)加固，錨桿間距 120cmX IOOcm ；c.采用光面爆破爆掉原有的初期支護，局部欠挖部位用風鎬鑿除；d.采用V級加強襯砌斷面，重新施作初期支護，工20b型工字鋼0.6米/榀安裝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖溶與瓦斯共生隧道施工方法，包括如下施工工藝1)超前地質探測；2)開挖施工；3)出碴；4)初期支護；5)襯砌施工；6)防排水施工；7)施工通風；8)施工供電；9)煤系地層坍方處理。本發(fā)明既保證了施工安全，又能滿足隧道的施工質量。本發(fā)明主要應用于巖溶與瓦斯共生隧道施工中。
文檔編號E21F1/00GK102536250SQ20101062350
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者劉海濤, 楊梅, 王才業(yè), 韋建華, 魏力立 申請人:中鐵二局第三工程有限公司, 中鐵二局股份有限公司