引水隧洞敞开式TBM穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER1第 39 卷第 8 期0 引言我国在煤矿、铁路及公路等浅埋隧洞瓦斯处理施工技术已趋于成熟，并形成了瓦斯隧洞施工规范标准等。但在水利工程行业，大多数为超深独头长距离引水隧洞，勘查设计深度往往不足，无法精准预报煤系地层，敞开式 TBM 设备设计制造时均未考虑瓦斯因素，相关设备设施等按照常规非防爆设备配置，暂无标准施工技术规程及成熟施工经验，因此，研究总结引水隧洞敞开式TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术，对于高瓦斯煤系地层连续不良地质段施工效率与施工安全尤为重要。1 工程概况北疆供水二期工程总长 540 km，隧洞占总长度的 95.6%，均为深埋超特长隧洞1，某标段包括：21.2 km 长的主洞，采用 TBM 施工，整机长 215 m，隧洞埋深 380 688 m，掘进成洞直径7 m，本工程 TBM 设备历时 2 个月组装完成，施工中平均月进尺 552 m，最高月进尺 1 138.42 m，于2022 年 10 月 31 日实现隧洞精准贯通，施工中遭遇高瓦斯煤系地层及连续极端不良地质段等难题，技术特点为：TBM 为非防爆设备、无相关施工规范、同时有甲烷溢出2，存在瓦斯突出风险、叠加软弱煤系地层不良地质、段落分布长、瓦斯超标随机性、突发性突出，工程地质情况十分复杂，为国内外 TBM 遭遇高瓦斯煤系地层首例。敞开式 TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工技术表现为“三多”，即瓦斯突出次数多、瓦斯电闭锁断电次数多、瓦斯浓度超标次数多，在穿煤段施引水隧洞敞开式 TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术高发勇，马永涛（中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041）摘要：主要针对敞开式 TBM 安全快速通过瓦斯隧洞及连续极端不良地质段施工技术研究，结合 TBM 机器设备性能及现场实际情况制定切实可行的施工措施进行论述和分析，为敞开式 TBM 快速通过不良地质段提供解决方案和思路。关键词：敞开式 TBM；瓦斯；煤系地层；不良地质中图分类号：TV554文献标识码：B文章编号：1006-3951(2023)08-0001-06DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.001Key Construction Techniques for Open TBM Crossing High Gas Coal Measures Strata in Diversion TunnelGAO Fa-yong,MA Yong-tao(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:This paper mainly studies the construction technology of open TBM for safe and rapid passage through gas tunnels and continuous extremely unfavorable geological sections.This paper discusses and analyzes the development of practical and feasible construction measures based on the performance of TBM machine equipment and the actual situation on site,providing solutions and ideas for the rapid passage of open TBM through unfavorable geological sections.Key words:open TBM;gas;coal measure strata;unfavorable geology收稿日期：2023-05-22作者简介：高发勇（1977-），男，云南大理人，高级工程师，主要从事水利水电建筑施工工作。*2云南水力发电2023 年第 8 期工过程中，共发生瓦斯突出 3 次，瓦斯电闭锁断电 115 次，按照绝对瓦斯涌出量初步计算共排瓦斯约44104 m3，浓度超标600+次（大于0.5%VOL）；“两高”，即瞬时瓦斯浓度高、施工安全风险高，瓦斯最大浓度高达 87%VOL，（瓦斯爆炸浓度区间5%16%）；“一长”即瓦斯洞段距离长，瓦斯隧洞连续长度162 m；“一大”即瓦斯洞段塌腔规模大，穿越高瓦斯煤系地层共发生塌方 6 次，卡机 5 次，最大塌方长度约 24 m，最大塌方深度约 15 m。2 瓦斯隧洞施工关键技术2.1 瓦斯隧洞 TBM 施工程序1）高瓦斯隧洞紧急处理措施：所有人员撤离并关闭设备电源（除抽排水及必要的照明用电外其它必须全部断电）、增大供风量及供风速度，加强通风、在洞口进行封闭，除专业防护人员外，严禁任何人员进入、邀请专家技术指导，研究并制定瓦斯治理方案。2）完善现有通风供电系统，新增刀盘、主梁部位通风管路，增加通风量及达到独立专用双电源，保持独立供电长期通风，风机应安装在洞口外新鲜空气环境中，至洞口距离不得小于 20 m。3）在工作面回风中瓦斯浓度低于 0.3%的条件下，完成瓦斯自动监控系统安装、增加风电闭锁、瓦斯电闭锁系统，实现对瓦斯的实时监控及隧洞内风电联锁、瓦斯电闭锁。4）采用煤矿专用防爆钻机实施超前钻孔排放瓦斯，对 TBM 停机工作面附近瓦斯溢出段以及掌子面前方 20 m 范围的岩层瓦斯钻孔排放，排放剩余量瓦斯绝对涌出量达到小于 1 m3/min 标准；必要时考虑布置瓦斯抽采系统。5）在瓦斯监测系统工作正常，工作面任意处瓦斯浓度低于 0.5%的条件下，使用 TBM 完成该穿煤段掘进支护，瓦斯隧洞 TBM 施工程序见图 1。2.2 加强通风及预防瓦斯滞留的循环风措施瓦斯隧洞重新进行隧洞通风设计计算，通风方案必须满足稀释洞内瓦斯浓度达到设计允许范围以内并及时排出洞外的要求。TBM11-1 瓦斯段通风设备选用功率 2132 kW，最大供风量46.4 m3/s，最大风压4 250 Pa；通风方式采用压入式，风筒直径为 2.2 m；局部设 SLFJ100-2T 防爆射流风机，满足瓦斯隧洞施工通风要求。提出了 1 种敞开式 TBM 穿越煤系地层的防止循环风及加强通风方案，在主梁风筒与三通连接处设置有上出风口，上风筒另一端位于护盾尾部，下风筒另一端位于刀盘内部，连接风筒、出风口、进风口、接力风机、风管存储仓、风管位于 TBM机尾，三通、上出风口、上风筒、下风筒位于TBM 机头，主梁风筒横贯 TBM 整机。见图 2。?图 1 瓦斯段 TBM 施工程序图?图 2 瓦斯治理期间 TBM 主洞段通风布置示意图高发勇，马永涛 引水隧洞敞开式TBM穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术32.3 瓦斯自动监控系统在瓦斯隧洞施工中，主要以CH4为监测指标，采用瓦斯自动监控系统及便携式瓦斯监测仪监测隧洞内 CH4气体的浓度变化情况，建立瓦斯浓度监测双重预警机制。采用 KJ999X 煤矿安全监控系统，地面设备包括主备服务器、WEB 发布服务器、地面核心交换机、KJ999X 系统主软件等；洞内设备主要包括防爆交换机、网关、分站、电源箱、传输线路及各种类型传感器（具备甲烷、风速、开停、断电等功能）。瓦斯自动监控系统布置图见图 3。2.4 瓦斯探测施工根据现场实际开挖揭露地质情况结合施工条件，为了探明前方煤层及已揭露煤层的情况，由于 TBM 工况限制，钻孔设计为放射状四周钻孔，具体探测钻孔分区及布孔位置情况如下。1）钻孔分区。瓦斯探测钻孔分为 3 个钻区，1 号及 2 号钻区为探明已揭露段煤层及瓦斯含量情况，3 号钻区为探明目前掌子面前方 20 m 范围内煤层及瓦斯含量情况。2）布孔方式。为了探明前方煤层及已揭露煤层的情况，设计为四周钻孔，每个区实施超前探测布孔，环向孔距 1 m，孔深初步考虑为穿过煤层10 15 m，结合现场实际施工条件，超前探孔仅能进行倾斜孔，向外倾角控制在 5 15，按照倾角计算，每个孔按照 60 80 m 考虑（具体孔深根据现场实际钻孔情况确定）。3）瓦斯钻孔探测及压力测定。对 TBM 工作面四周钻孔进行瓦斯探测（沿 TBM 刀盘部位四周进行钻孔，环向孔距 1m，孔深为穿过煤层10 15 m）和瓦斯压力测定，测定地点优先选择在岩壁较完整处，选择岩性致密且无裂隙等地质构造处布置测点，在 TBM 护盾后方分别钻测压孔6 个，钻孔直径65 89 mm，穿层测压钻孔应进入煤层顶（底）板 1 m，对于特厚煤层，测压钻孔应进入煤层 1.5 3 m，然后，采用 1 2 水泥浆以及适量膨胀水泥混合封孔，经过 24 h 水泥浆固化达到一定强度，在测压管端头装上球阀，安装压力表，并严格检查测压管与球阀、球阀开关、球阀与压力表接头等处不漏气。观测时间 20 d 以上，如果压力变化在 3 d 内小于 0.015 MPa，测压工作即可结束；否则，应延长测压时间。测得的最大压力即为煤层瓦斯压力。4）瓦斯钻孔排放。钻孔后对孔内瓦斯进行排放（瓦斯排放孔使用钻机型号为 ZLJ-700 及ZDY1600，其中钻机 ZLJ-700 布置在 TBM 主梁上部，ZDY1600 钻机布置在主梁下部钻场，钻孔直径75 mm 和94 mm，钻孔深度穿过煤层 10 15m，钻孔设计为四周打孔，环向间距1 m；待钻孔完成后，退出钻杆及钻头，将钻头更换为108 mm 扩孔，扩孔深度 5 8 m，扩孔完成后再次退出钻杆、钻头，为防止孔口塌孔减少后期搬钻、稳钻等工作量，将 5 8 m 孔口管连图 3 瓦斯自动监控系统布置图?4云南水力发电2023 年第 8 期接牢固后使用钻机推送至扩孔段最前端，若排放孔孔内围岩条件不好，孔口破碎，或者孔内塌孔，需要套管跟进，在该段范围内设置89 mm，厚6 mm 的无缝钢管，防止塌孔，之后退出所有钻杆，更换75 mm钻头透孔，确保瓦斯钻孔排放效果。2.5 恢复掘进措施瓦斯隧洞恢复掘进前主要采取“三加强”措施，即加强通风、加强雾化、加强监测。1）加强通风。保证供风稳定可靠，将新鲜风供至以下 3 处：进人口刀箱内、TBM 主梁上部、TBM 主梁下部，同时保持主梁上部的皮带通道上盖口敞开，形成回风通路，防止瓦斯积聚。2）加强雾化。保证以下3处喷雾雾化效果良好：刀箱内喷雾、进人口以内 2 m 处皮带孔处全断面喷雾、喷混桥靠近刀盘方向边缘处全断面喷雾。3）加强监测。保证监测监控系统正常运行，实现报警断电功能灵敏可靠的同时，在 TBM 护盾后方巷道高顶悬挂 3 台便携式瓦斯浓度监测报警仪，采取监控系统和人工监测相结合的双重监测预警机制，确保 TBM 安全掘进。2.6 非动火支护措施瓦斯段施工严禁一切动火作业，因此，对传统焊接支护工艺进行革新，采用 1 种用于敞开式TBM 穿越瓦斯隧洞施工的支护装置，包括：装配式拱架，装配式锁脚锚杆；其中装配式拱架包括：HW150 型钢钢支撑、钢筋环、短钢筋、钢筋排（根据围岩情况采用16、20 或22 钢筋）、钢丝、HW125 联系型钢等。将联系型钢两端分别与两榀相邻钢支撑一端的翼板通过螺栓固定连接，钢支撑另一端翼板与短钢筋固定连接，再将钢筋环分别与钢筋排和短钢筋固定连接。装配式锁脚锚杆包括：钢支撑、锚杆、锚杆垫板、L 形垫板，所述钢支撑左右两侧设置有锚杆，锚杆一端插入岩壁，另一端依次穿过锚杆垫板和 L 形垫板，再与螺母配合连接，锚杆垫板上表面与钢支撑一端固定连接，锚杆垫板下表面与 L 形垫板两端固定连接。综上方式形成装配式联合支护体系，安全牢固可靠。2.7 瓦斯隧洞安全管理措施1）完善安全保证体系、瓦斯隧洞瓦斯事故应急措施3及专项应急预案并开展现场应急演练。2）强化瓦斯的检测、监测工作，建立瓦斯浓度超标实时预警机制。3）做好高瓦斯段隧洞通风设计，加强通风，必须保证通风 24 h 正常工作。4）完善备用电源措施、柴油发电机备用电源必须满足应急通风、照明、抽排水需求。5）对所有进洞人员进行安全技术教育，普及瓦斯基础知识及防护理论。6）建立进洞登记及门岗检查制度4，严禁携带火种及可能产生火花的物品入内。7）进洞人员统一穿着防静电服装，统一在洞口采用静电消除器消除随身静电。8）针对后续施工过程中可能发生的瓦斯突出或爆炸等重大灾害事故，为最大限度的降低危害 程度和减少经济损失，保障人员安全，制定隧洞瓦斯事故应急措施5。3 不良地质段施工关键技术3.1 不良地质段概述TBM 在施工过程中多次遭遇不良地质洞段，露出护盾的岩石软弱破碎，刀盘及护盾顶部大量碎石积压，施工过程中经历 TBM 刀盘及护盾前方及顶部较大规模塌腔、设备卡机、高瓦斯煤系破碎地层、刀盘内“结泥饼”、护盾后钢拱架支护区域钢筋排变形、局部较大渗涌水等多次不良地质条件。3.2 极端不良地质段处理程序及关键技术1）先对出护盾段变形钢支撑采取加固处理措施。2）使用化学灌浆（充填发泡固结型）组合聚醚多元醇，对护盾上部松散体进行加固6,在TBM 护盾顶部形成 1 层致密固结包裹层，隔离保护护盾及刀盘，防止后续灌浆时浆液渗流进入刀盘或护盾。3）刀盘正前方采用 M25 砂浆对塌腔松散堆积体进行固结，注浆效果不理想时可适当降低砂浆稠度或辅助采用 0.5 1 的水泥浆进行灌浆。4）刀盘及护盾顶部根据塌腔深度不同，回填处理可采用 C30 喷护混凝土、M25 砂浆或轻质混凝土7，若出现轻质混凝土从刀盘及护盾间隙流出时，先采用化学灌浆（充填发泡型）组合聚醚多元醇对间隙进行充填封闭。5）顶拱 120范围施做超前管棚，管棚长度高发勇，马永涛 引水隧洞敞开式TBM穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术530 m，若成孔困难可分段注浆后再钻孔。上述步骤 1 5 处理程序见图 4 所示。?图 4 TBM 不良地质段处理程序示意图3.3 不良地质段 TBM 恢复掘进关键技术3.3.1 TBM 撑靴通过采取措施1）遇隧洞洞壁承载力过低、无法提供撑靴支撑反力时8,人工在撑靴部位破碎带清理出足够撑靴撑紧的范围，清理深度按照 1 m 控制。2）注 装22 mm，L=3 m 砂 浆 锚 杆 或25mm，L=3 m 自进式中空注浆锚杆进行加固处理，锚杆间排距按照对应围岩类别设计参数实施。3）人工安装木模板，采用 C30 喷射混凝土进行浇筑、待强。3.3.2 应对泥浆糊刀盘及泥浆量大的措施TBM 连续断层破碎带由断层泥、糜棱岩及少量碎裂岩填充，并伴有线状流水现象，主要出渣全部是泥浆，整个刀盘被泥浆糊死、主机 1 号皮带落渣口易堵及刀箱内泥浆较多造成皮带频繁压停现象，主要采取如下措施。1）根据本工程 TBM 刀盘的结构设计，共计布设 6 个铲牙口（收渣口），常规设计开口率为8%12%，采用厚2 cm的钢板将铲牙口开口封堵，减小铲牙口的开口率，降低进渣速度，以解决泥浆量过大造成主机皮带压停问题。2）安排专人随时关注刀盘情况，与设备操作室随时保持联系，出现刀盘被泥浆糊死或皮带压停时及时停止刀盘转动，人工通过主梁上部 1 号皮带检修孔进入收渣口对泥浆积渣进行人工清理后再恢复试掘进。3.3.3 TBM 恢复掘进采取措施1）由于断层中伴有线状流水，刀盘转动后形成泥浆，刀盘内部进行喷水，采用干推施工。2）采用“人工及时清理积渣”的方式进行缓慢掘进通过连续不良地质段。3.3.4 TBM 施工支护措施调整1）钢支撑。不良地质段支护全部加强为HW150 全环型钢支撑，榀距 45 cm，钢拱架支架联系型钢采用 HW125 型钢，环向间距 1 m，纵向连接型钢单根长度及环向间距可根据现场实际情况调整。2）锚杆。该段岩性主要为断层泥、糜棱岩及少量碎裂岩，岩体极度破碎，系统砂浆锚杆成孔困难，调整为自进式中空锚杆（25 mm，L=3 m），锚杆间距 1.2 m，排距 0.9 m。3）钢筋排。不良地质段顶拱 270范围设置钢筋排，为了保证钢筋排与钢支撑形成整体，根据钢拱架榀距不同，钢筋排单根长度为 1.5 m/根、2.25 m/根两种规格，钢筋排与之间搭接长度不小于 20 cm。4）喷混凝土。喷混凝土采用 C30W10F50 混凝土，V 类围岩顶拱 270范围，厚度 18 cm；IV类围岩顶拱 270范围，厚度 15 cm；撑靴部位提前采用 TBM 设备应急喷进行立模喷护或浇筑。5）不良地质段掘进支护施工期需加强对该段收敛及变形监测，一旦发生超过预警值的收敛或变形，及时通知参建各方，确定加强支护措施。4 实施效果4.1 实施工期及效率2020 年 1 月 12 日 TBM 因瓦斯浓度超标停止施工，TBM 停工时结束桩号为 KS265+279，贯通6云南水力发电2023 年第 8 期出洞桩号为 KS264+785.9，停工时距离 TBM 贯通出洞剩余 493.1 m。原计划剩余段 493.1 m 通过接应洞500 m 级超深竖井作为施工通道，配置正井法成套提升系统，改用传统钻爆法进行施工，按照钻爆施工平均日进尺 3 m/d，提升系统建设工期 2 个月，采用钻爆法完成剩余段 493.1 m 施工需要 225 d。通过敞开式 TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工关键技术研究及应用，在隧洞内安设 1 套瓦斯监控系统，进行 TBM 穿煤段隧洞探测及排放，待探测及排放至设定浓度后仍采用 TBM 进行掘进施工。实际采用 TBM 法施工至顺利贯通，消耗工期94 d，工期较原计划提前 131 d，经简易计算，施工成本节省约 1 500104元。4.2 安全状况及监测数据通过施工期临时安全监测数据显示，TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工洞段累计沉降值为 31 mm，日最小变化速率为 0 mm；累计收敛值为 8.7 mm，日最小变化速率为 0 mm，根据 SL 377-2007水利水电工程锚喷支护技术规范中 4.2.7 节规定未达到安全允许限值，监测数据均在安全范围内，隧洞稳定可靠。TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工通过研究制定并严格落实瓦斯隧洞防爆措施、揭煤安全技术措施、人员培训交底管理措施及洞口安全管理措施等，定期开展应急演练，形成一套瓦斯隧洞安全管理技术，本工程 TBM 高瓦斯隧洞穿煤段施工中未出现人员伤亡和设备损坏情况，安全管理受控，TBM 安全顺利贯通，项目团队及主要参与人员得到了建设单位授予的安全生产应急处突先进称号。5 关键技术总结1）建立瓦斯自动监测、风电闭控、瓦斯电闭锁系统9，实现 TBM 穿越瓦斯隧洞瓦斯自动监控系统实时、快速、定量信息采集技术，指导瓦斯隧洞施工。2）研究并成功应用 TBM 穿越高瓦斯煤系地层加强通风、钻孔排放综合治理技术，实现瓦斯隧洞 TBM 掘进施工的安全高效完成。3）优化瓦斯隧洞 TBM 支护体系，发明 1 套非动火作业条件下装配式组合支护装置，实现瓦斯隧洞高效支护。4）引进新型化学灌浆材料保护护盾，轻质混凝土分层回填塌腔体施工技术，实现不良地质段安全、可靠施工。6 存在不足及建议通过引水隧洞敞开式 TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工技术研究，较为理想的解决了施工中面临的实际难题，施工技术研究及工程应用效果理想，但同时也存在研究深度不足。1）建议后续类似工程TBM设备选型设计阶段，采取设备搭载短期超期地质预报系统与超前钻机钻孔验证相结合的方式，提前做好不良地质段综合研判，针对敞开式 TBM 超前进行不良地质段注浆固结预处理，尽量避免敞开式 TBM 直接进入极端不良地质段。2）不良地质段施工时管棚外插角度较大，超前支护效果不明显，建议后续工程采取 TBM 设备在护盾部位预留超前管棚孔等方式解决该问题。7 结束语伴随着国家水网主骨架不断构建及清洁能源不断发展壮大，水利行业深埋长距离独头隧洞及抽水蓄能工程等采用敞开式 TBM 施工必将成为未来工程发展主流趋势，通过本工程研究应用，在引水隧洞敞开式 TBM 穿越高瓦斯煤系地层通风技术研究、瓦斯监控及瓦斯治理、支护形式优化设计及安全管理等方面总结出一套全面的、系统性的技术理论和关键技术，弥补了 TBM 穿越高瓦斯煤系地层施工技术的空白，具有可靠的安全性和较高的现场实用性。参考文献：1 邓铭江，谭忠盛.超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析 J.隧道建设：中英文，2019，39（1）:1-22.2韩光钦.煤系地层不良地质条件下隧道施工技术研究J.公路，2016，61（1）:234-237.3邵俊涛.瓦斯隧道的施工安全技术J.世界隧道，1999,（3）:53-58.4刘国虎.TBM 安全快速通过不良地质段施工技术J.山西水利科技，2021,222（4）:25-28+37.5 邱云安，张昌勇.铁路隧道瓦斯事故预防措施研究 J.中国铁路，2009,（7）:26-28.6曲长海，教传杰.敞开式 TBM 穿越高浓度瓦斯煤层破碎带施工技术探析J.东北水利水电，2021，39（11）:12-15.7吴楠.TBM 通过连续不良地质段处理措施J.中国水运：下半月，2022，22（7）:102-104.8徐虎城.断层破碎带敞开式 TBM 卡机处理与脱困技术探析J.隧道建设：中英文，2018，38（S1）:156-160.9滕春俑，康斌，彭飞，等.TBM 在煤系地层瓦斯及不良地质条件下的施工技术J.云南水力发电，2022，38（2）:151-154.