穿越煤系地层高瓦斯隧道关键施工技术

来源:用户上传      作者:阮小勇

　　以都江堰至四姑娘山山地轨道交通中的观音坪隧道为工程依托，由于隧道穿越含有高瓦斯及其他有毒有害气体的煤系岩层，运用BIM技术所构建的三维地质模型，能够真实把握掌子面及周边区域内的施工区域地质状况、埋深等状况，为施工计划的制订提供了可信的技术基础，保证施工安全。通过三元素法对隧道施工风险源进行识别和评价，得到高瓦斯问题为隧道面临的最大风险。针对隧道高瓦斯问题和观音坪隧道工程实际，建立了一套完善的隧道瓦斯监测体系和瓦斯超限处理流程。
　　煤系地层 高瓦斯BIM技术风险源识别瓦斯监测与超限处理
　　
　　
　　RUANXiaoyong
　　（Sinohydro Bureau 7 Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province，611134 China）
　　Based on the Guanyinping Tunnel in the mountainous rail transit between Dujiangyan and Siguniang Mountain， and according to the characteristics of the tunnel passing through coal-measure strata rich in gas and other toxic and harmful gases， a three-dimensional geological model of the tunnel is established by BIM technology， and the master is controlled in real time. The surrounding rock geological conditions and burial depth in the surrounding area of the surface can provide a reliable basis for the determination of the construction plan and ensure the safety of the construction. The three-element method is used to identify and evaluate the risk source of tunnel construction， and it is concluded that the high gas problem is the biggest risk faced by the tunnel. In view of the high gas problem in the tunnel and the actual situation of the Guanyinping Tunnel， a complete set of tunnel gas monitoring system and gas over-limit treatment process have been established.
　　Coal measure strata; High gas; BIM technology; Risk source identification; Gas monitoring and over-limit treatment
　　都江堰至四姑娘山山地道交通是四川省川西高原交通体系首个落地的建设项目，是四川着力建设的轨道交通旅游观光试点工程，也是国内首条山地轨道交通工程。观音坪隧道位于都四山地轨道工程的都江堰市区内，紧邻都江堰风景区。隧道穿越煤系地层，该地层自稳性差、节理发育，且富含烃源岩，瓦斯含量高。在该地层条件下修建隧道，将面临瓦斯泄露危害人员安全的风险。目前，国内已有许多学者对此类工程有过研究，匡亮等人通过研究国外矿山、公路和地铁隧道的瓦斯等级分类，根据隧道断面规模、需风量和有害气体含量等因素指标给出铁路瓦斯隧道级别分类指标。韩永胜等人以高速公路隧道所经过的煤矿采空区为研究对象，制定了采空区瓦斯危险性评估指标体系。胡开保针对施工期间的花岗岩隧道瓦斯监测及关键控制技术进行了研究。武文娟针对瓦斯隧道通风设计问题，阐述了不同类型瓦斯隧道的通风方案选用原则。解小伟以实际瓦斯隧道施工为例，对超前地质预防措施进行了分析，然后对具体的施工主要技术进行研究。许丹丹详细阐述了穿越煤层长瓦斯隧道施工通风的特点及方法。该文以实际工程为依托，从BIM技术、风险源预测、瓦斯监测控制等方面出发，研究煤系地层高瓦斯隧道的安全施工技术。

nlc202211301640

　　
　　观音坪隧道位于都江堰市龙池镇，隧道全长4575m，穿越富含烃源岩的煤层或煤线，隧址区砂岩为低孔～低渗储层，瓦斯气体主要通过节理、断层进行转移。隧道瓦斯浓度最大7.18%，估算瓦斯涌出速度为2.26m/min，且穿越的煤系地层岩性较差，属于五级围岩。传统的隧道施工方法必然不能满足施工安全及施工质量，需根据隧道工程实际制定针对煤系地层的施工方案和系统性的瓦斯监测方案。
　　
　　针对隧道工程与围岩地质情况密切相关的特点，在隧道工程中广泛运用了BIM技术，将通过测绘技术实现的隧道地貌建模和隧道主体模拟结合，得以真实把握掌子面及周边区域内的围岩地质状况、埋深等状况，为工程规划的编制建立了可信的技术基础，确保了工程安全；数据化隧道BIM模式，极大增强工程量计算能力、预算管理能力、预算的真实性，降低数据偶然性带来的错误、提升施工效率。
　　
　　将处理完毕的不同层级地质信息，以及该区域所存在的煤系地层信息整合为一体，形成隧道地质BIM模型，如图1所示。实施中通过查询精确的地质模型，即时掌控掌子面周边区域内的建筑区域地质情况、埋深等数据，为施工计划的科学制订建立良好的基础，确保建筑质量与工程进度，同时将工程建设信息反馈至BIM平台，可视化呈现。
　　
　　参数化隧道BIM模式中，能按照不同的衬砌段数、桩号制作工程量报告，并以常见的图表方式传递，极大增强了工程量计算、成本分析、估算等的精确度，从而降低了数据偶然性所造成的误差、提升效率。结合BIM和信息化技术，通过施工虚拟、工法转换分析、调度、工期预估等功能，为实现施工材料的合理配置、优化、现场管理、投资及安全控制等方面的功能奠定数据基础。
　　
　　通过三元素法，对观音坪高瓦斯隧道建设过程中产生的危险源进行了危险性评估与分类，计算公式如下。
　　=××（1）
　　式（1）中，樽钪占扑闼得风险值；为发生风险事故的概率值；为人在风险环境中暴露的频次；为风险事故引发的灾害严重程度。
　　基于上述三个要素，查表选择相应的数据（见表1、表2），并分析得出所有风险的风险值，最后确定风险等级并选择风险控制措施。
　　
　　结合前文风险源预测分析，高瓦斯问题是观音坪隧道所存在的特别重大问题，因此按照隧道实施中对瓦斯泄漏控制的有关规定，根据辅助坑道的特性，以自动监测为主，辅以人工检测，并在瓦斯容易集聚的部位如掌子面及模板台车上部位置安装监测报警仪器，当监测到的瓦斯浓度≥0.3%时，自动报警；瓦斯浓度≥0.5%时，断开作业线供电，暂停施工，并安排工作人员撤离。
　　
　　隧道瓦斯自动监控系统采用的是KJ90NA自动监测装置，该探头安装位置可以实时反映隧道风流中的最高瓦斯浓度。当监测到瓦斯浓度≥0.3%时立即报警，隧道自动报警装置采用声、光连动形式设计，在瓦斯浓度≥0.5%后断开电源并进行瓦电闭锁。
　　
　　系统结构如图2所示，地面中心站作为自动监控系统的神经中枢，主要进行管理、并即时提供和保存隧道施工的环境状态参数。其一般由控制计算机、监测控制软件、数据交互接口以及其他的周边辅助设备等构成，还包括了防爆装置；分站主要负责给传感器供应电力和收集传感器信息，同时也将数据信息传递给地面计算机；传感器主要负责监测隧道的施工环境，传感器的类型多样，包括甲烷吸附量、一氧化碳、风流速度、风压、温湿度、启停、馈电等；控制器主要执行系统断电，在瓦斯超限时可以接收由分站发出的断电指令，断开对隧道施工供电，从而避免意外事故的出现。
　　
　　该文所述的系统，主要是通过收集隧道的甲烷含量、一氧化碳含量及风机运行状态等参数，在地面机房实现24 h连续监测；并在上述参数超限的情况下自动发出报警信号，并断开工作电源，从而实现在隧道内安全施工的目的。自动监控系统工作原理如图3所示。

nlc202211301640

　　
　　根据隧道的施工实际和通风方法，甲烷传感器的安设部位是动态变化的，瓦斯监测人员在隧道施工前进过程中，在通风方法不同的情形下，进行监测系统管理、维修，以及甲烷传感器、风速传感器等的校验、更新等技术业务。另外，为对隧道内的瓦斯情况进行实时动态监控，瓦斯监测人员24h不间断上岗工作，对监控系统实施护理以及对监测数据的整理、收集、统计分析等，从而为施工现场的安全工作提供可信的瓦斯参数依据。
　　
　　人工检测人员使用便携式的瓦斯监测报警仪和防爆光学甲烷测定仪。防爆光学甲烷测定仪由专职的瓦斯检测员使用，检测作业人员以及安检员、工班长进洞时随身携带便携式瓦检仪。为避免人工检测时发生意外，瓦斯检测人员应在开挖工作面的各种风流、回风流10～20m内进行检测，同时对局部塌方冒顶处、掌子面顶部等瓦斯易聚集部位进行检测。
　　在隧道中对瓦斯等有害气体进行人工检测的频次，在一般施工作业地区的各检测点每班至少检测3次，对电焊作业、防水板焊接作业、塌方冒顶等特殊工序施工和重点防控部位，应当做好全过程监测；对所有通风死角的检测点每班入洞保证检测一遍，对瓦斯浓度大于0.3%的部位，应当加强检测，瓦斯浓度的测定应在隧道风流的上部。对瓦检人员应当做到“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”。
　　
　　
　　根据《铁路瓦斯隧道技术规范》的相关规定，隧道内瓦斯浓度限值及处理措施应符合表4规定。
　　
　　瓦斯超限将会带来严重的事故后果，为了确保瓦斯超限时能够自主快速处理，并采取有效预案，防止发生进一步的事故，现场制定了一套严格的瓦斯浓度处理流程，隧道内瓦斯浓度一旦超限，现场技术人员将马上上报负责人并启动瓦斯应急预案，同时在超限现场组织撤离人员、人员救护、工程检修，当安全技术人员确定现场危险完全排除后，方才进行复工。瓦斯超限时按制定的排放瓦斯安全措施分级进行排放瓦斯工作。
　　其他地点瓦斯浓度≥0.5%时，由架子队负责人负责组织排放瓦斯工作。隧道内作业范围内瓦斯超限浓度在0.8%～3%时，由架子队主任现场负责排放瓦斯工作。隧道内作业范围内瓦斯超限浓度超过3％时，由矿山救援队进行瓦斯排放工作。
　　
　　煤系地层隧道施工面临着严峻的高瓦斯问题，为保障施工安全，该文阐述了相关的施工技术，包括地质BIM模型指导施工、风险识别与分析、瓦斯监测体系以及瓦斯超限处理流程，形成了较为完整的瓦斯隧道安全控制体系，相关施工经验可为类似工程提供参考。
　　
　　[1]匡亮，张俊云，张振强.铁路瓦斯隧道等级划分方法研究[J].铁道工程学报，2017，34（8）：73-77.
　　[2]韩永胜，赵文峰，高国红，等.公路隧道施工中瓦斯危害性评价体系[J].土木工程与管理学报，2020，37（6）：57-63.
　　[3]胡开保.花石崖隧道瓦斯监测与施工关键技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2019.
　　[4]武文娟.瓦斯隧道施工通风技术探析及应用[J].工程与建设，2022，36（3）：754-756.
　　[5]解小伟.大断面复杂地层瓦斯隧道施工技术研究[J].交通世界，2022（13）：46-48.
　　[6]许丹丹.穿越煤层长瓦斯隧道施工通风技术研究[J].资源信息与工程，2022，37（2）：73-76.
　　[7]中F五局有限公司.铁路瓦斯隧道技术规范：TB 10120-2002[S].北京：中国铁道出版社，2002.

nlc202211301640

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15442786.htm