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第３５卷第５期 ２００６年１０月 贵州工业大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＩＺＨＯＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＹＥＣＨＮＯ Ｙ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ．２００６ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 文章编号：１００９—０１９３（２００６）０５—００８８—０４ 镇胜高速公路孙家寨煤层隧道施工技术 肖锡庄 （贵州省公路桥梁工程总公司，贵州贵阳５５０００１） 摘要：随着目前国内高速公路建设的快速发展，隧道在高速公路中的应用日益增多，在煤系 地层地段进行隧道施工尚无成熟的施工安全控制措施，详细介绍孙家寨煤层隧道成功的施工 控制技术，对今后类似工程的施工有一定的借鉴作用。 关键词：煤层；隧道；施工；技术 中图分类号：Ｕ４４３．１６ 文献标识码：Ｂ １ 工程概况 镇（宁）胜（境关）高速公路孙家寨隧道位于贵州省安顺市关岭县永宁镇孙家寨，是一座上下行分离的四 车道高速公路中隧道，左线长５３３ ｒｎ，右线长５２８ １ＴＩ．隧道进口洞门为弧型端墙式，出口洞门为台阶式。在隧 道出口段局部地段顶板及洞身处于残坡积土层及全强风化岩层中，岩质软，遇水易软化，隧道开挖后易产生 崩塌。地质调查发现在孙家寨隧道左２００ ｒｎ的坡下，沿煤层露头线有大小不等的３０余个老窑煤洞，从设计 纵断面看出该隧道ＺＫ３３７＋３４０一ＺＫ３７＋３６０和ＺＫ３７＋５６０一ＺＫ３７＋６００存在两段明显的煤层。２００６年５ 月３０日，孙家寨隧道左洞正常施工开挖至ＺＫ３７＋３３５位置，该位置掌子面围岩为泥质粉砂岩、砂岩夹泥岩 及煤层，由于该岩层密实性较差为瓦斯气体的流动创造了有利条件，根据施工现场的瓦斯检测曲线可以看 出：瓦斯浓度进一步增大，掌子面在停电停风３—４ ｈ后，掌子面出现瓦斯浓度在２．５％以上的现象。该隧道 施工存在严重的揭煤安全，针对该情况通过项目业主和我省部分资深煤矿安全专家现场研究考察并决定启 动该隧道的揭煤安全施工控制技术方案见图１． ” … 一匿 臣固 ｊ臻嚣 挂黼；：；；糕 箱 ｚ Ｈ 朋－＿ －＿Ｈ＆ ＿ｇ０ 签 一＃－ ＃ｔｔ ・ —ｔ＊ —ｔ ・ －＿ ｔ＃ ＩｌＩ ＩｉＩｉ Ｉｉｉ ｊｊｊｊｉｌｌｉ ｊ｛ｊｊｊｉｊｊ Ｉ ｌｌ｛ｌ：｛ ：Ｉ ＩｉｉｉＩｉＩｉｊｉＩｊｉ ｊ ； ｉ ｊ ｉ ｉ ｉ Ｉ Ｉ ｉ ｉ ； ｉ ｉ ｉ Ｉ ｔ，‘ｍ、 ！！ ／ｌ ｊ日ｉｉｉｉｉｊｊｊｊｉ ｊ ｊ Ｉ ｊ ｊ ｉ ｊ Ｉ ｊ Ｉ ｊ ｌ Ｉ ｉ ｊｊｊｊｊ§ｊｊａｊｊｊ Ｉ ｊ ｊ ｊ ｊ ｊ ｉ ｊ ｊ ｊ ｊ ｊ ｊ ｊ ．２ ５ 器 隐 ｌ州 ！ １ Ｉ ：Ｊ 器 Ｓ６—１－４—１ ， 左蛙（地质）纵断面设计图 图１纵断面设计图 收稿日期：２００６—０９—１０ 作者简介：肖锡庄（１９７６一）男，在读工程硕士，工程师，现从事工程公路桥梁工程项目管理 维普资讯 http://www.cqvip.com
第５期 瓦 肖锡庄：镇胜高速公路孙家寨煤层隧道施工技术 ８９ 王 ＋ ………～ Ｉ ｔ于面瓦斯睢廛ｌ 目风 斯堆廛Ｉ …ＺＫ３７＋７ｌ３ ＺＫ３７＋６５３ ＺＫ３７＋５９３ ＺＫ３７＋５３３ ＺＫ３７＋４７３ ＺＫ３７＋４ｌ３ （２００６ ４ １５）（２００５．１己．Ｉ６）（２００６．１，２８）（２００６ ３ ７） 号（日期） 里程 ＺＫ３７＋３５３ （２００６ ５．２３） 图 ～～ ｔＩ：Ｆ…Ⅲ 斯堆廛■墁… 一一目风 …旅 ■墁 ． 图２孙家寨隧道左洞掌子面里程桩号（日期）瓦斯浓度曲线图 ２主要揭煤安全施工控制技术 ２．１通风控制技术 隧道掘进作业环境应符合下列卫生标准：ａ．坑道中氧气含量按体积计不应小于２０％；二氧化碳浓度不 超过０．５％；ｂ．坑道内温度不宜高于３０。；Ｃ．有害气体浓度：ｄ．一氧化碳（ＣＯ）不大于０．００２４％；ｅ．二氧化氮 （Ｎ０２）不大于０．０００２５％．ｆ、二氧化硫（ｓｏ２）不大于０．０００５％；ｇ、硫化氢（Ｈ２Ｓ）不大于０．０００６６％；ｈ、氨（ＮＨ３） 不大于０．００４％；ｉ．瓦斯（ＣＨ４）按《煤矿安全规程））２００４年版有关规定（正常作业应小于０．５％）；ｊ．粉尘浓度： 含１０％以上游离二氧化硅的粉尘，每ｍ３空气不得大于２ｒｎｇ；含１０％以下游离二氧化硅的粉尘，每ｍ３空气 不得大于４ ｒｎｇ．由于该隧道存在煤层，主要的有害气体为瓦斯，如何降低瓦斯浓度并控制在０．５％以下是确 保施工安全的重要条件，而加强通风是稀释瓦斯浓度的最有效、最快捷的途径。风量计算：隧道采用机械通 风，必须满足洞内各作业所需的最大风量、风压。风量按每人每分钟供应４ ｍ３的新鲜空气计算；采用内燃机 械作业时，１ ｋＷ供风量不宜小于３ ｍ３／ａｉｒｎ．风速在全断面开挖时不应小于０．１５ ｍ／ｓ、坑道内不应小于０．２５ ｍ／ｓ，但均不应大于６ ｍ／ｓ，瓦斯浓度见图２． （１）按最大班下井人数计算风量 隧道作业人员用风Ｑ人＝４×Ｎ×Ｋ； 其中：４一每人需风量（ｍ３／ｍｉｎ）； 最大班下井人数，５０人；Ｉ＜＿风量备用系数，取１．４５；计算得：Ｑ人 ＝２９０ ｍ３／ｍｉｎ＝４８３ ｍ３／ｓ ．（２）按将瓦斯浓度稀释到０．５％以下计算风量 隧道稀释瓦斯用风Ｑ稀＝３．６（１／０．５％一１） 其中：３．６一隧道绝对瓦斯涌出量（ｍ３／ａｒｉｎ）；０．５一将瓦斯浓度稀释到０．５以下；计算得：Ｑ稀＝１１．９４ ｍ３／ｓ． （３）以隧道中最低风速计算风量 参照煤矿掘进煤巷、半煤岩巷道的最低允许风速为０．２５ ｍ／ｓ隧道最低风速用风Ｑ低＝０．２５×６３ 其中：０．２５一隧道中最低风速（ｍ／ｓ）；６３一隧道二衬后的最小断面面积（ｍ２） 计算得：Ｑ低＝９４５ ｍ３／ｒａｉｎ＝１５．７５ ｍ３／ｓ． （４）隧道燃油用风量 在装渣工序中，挖掘机、汽车燃油所消耗空气量根据挖掘机、汽车燃油的平均辛烷值和１６烷值进行测 算，装渣时按４辆载重汽车、二台挖掘机考虑，平均每分钟燃油所消耗空气量约为４０ ｍ３．即隧道燃油用风量 为： Ｑ燃＝４０ ｍ３／ｍｉｎ＝０．６６ ｍ３／ｓ． （５）按台阶施工每循环炸药消耗量计算风量 Ｑ：２５ Ａ＝２３．１４×２５＝５７８．５ ｍ３／ｒａｉｎ 其中：２５一排出每公斤炸药炮烟需要的风量（２５ ｍ３／ａｉｒｎ）；Ａ一每循环炸药消耗量２３．１４ （图纸提供）。 （６）满足安全生产用风量 采用无轨运输方案的用风量为： 维普资讯 http://www.cqvip.com
９０ 贵 州 工 业 大 学 学 报（自然科学版） ２００６年 隧道用风Ｑ无轨总＝Ｑ人＋Ｑ稀＋Ｑ燃 其中：Ｑ人＝隧道中作业人员用风量２９０ ｍ３／ｒａｉｎ； Ｑ稀＝隧道稀释瓦斯浓度用风量７１６．４ ｍ３／ｍｉｎ； Ｑ燃＝隧道燃油用风量４０ ｍ３／ｒａｉｎ． 计算得：Ｑ无轨总＝１０４６．４ ｍ３／ｍｉｎ＝１７．４４ ｍ３／ｓ 通过以上计算，根据公路隧道施工的实际情况，既要解决隧道安全生产的最低用风量，又要为处理沼气 分层、消除隧道顶部沼气聚积隐患创造必要条件，同时考虑隧道断面大这一实际困难，故隧道所需风量为 １０４６．４ ｍ３／ｒａｉｎ．根据计算：在左洞口安装有ＳＤＤＹ一１ＮＱ１１Ａ型对旋轴流式风机，采用压入式向隧道内通风， 洞内风简直径１．２ ｍ，风机功率２×５５ ｋＷ，转速１４８０转／ｍｉｎ，风量５２０００—７２０００ ｍ３／ｈ（１４．４４—２０ ｍ３／ｓ）； 全压３７００—５４００ Ｐａ能满足煤系隧道施工所需风量，鉴于该隧道瓦斯停风后增加趋势明显，故采用２４ ｈ不 间断通风。 ２．２超前探孔 在隧道掌子面进行超前探孔用以探明前方煤层赋存状 况、煤层参数以及是否存在采空区或冒落空洞和提前释放瓦 斯是隧道施工安全保证的又一项重要措施，具体探孔布置见 “前探孔断面图”。采用ＺＹＧ一１５０型钻机沿工作面顶（中 部）、下部（左、中、右）打四个控制煤层层位和瓦斯情况的前 探钻孔，孑Ｌ径西＝７５ ｉＴｌｒｎ．前探钻孑Ｌ中，顶眼１号垂直于掌子 面正前方以８。３０ 仰角布置，孔深＞５８ ｍ，终孔位置必须控制 隧道顶部轮廓线不低于５ ｍ；下部２号中心孔垂直于掌子面 正前方以５。仰角布置，孔深＞５８ ｍ；３、４号掌子面正前方以 度、倾角的变化、地质构造和测定钻孔瓦斯含量见图３． ２．３瓦斯检测 图３前探孔断面图 １０。偏角、６。俯角水平布置，终孔位置必须控制隧道底部轮廓线下５ ｍ、两帮７ ｍ；以保证能确切地掌握煤层厚 瓦斯检测为及时掌握隧道瓦斯浓度提供数据，是隧道瓦斯治理的“眼睛”，是预防瓦斯爆炸的重要检测 手段。具体如下：Ａ．导坑内瓦斯浓度含量在０．５％以下时，每隔０．５ ｈ至１ ｈ检查一次，０．５％以上时，应随时 检查，不得离开掌子面，发现异常及时报告；Ｂ．当发现瓦斯浓度在２％以上时，应加强通风稀释后方可进入检 查；Ｃ．瓦斯检查员应具备煤矿安全特殊操作证；Ｄ．建立瓦斯交制度、建立瓦斯报表审批制度；Ｅ．配置先 进瓦斯检测设备：瓦斯断电仪ＫＦＤ一４型２台，瓦斯传感器ＫＧ９７０１型４台配合使用放置在掌子面３０ ｍ处， 当瓦斯浓度在０．７５％以上时自动报警工人及时拆离施工现场，同时自动断电、杜绝设备可能产生火花引起 爆炸。光学瓦斯检测仪ＧＷＪ一１型１０台，并每月检测校检２次。 ２．４设备更换 将洞内设备更换为防爆型和隔爆型设备从而减少洞内因设备产生漏电和火花是防止瓦斯爆炸确保隧 道施工安全的又一项重要措施，具体如下：Ａ．供电系统：采用ＭＹＰＪ一１００００、３＊３５＋３＊１６＋３＊２５型矿用 阻燃橡套电缆，防爆接线盒、防暴灯具、磁力防爆电力启动器、漏电保护器、矿用开关等；Ｂ．通风系统：鉴于通 风电机在洞外不作特殊要求，对风筒进行更换为抗静电阻燃棉质风筒（８００米）且保证风筒完好、通风至掌子 面１０米处；Ｃ．工人防护用品：完善隧道洞口进出登记、检身制度，配置１００套棉质工作服、１００个ＫＬ２０５型 矿灯、矿帽、矿鞋，和干粉灭火器（１２ ｋｇ）每３０米一只；Ｄ．二衬设备：更换衬砌台车电机为隔爆型（５５ ｋｗ４ 台），接长混凝土输送管、更换混凝土振捣器电机为隔爆型；Ｅ．初期支护设备：采用风动力钻机、配置自动喷 雾降尘器、防爆型混凝土喷射机、防爆型混凝土注浆机。 ２．５工艺变更 采用适宜的施工工艺和恰当的初期支护措施可以降低瓦斯溢出的总量和时间，从而降低施工期间的瓦 斯浓度和保证隧道在运营阶段不发生瓦斯二次溢出。是防止瓦斯爆炸和确保隧道施工安全的又一重要措 施。具体如下：Ａ．锚杆：将初期支护径向和超前锚杆改为自进式Ｄ３２和Ｄ５１型，加快锚杆的施工速度、缩短 维普资讯 http://www.cqvip.com
第５期 肖锡庄：镇胜高速公路孙家寨煤层隧道施工技术 ９１ 初期支护时间，及时封闭开挖形成的瓦斯溢出面；Ｂ，钢拱架：将钢筋拱架改为型钢拱架，采用１８工字钢减少 洞内焊接，避免明火作业；Ｃ，混凝土：将初期支护喷射混凝土和二衬混凝土改为硅灰气密性混凝土，提高混 凝土的气密性，采用全封闭防水板，阻止瓦斯穿 过混凝土给隧道运营阶段造成“二次溢出”；Ｄ， 爆破设计：煤系地段为Ⅱ类围岩，按二台阶（上 台阶）开挖进行炮眼布置。为了减小震动效应， 采用密钻眼、少用药、多分段，各部用药量均小 于正常值。上台阶总布置装药炮眼７２个（钻孔 深度为１．５ ｍ，进尺为１ ｍ）：其中掏槽眼为直眼 掏槽共８个，辅助眼４个，一圈眼１１个，二圈眼 １３个，周边眼２３个（在煤线或煤层地段由于存 在孔内瓦斯，严禁使用空眼增加自由面），底眼 １３个。装药量掏槽眼每眼０，４５ ｋｇ；辅助眼、一 圈眼、二圈眼每眼０，３ ｋｇ；周边眼每眼０，２３ ｋｇ； 空眠可根据围岩类别进行调整 掏心孔每孔装药Ｏ．４５妇，由圈眼每孔装药Ｏ．３ｌ【ｇ． 底眼每眼０，４５ ｋｇ．总装药量２３、１４ ｋｇ，平均单 炸药为煤矿用毳化炸药． 位用药量ｑ＝０．３７９ ｋｇ／ｍ３，炮眼装填系数ａ＝０， ２、起爆时采用毫秒延期电雷管爆破：１号掏槽眠为一段管（睁线颤色灰、红）； ２～６辅助眠为二段管（脚线颜色灰，黄）：７～３０号圈眠为三段管（脚线颜色为 ５．选用煤矿乳化炸药，标准药卷规格为 ０× 灰、蓝）；３ｌ～５３号周边眠为四段管（脚线颜色为灰、白）：５４～６６号底眠为五 段管（脚线颜色为绿．红）．联线方式为大串联． ２００，单卷药重１５０ ｇ；雷管为毫秒延期电雷管。 ３、每眼至少装一个求炮泥．其余帮分采用黄泥充填满． 光爆参数为：周边眼间距Ｅ＝７０ ｃｍ，周边眼抵 图４孙家寨隧道上导坑炮眼布置图 抗线Ｗ＝６０ ｃｍ，密集系数为０．８３，装药集中度 为０．２７ ｋｇ／ｍ，如图４所示。 ３结束语 镇胜高速公路第九合同段孙家寨隧道在２００６年５月３１日出现瓦斯浓度异常后通过项目业主和省内各 大煤矿资深专家到现场考察，并通过以上技术方案的认可后于２００６年８月１日各项瓦斯治理方案准备就绪 后恢复施工。现已经顺利揭穿该隧道ＺＫ３３７＋３４０一ＺＫ３７＋３６０和ＺＫ３７＋５６０一ＺＫ３７＋６００两段煤层，并 于２００６年１０月５日实现左洞贯通，实践证明以上施工安全控制技术行之有效。 参考文献： ［１］（ＪＴＪ ０４２—９４）公路隧道施工技术规范［Ｓ］． ［２］（ＪＴＧ Ｆ８０／１—２００４）公路工程质量检验评定标准［Ｓ］． ［３］（ＪＴＧ Ｄ７０—２００４）公路隧道设计规范［Ｓ］． ［４］镇胜高速公路第九合同段两阶段施工图设计［Ｒ］．北京：中交第二公路勘察设计研究院，２００４ Ｔｈｅ Ｓｕｎｊ ｉａｚｈａｉ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｏｆ Ｚｈｅｎｇｓｈｅｎｇ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＸＩＡＯ Ｘｉ——ｚｈｕａｎｇ （Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖ．Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｏｒｐ．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｈｉｇｈｗａｙ，ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ ｉｎ ｈｉｇｈｗａｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｕｍ ｌａｎｄ ｓｅｃｔｏｒ ｓｔｉｌｌ ｔｈｅ ｎｏｔ ｍａｔｕｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ Ｓｕｎｊｉ— ａｚｈａｉ ｃｏａｌ ｂｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｃｃｅｅｄｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｃｏａｌ ｂｅｄ；ｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ