2014.3.15谢衔光：瓦斯隧道关键施工技术与管理典型案例讲座

瓦斯隧道施工关键技术与管理典型案例中铁西南科学研究院有限公司谢衔光2014年3月四川.成都向勇于挑战瓦斯隧道的各位领导、专家和同志们致敬！作者简介•谢衔光，男，中铁西南科学研究院教授级高级工程师，四川铁科建设监理有限公司总经理。近30年来，主要从事风险隧道施工安全控制技术研究，曾主要参与著名高瓦斯隧道--都汶公路董家山隧道的现场建设管理，组织相关参建单位陆续解决了无轨运输模式下的作业机具防爆改装、围岩大变形处治以及洞内火源控制等高瓦斯隧道安全控制难题。在国内省部级以上公开刊物上发表学术论文22篇、译文2篇。•联系电话：[phone]本次研习内容纲要引言第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介第二节董家山隧道关键施工技术及管理第三节参与董家山隧道建设的几点体会引言一、瓦斯赋存区域的地质体特征简述1、瓦斯主要赋存于煤系地层（注：这是一套含煤层的沉积岩地层，主要由粉砂岩、泥岩、砂岩和煤层、煤线组成，有时还有石灰岩、砾岩或火山碎屑岩等岩层参与在其中）。2、根据地层形成环境，煤系地层可分为近海型煤系和内陆型煤系两大类。成煤环境为滨海沼泽的近海型煤系，主要分布于我国华北和华南，引言其范围广，面积大，岩性、岩相、煤层厚度比较稳定；而成煤环境主要为内陆盆地、山间盆地和山前盆地的内陆型煤系，如我国的大多数侏罗纪、白垩纪和第三纪煤系，厚度大（最多达几千米），岩性、岩相、煤层厚度不稳定，煤层经常出现分叉或尖灭，煤层结构也复杂，不可预见因素多。成贵铁路便是此种地质环境。引言二、瓦斯隧道施工的主要个性特点解读●瓦斯隧道与煤矿巷道施工的主要区别；●瓦斯隧道与普通隧道施工的主要区别;●已建瓦斯隧道施工中常遭遇的地质问题。瓦斯隧道施工与煤矿巷道开采的主要区别对比项目工程目的设计方法开挖断面通风条件衬砌要求交通隧道交通运输避开煤层或瓦斯地段一般＞60m2临时、独头为主永久、密实封闭瓦斯煤矿巷道能源开采富矿区或煤田中心一般7-10m2，最大30m2永久、巷道通风临时、一般衬砌瓦斯隧道与普通隧道在施工机具配置上的主要区别瓦斯隧道与普通隧道在火工品使用上的主要区别对比项目火工品类型雷管类型及使用参数比钻眼量（m/m3）比装药量（kg/m3）火源控制雷管段别毫秒特点瓦斯隧道煤矿许可安全炸药和电雷管矿用电雷管1-5最后一段延时小于130爆力低爆速低猛度低5-802-2.5禁绝普通隧道普通硝铵或乳胶炸药、普通电雷管普通电雷管5-15爆力大爆速大猛度大2.5-4.51.0-2.0无已建瓦斯隧道施工中常遭遇的地质问题•煤与瓦斯突出事故，损失巨大；•瓦斯燃爆事故，严重威胁施工安全，也可能造成重大损失；•软弱围岩大变形，甚至大型塌方；•挤压性围岩大变形；•遭遇较大规模及以上突水突泥。引言三、我国已建成的部分瓦斯隧道简介1、铁路瓦斯隧道•在铁路瓦斯隧道中，最为著名的是1995年建成的南昆铁路家竹箐隧道，在当时堪称“天下第一险洞”。它的建设，为我国铁路瓦斯隧道施工总结出了诸多实践经验，也未后来铁路瓦斯隧道技术规范的编制提供了借鉴。部分已建成的铁路瓦斯隧道部分已建成的铁路瓦斯隧道部分已建成的铁路瓦斯隧道引言2、公路瓦斯隧道相比较而言，我国修建的公路瓦斯隧道相对数量较少，主要有成渝（成都-重庆）公路中梁山隧道、缙云山隧道，四川广邻（广安-邻水）公路华蓥山隧道，都汶公路董家山隧道、龙溪隧道等等。•最为著名的是2008年贯通的董家山隧道，迄今堪称最为艰险的公路隧道，它充分展示了瓦斯突出隧道的修建难度和瓦斯所带来的巨大危害！•伴随着国家西部大开发和建设小康社会的步伐，交通基础设施建设遇到的瓦斯隧道将会越来越多，提高其施工和管理已迫在眉睫！•本讲座主要依托董家山隧道的建设实践进行。建成的董家山隧道进口第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•一、董家山隧道工程简介•董家山隧道（事故后更名为紫坪铺名隧道）是都汶公路重点控制工程之一。该隧道位于分离式路基段，设置为基本平行的双洞，左右线隧道中线相距39米。隧道左线进口里程为LK13+350,出口里程为LK17+440,全长4090m,隧道右线进口里程为K13+385,出口里程为第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•K17+445,全长4060m,合计总长为8150m。隧道位于直线上，主要为2.351%单面上坡，削竹式洞门。隧道最大埋深546m，最浅埋深20m。线路纵坡设计左线纵坡K13+350～+600为+3.00%,K13+600～K15+900为2.351%，右线纵坡K13+350～+600为+3.00%,K13+600～K15+900为2.35%。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•该隧道按双车运行设计，设计车速为60km/h，隧道净空为10.4×7.0m，洞口两端均设置了联修道，洞内设置了人行横通道5道，间距200～300m，车行通道4道，间距500～600m。洞内设有照明、通风、消防及供水、火灾报警、CCTV及其信号传输、检修与控制、供配电等系统的设计。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•1左线洞口LK13+350K13+385右线洞口左线右线成都LK17+440K17+445图1紫坪铺隧道施工平面布置图第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•设计文件显示，隧道穿越三叠系须加河组地层，均有不同程度的炭质泥岩及薄煤岩（厚度0.3m的软质岩段）出露，此外在砂岩地段中零星分布冲刷煤屑或煤包体。隧址区内含煤层数虽多，但均为薄煤层，厚度一段为0.10～0.30m,且层位极不稳定、全区无稳定的可采煤层，但因隧道埋深大，局部地段仍会有瓦斯聚集，穿越煤层与煤系第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介地层时仍存在煤层瓦斯危害。综合上述因素，参照《铁路瓦斯隧道技术规范》的规定（因当时没有《公路瓦斯隧道技术规范》），设计单位出具的原设计将该隧道确定为瓦斯隧道，但定性为低瓦斯隧道。因此，施工、监理单位在开工前期（2年多时间里）隧道施工中按低瓦斯隧道安全标准设防和实施技术管理。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•截止到2005年“12.22”事故为止，董家山隧道剩余按高瓦斯设防长度左右线合计2150m、隧道内瓦斯突出段长度为340.58m（瓦斯压力为0.67～0.83Mpa间，瓦斯最大涌出量5.92～8.88m3/min）、涌水段长度70m（最大涌水量为1728m3/h）、大塌方段长度22m（最大塌腔高度为32m）、Ⅱ软弱围岩段左右洞总长1543m。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•二、董家山隧道发生的特别重大事故、原因、性质以及责任人处理情况简述•2005年12月22日14日40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山隧道K14+872掌子面发生坍方后酿成特别重大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受伤，直接经济损失2035万元。•（一）事故原因•1.事故的直接原因：由于掌子面处塌方，瓦斯异常涌出，致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•界限，模板台车配电箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。•2.事故的间接（管理）原因•一是施工企业违规将劳务分包给无资质的作业队。施工中安全管理混乱；通风管理不善，右洞掌子面拱顶瓦斯浓度经常超限；部分瓦检员无证上岗，检测质量、次数不符合规定等。•二是监理单位未正确履行职责，关键岗位人员无证上岗。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•三是项目建设单位对施工单位违规分包、现场管理混乱等问题未能加以纠正，对施工中出现的瓦斯隐患未采取有效措施。•四是设计单位对涉及施工安全的瓦斯异常涌出认识不足，防范措施不到位。•（二）事故性质•经国务院“12.22”事故调查组调查认定，该事故为一起责任事故。第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介第一节都汶公路董家山隧道工程及发生的特别重大事故简介•该事故对责任人的最终处理结果是：•施工单位6名事故直接责任人移交司法机关，5人被判缓刑，1人免于刑事处罚；•给予设计、监理、建设单位计17名责任人相应的党纪、政纪处分。第二节董家山隧道关键施工技术及管理一、“12.22特大瓦斯爆炸事故”前的瓦斯监测情况简介该隧道在施工中多次出现瓦斯浓度超标情况。左洞实测结果显示：左洞LK14+533掌子面放炮后，在LK14+290处测得绝对瓦斯涌出量达0.61m3/min；LK14+563掌子面喷混凝土后，在LK14+320处测得绝对瓦斯涌出量0.54m3/min等；以上数据，均表明该隧道左线为高瓦斯隧道。第二节董家山隧道关键施工技术及管理•右洞实测结果揭示：•K14+578掌子面焊钢拱架时，在K14+375处测得绝对瓦斯涌出量1.48m3/min；K15+553掌子面放炮后，围岩出现大面积瓦斯浓度达到6%，拱顶、裂缝、空腔、角隅处瓦斯浓度达到10%以上等。以上结论均表明，紫坪铺隧道右线属于高瓦斯隧道。但由于种种原因，直到2005年“12.22”事故发生前，隧道工程的瓦斯等级始终没有调整。第二节董家山隧道关键施工技术及管理事故发生后，方引起各方高度重视。二、董家山隧道瓦斯等级的界定演变历程瓦斯隧道瓦斯等级的界定是瓦斯隧道施工的首要技术问题之一，只有对瓦斯隧道瓦斯等级有了正确的认识，才能够制订合理的设计方案和施工技术措施。但限于目前隧道瓦斯勘测技术的限制，对瓦斯隧道瓦斯等级的判定主要依靠隧道开挖实际揭露的地质情况才能准确判定，因此对隧道瓦斯等级的认识也在不断深入，必须实施动态管理。第二节董家山隧道关键施工技术及管理对董家山隧道的瓦斯等级的认识共经历了低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和存在瓦斯突出危险（即瓦斯突出隧道）3个阶段。1、低瓦斯隧道工程祥勘阶段关于董家山隧道煤与瓦斯勘察主要结论是隧道穿越三叠系须家河组地层均有不同程度的炭质泥岩及薄煤层（厚度0.3m的软质岩段）。因隧道埋深大，局部地段仍会有瓦斯聚集，穿越煤层和煤系地层时仍存在煤层瓦斯危害，因此认定隧道属于瓦斯隧道。第二节董家山隧道关键施工技术及管理瓦斯压力0.172-0.67Mpa，炭质泥岩也具有一定的瓦斯压力，煤层发生瓦斯突出可能性小，总的结论是无突出危险，推测隧址区穿越煤层及煤系地层段瓦斯涌出量小于0.5m3/min。按《铁路瓦斯隧道技术规范》规定：“当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min时为低瓦斯工区”。2、高瓦斯隧道2005年发生“12.22特大瓦斯爆炸事故”后，通第二节董家山隧道关键施工技术及管理过建设单位委托煤矿专业安全评价机构对隧道内瓦斯进行检测，瓦斯绝对涌出量均小于0.5m3/min。但局部存在瓦斯浓度超限，在隧道的局部地段存在高瓦斯工区。设计单位根据调查和现场测试资料以及与其他瓦斯隧道类比分析，指出了可能存在高瓦斯工区的地段一般为：●煤层、煤线、炭质泥岩分布较多地段；●裂缝、断层、揉皱等构造发育段。●背、向斜部分。第二节董家山隧道关键施工技术及管理●埋深较大地段。根据以上结论，设计单位对该隧道可能出现高瓦斯工区地段进行了划分及相应施工方案的变更设计。2006年7月，根据勘察设计文件，瓦斯调查和现场测试，开挖掌子面揭露的地质情况，参照《铁路瓦斯隧道技术规范》，对该隧道瓦斯等级重新进行确定。掌子面揭露的地质发现，隧道围岩中泥岩与砂岩互层的软硬相间岩组分布线状煤层，由于受断层活动的影响，围岩中有较多小褶皱，岩体节理裂隙十分发育，且多处第二节董家山隧道关键施工技术及管理见到光滑镜面。这成为该隧道瓦斯主要储存、聚集和涌出通道。主要涌出形式为隧道开挖后，储存于裂隙内的瓦斯在短时间内突然涌出，并伴有煤粉或煤块。同时，根据回风速度、瓦斯和二氧化碳浓度测试以及隧道绝对瓦斯涌出量计算结果，按《铁路工程不良地质勘察规程》（TB0027-2001）相关规定，考虑到隧道瓦斯分布的状态和涌出特征，将该隧道瓦斯等级定位高瓦斯隧道。第二节董家山隧道关键施工技术及管理3、存在瓦斯突出危险（瓦斯突出隧道）2007年4月，隧道右洞K14+878(“12.