瓦斯隧道综合设防的结构设计方法

1)瓦斯设防理念

传统的瓦斯隧道设计流程是先划分瓦斯地段等级,针对不同等级考虑结构设防措施以封闭瓦斯,然后根据封闭效果分析决定是否采用瓦斯引排措施,最后通过运营期间的瓦斯浓度检测配合机械通风来确保运营安全。 当隧道内瓦斯浓度达到0.4%时,必须启动风机进行通风;当浓度降到0.3%以下时,可停止通风。 瓦斯隧道设计理念主要以达到封闭瓦斯为目的,即控制洞内允许的瓦斯渗入量,可总结为“以封为主、以排为辅、检测并重、通风保障”。但工程实践表明,运营期间隧道内瓦斯浓度的大小除受洞内瓦斯渗入量控制外,还受瓦斯迁移能力、自然风、活塞风等的影响。 其影响因素主要包含隧道长度、线路平纵断面、列车运行速度和开行频次、气象条件等。 因此,结构设防措施除需综合以上各因素外,在考虑控制瓦斯渗入量的同时还应考虑瓦斯的稀释与积聚,最终达到措施合理、工程经济的目的。

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)按瓦斯地段等级对应确定衬砌防瓦斯措施的方法仅依赖于封闭措施,而实际上对瓦斯采取封闭、排放、通风稀释等单一或综合措施将隧道内瓦斯浓度控制在允许浓度下才是防瓦斯的关键,这些措施是可以根据隧道特点、瓦斯赋存条件按需组合的。

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)则提出了铁路隧道瓦斯设防的新技术路线:以地层中瓦斯压力为赋存背景、以隧道内允许瓦斯浓度为目标、以瓦斯排放为依托、以瓦斯封闭为结构主体、以运营通风为保障,因地制宜地采取综合瓦斯设防措施,进而拓展了采取综合技术措施及新技术的空间和自由度,尽量避免由规范主观确定工程措施的弊病。 在《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)中更加强调综合设防的理念,明确了瓦斯隧道瓦斯隔离层、二次衬砌封闭瓦斯的结构设计方法;在不同瓦斯赋存环境下,建筑材料透气系数与衬砌厚度选择的理论分析及设计参数,并按常见的瓦斯环境给出了瓦斯设防结构体系的设计要求。

铁路瓦斯隧道影响运营安全的关键因素是瓦斯压力,直接因素是隧道的瓦斯浓度。 设计时应要求隧道内瓦斯浓度在任何时间、任何地点都不得大于0.5%。 瓦斯渗入量与瓦斯浓度可由下式计算而得:

式中　Q——固定时间通过二衬渗入洞内的瓦斯含量,cm3;

P1——作用在衬砌上的瓦斯渗透压力,MPa;

P2——衬砌内侧的大气压力,MPa,计算可取0.1 MPa;

K——衬砌透气系数,cm/s;

L——衬砌厚度,cm;

A——透气面积,cm2;

γg——瓦斯单位容积质量,N/cm3,计算可取7.02 ×10 -6 N/cm3;

t——渗透时间,s。

瓦斯浓度按以下公式计算:

式中　μ——瓦斯浓度;

V——瓦斯积聚空间体积,cm3,结合瓦斯浓度检测探头安装位置,计算时可考虑拱顶以下25 cm 范围为瓦斯积聚空间。

2)设防标准

各行业、各地区关于瓦斯隧道等级的划分及设防标准存在差异,目前国内各行业瓦斯隧道已有的主要标准有《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)、《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)、《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》(JTG/T 3374—2020)、《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南》(2014 年)、《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南》(2014 年)、《公路瓦斯隧道技术规程》(DB 51/T 2243—2016)、《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》(JTG/T 3374—2020)等。 各规范对设防的要求见表4.1—表4.5。

表4.1　《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)对瓦斯隧道等级的划分

续表

表4.2　《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)对瓦斯隧道等级的划分

表4.3　贵州省高速公路瓦斯隧道设计、施工技术指南对瓦斯隧道等级的划分及设防标准要求

续表

表4.4　《铁路隧道设计规范》设防标准(TB 10003—2016)对瓦斯隧道设防标准要求

表4.5　《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》(JTG/T 3374—2020)对瓦斯隧道等级的划分及设防标准要求

续表

3)瓦斯地段等级划分

瓦斯隧道根据地层赋存瓦斯的严重情况,可划分为非瓦斯地段和三级、二级与一级共3种含瓦斯地段。 瓦斯地段的设防措施应随着瓦斯地段等级的提高而逐步加强,同时由瓦斯等级较高地段向等级较低地段适当延长,延伸长度不应小于50 m。 隧道断面较大、围岩破碎、节理裂隙发育、岩层倾角较缓时需适当加大延伸长度。 瓦斯地段的等级应按表4. 6确定。

表4.6　瓦斯地段等级

注:当按吨煤瓦斯含量及瓦斯压力确定的地段等级不一致时,应取较高者。(www.xing528.com)

由于瓦斯风化带内瓦斯通过围岩裂隙得到释放,导致瓦斯含量减小,其瓦斯危害较低,因此,可考虑为三级设防。 为保证安全,采用风化带吨煤瓦斯含量较小值2 m3/t 作为二级与三级设防标准判定的阈值。

4)结构体系设计

瓦斯隧道应采用复合式衬砌,其瓦斯结构封闭体系由初期支护、二次衬砌、瓦斯隔离层、水气分离、注浆封堵圈等根据需要组合构成。 其构成如图4.1 所示。

(1)初期支护

图4.1　隧道瓦斯设防体系示意图

瓦斯地段初期支护的喷射混凝土应拱墙、仰拱(底板)全环设置,厚度不小于10 cm,强度等级不低于C25。 含瓦斯的软弱围岩、断层等构造、煤与瓦斯突出地段,系统锚杆与钢筋网措施可适当加强。 初期支护在瓦斯设防功能方面,主要表现为控制围岩变形、减少围岩损伤以约束瓦斯渗透通道的发展。 C25 喷射混凝土材料本身具有较好的强度与抗气渗能力,但随着围岩变形,混凝土会出现裂缝,导致其透气性增大,瓦斯封闭能力降低甚至丧失。 因此,尽管《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)对喷射混凝土透气系数作了规定,而《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)对喷射混凝土透气系数则不再作要求。 同时,工程实践表明,采用5 cm 厚的喷射混凝土即可有效减少施工期间的开挖洞壁瓦斯逸出,且单纯增加喷射混凝土厚度对减少开挖坑道的瓦斯涌出总量效果并不显著。

(2)二次衬砌

瓦斯地段二次衬砌厚度应根据瓦斯压力、混凝土抗渗能力等,按式(4.1)通过对二衬的瓦斯封闭效果进行分析计算确定。 针对各设防等级的不同瓦斯压力情况,可考虑衬砌封闭预期为“6 h 后瓦斯浓度达到0.3%”,计算二次衬砌满足要求所需的最小厚度(目前国内客运专线、高速铁路较客货共线铁路维修天窗时间最长约6 h)。 通过计算,对于瓦斯压力较小的三级瓦斯地段,二次衬砌结构厚度为40 cm,混凝土透气系数为10 -11 cm/s。 因此,一般将二衬厚度40 cm 与透气系数10 -11 cm/s 两项数值作为瓦斯隧道设计的起点标准。 当瓦斯压力增大时,结构厚度与透气系数应根据工程实际作相应调整。

通过软弱围岩、断层等构造地段、煤与瓦斯突出的煤层,应采用钢筋混凝土,并合理选用钢筋直径和间距。 同时,施工缝与变形缝是瓦斯结构设防的薄弱部位,应进一步加强气密性处理,使其封闭瓦斯性能不小于衬砌本体;存在地下水的瓦斯地段,还应同时考虑防水渗与防气渗相关要求做综合处理设计。

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)对施工缝和变形缝的气密处理进行了规定,但在《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)中未对瓦斯地段的施工缝、变形缝作特殊要求,主要是由于材料工艺已取得了很大进步,施工缝和变形缝的性能已超过《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)对气密性的要求。

(3)瓦斯隔离层

一级结构设防地段应设置全封闭瓦斯隔离层,二级结构设防地段宜设置全封闭瓦斯隔离层。 在分析二次衬砌的封闭瓦斯功能基础上,考虑瓦斯隔离层作为瓦斯封闭的增强措施,当二次衬砌封闭瓦斯功能难以达到要求时,则考虑增设瓦斯隔离层。 经过分析计算,一级设防地段的瓦斯压力≥0.74 MPa,仅靠二次衬砌难以有效封闭瓦斯,应设置瓦斯隔离层。 二级设防地段瓦斯压力位于0.15 ~0.74 MPa 区间,当二次衬砌混凝土透气系数达到1.0 ×10 -12 cm/s 时具备较好的瓦斯封闭性能,瓦斯压力较大时,仍需增加瓦斯封闭措施。 因此,二级瓦斯地段适宜设置瓦斯隔离层。

瓦斯隔离层设置在初期支护与二次衬砌之间,在大多数设计中,一般采用防水板作为瓦斯隔离层时,并要求防水板的透气系数不大于1 ×10 -14 cm/s,厚度不小于1.5 mm,幅宽不小于3 m。 隔离层应设置垫层,垫层应具有减少顶破、刺穿、磨损高分子卷材的功能,可采用不低于400 g/m2 且标称断裂强度不小于20 kN/m 的土工布。

(4)水气分离

为了不使排入洞内水沟的地下水混有瓦斯气体,在地下水排出之前应进行水气分离。具体设计要点为:在设置全封闭瓦斯隔离层地段二次衬砌后设置水气收集和引排系统,将水气混合体引至水气分离装置,分离出的瓦斯气体由专用管道引出洞外在高处放散。

水气分离装置有水气分离管(图4.2)与水气分离洞室(图4.3)两种形式,工程经验认为,水气分离洞室更便于运营期间的维护管理。 成贵高铁、沪昆高铁及叙毕铁路等项目的多个高瓦斯隧道都采用了水气分离洞室的设计。 设计时,重点强调在施做完成后,需进行灌水处理,同时在施工及运营期间要对水气分离洞室进行补水,避免洞室水干涸,导致水气分离失效。

图4.2　水气分离管装置示意图

图4.3　水气分离洞室示意图

(5)注浆封堵圈

注浆封堵圈的透气系数获取较难,一般认为＞1.0 ×10 -9 cm/s,此时封闭圈厚度需提高至10 m 的数量级才能在运营期间发挥有效的抵抗瓦斯渗漏作用。 同时考虑目前工艺下的注浆效果及耐久性难以保证,因此,主要考虑其在施工期间的封闭功能(加固围岩的同时降低封闭圈内岩体的透气系数,减少开挖后的瓦斯渗透量)。 对于断层带、褶皱带、裂隙密带、煤与瓦斯突出煤层等一级瓦斯地段,瓦斯压力较大且补给条件较好,可采用注浆措施封闭围岩瓦斯通道,减少瓦斯涌(溢)出量。 结合既有工程经验,当采用注浆封堵时,应结合具体情况选择注浆方式、厚度及注浆材料,也可参照下列要求办理。

①单线隧道断面注浆加固范围不宜小于4 m,双线隧道断面注浆加固范围不宜小于6 m。

②围岩稳定性较好时宜采用初期支护后进行径向注浆,围岩稳定性较差或煤与瓦斯突出地段应采用超前帷幕注浆、超前周边注浆。

5)瓦斯引排降压设计

对于已建成的隧道,最不利的情况为二次衬砌背后瓦斯压力逐渐恢复到原始瓦斯压力状态。 这个附加的瓦斯压力将增加衬砌的作用荷载,当衬砌结构难以承受该荷载时存在工程安全风险。 同时,恢复的瓦斯压力将会增加洞内瓦斯逸出量,从而影响运营环境安全。 因此,瓦斯压力大的地段采用结构封闭体系防治瓦斯存在困难并影响结构安全,此时需对封堵在二次衬砌背后的瓦斯进行合理地引排,以达到减少瓦斯含量和降低瓦斯压力的作用。

瓦斯引排降压系统可采用下列方式进行泄压:

①衬砌背后预埋通向洞外的降压管,进行自然泄压。

②利用或增设平行导坑钻设瓦斯降压孔,进行自然泄压。

③自然泄压困难时,可采用主动抽排降压。

目前铁路隧道设计一般利用水气分离排出衬砌背后瓦斯与地下水,同时起到降低部分瓦斯压力的效果,而在衬砌背后预埋单独的降压管措施的应用实例较少。 工程经验表明,在平行导坑内,通过向正洞方向并沿煤层方向钻设瓦斯降压孔,可有效切断正洞周边围岩内的瓦斯补给,从而降低瓦斯压力,如图4.4 所示。

6)辅助坑道与附属洞室设计

(1)辅助坑道

辅助坑道设置应避免通过或靠近煤层,不能避免时,应减少通过或靠近煤层的长度。 这是有效降低施工安全风险和投资风险的有力措施,可大幅减少施工难度和工后处理难度,节约投资,从而相对提高隧道施工效率。

当有防灾救援要求、需要选用辅助坑道作为紧急出口或避难所时,应谨慎选用含瓦斯的辅助坑道。 为防止逃生人员进入含瓦斯的辅助坑道内发生瓦斯事故,通过煤与瓦斯突出地段的辅助坑道严禁用作防灾救援功能,通过高瓦斯地段的辅助坑道不应用作防灾救援。 而对于用作防灾救援的辅助坑道,瓦斯地段设防标准应与正洞一致,以营造良好的逃生与避难环境。

图4.4　瓦斯钻孔降压系统示意图

在运营阶段需定期进入人员进行检查和维护的辅助坑道,含瓦斯地段应设置永久性支护,以防止洞内坍塌导致瓦斯大量溢出,影响养护人员人身安全。 竣工后废弃的辅助坑道,交付运营前应采用混凝土对辅助坑道洞口及辅助坑道与正洞的交叉口处进行封堵,其中辅助坑道与正洞的交叉口封堵厚度不小于1 倍正洞洞径,洞口封堵厚度不小于3 m,并留设排水、排气条件。

(2)附属洞室

洞室是施工与运营期间的通风死角,也是瓦斯容易积聚的处所,故瓦斯隧道内应尽量减少附属洞室的设置。 隧道内附属洞室由于工序工艺的原因,是施工质量控制的难点部位,往往成为质量瑕疵的集中点,对于瓦斯的封闭极为不利,洞室内安装电气设备更是极大地增加了运营风险,因此,瓦斯压力较大的煤与瓦斯突出地段不应设置安装电气设备的附属洞室。