贵州公路隧道施工瓦斯突出结题报告207

1项目基本情况第二衬各测点最大应力值测点最大压力/KN最大拉力/KN测点最大压力/KN最大拉力/KN拱顶内侧0.60-3.17拱脚内侧0-3.59拱顶外侧0.24——拱脚外侧7.28——拱腰内侧1.79-3.75边墙内侧7.33——拱腰外侧0.76-3.29边墙外侧8.16——根据实测二衬混凝土的应力、情况，可认为在整个二衬横截面上应力分布在、之间按线性分布，由此得到各监测点横截面上的应力分布。由中性轴定义，即横截面与应力平面的交线上各点的正应力值均为零，由此可确定横截面上中性轴的位置，取中性轴位置为横截面上的计算轴，则有（3-16）（3-17）由此可以算出二衬轴力和弯矩如下：二衬轴力图图126二衬弯矩图从以上二衬轴力图和弯矩图中可以看出，二衬结构受力比较合理，拱顶和拱腰监测点均处于受拉状态，而拱脚和边墙部位处于受压较大状态。拱顶承受来自初支竖向的压力和两侧围岩的挤压应力，最终拱顶外侧应力大于内侧应力，说明挤压应力作用大于竖向压力作用，拱顶承受正弯矩。而二衬边墙外侧受力大于内侧受力，承受负弯矩，与初支与边墙处压力较大有关。对计算出的轴力、弯矩进行统计，得到将二衬各监测截面在监测期所受的最大轴力、弯矩归纳如表3-12，其中“—”表示监测截面的测点未出现拉力或压力。二衬各监测点轴力和弯矩汇总测点最大轴力/KN最大轴力/KN测点最大正弯矩/KN·m最大负弯矩/KN·m拱顶轴力0-107.963拱顶弯矩0-31.6425拱腰轴力0-111.64拱腰弯矩0-4.34133拱脚轴力105.26850拱脚弯矩26.56520边墙轴力282.82430边墙弯矩11.2902403.3煤系地层控制隧道围岩大变形优化施工措施3.3.1施工工法对比目前隧道开挖施工主要根据新奥法原理，开挖方法分为机械切削法和钻爆法两种。由于山区高速公路受地形及施工条件的限制，实际工程中仍以钻爆法为主，光面爆破技术在隧道钻爆法施工中占有重要位置，被确认为控制周边超欠挖的标准方法之一，在未来隧道建设中仍将占据着重要地位。新奥法强调通过光面或预裂爆破方法降低爆破振动，减少对隧道围岩和支护体系的振动影响，最大限度地保护围岩，控制爆破对围岩体的损伤程度，减少超欠挖，充分利用围岩自承载能力。它对地质条件适应性强、开挖质量控制好、节约支护成本等优点，能有效提高开挖作业的工作效率。它的成败与好坏直接影响到围岩的稳定及后续工序的正常进行和施工速度，是隧道掘进施工非常重要的组成部分。根据国内外大量的隧道工程实践，光面爆破技术在I~III级硬质围岩掘进中获得较好的应用效果，但在节理裂隙发育的III、IV、V级中等硬度或较软围岩体中应用时往往效果不佳，爆破扰动大，超欠挖严重，拱顶部位常出现不同程度的掉块或塌方问题。在偏软的IV、V级围岩中应用时，除了上述问题，还面临围岩大变形和初支侵限等难题。调查统计表明，出现上述问题的主要原因一方面是隧道施工控制问题，如隧道开挖台阶长度过长、初期支护未及时封闭成环和二次衬砌未及时跟进导致围岩失稳等，另一方面是源于钻爆法自身的缺陷，如对围岩扰动深、爆破振动大、变形不易控制等，仅通过光爆优化无法从根本上解决钻爆工法自身存在的不足。近年来，在铁路小断面隧道施工中开始采用特殊机械开挖设备进行全断面掘进，该工法对围岩扰动小，有利于保护围岩，但工程应用表明，全断面机械开挖工法存在功效低、进度慢的缺点，特别是高速公路隧道，因开挖断面较大，如采用全断面机械开挖施工，不但掘进工效低，且由于软弱破碎围岩没有得到及时支护，反而易造成围岩大变形、掉块或坍塌等安全事故，因此难以在实际隧道施工推广应用。为了解决破碎围岩体钻爆施工引起的超挖严重、局部塌方不断的技术难题以及降低煤层瓦斯隧道的高风险，针对机械开挖具有对围岩扰动小、便于控制超欠挖，隧道轮廓精确成型和施工安全性好，有利于保护岩体自承能力，易于控制围岩大变形和局部塌方等优点，经过钻爆开挖和全断面机械开挖的工程应用及两种工法优缺点的综合分析，通过方案比选，引进了德国艾卡特挖机设备，以水塘隧道为依托工程，经过反复试验和总结，集成机械开挖和钻爆开挖两种工法各自的优点，经现场试验验证总结提出了局部机械开挖与分部爆破的组合掘进工法。3.3.2机械开挖与钻爆综合施工工艺流程机械开挖+钻爆开挖施工方法，如图3-88所示，一般根据不同围岩级别，按照实际情况选择上下台阶法或三台阶法将隧道断面划分为三部分或四部分，预先对开挖掌子面拱部采取超前小导管或超前管棚等方法进行加固，待超前支护施作完成后，采用开挖机械沿着上台阶隧道轮廓线自下而上进行分部预切槽，可有效减小爆破引起的超挖或局部塌方等施工难题，并确保开挖轮廓线圆顺，保证钢拱架与围岩密贴，改善围岩与支护体系的受力状态。切槽完毕后施做初喷混凝土、架立钢支撑、锚网施做、复喷混凝土作业。完成上台阶初支作业后，按上述工序进行下台阶周边机械切槽作业，并施作边墙两侧初期支护。完成初支施作后，分别进行上下台阶核心土钻孔、装药、起爆作业，通风后出渣。按上述工序进行下一循环。水塘隧道实际施工工艺，具体见图3-89所示。机械开挖与钻爆分区横、纵断面示意图ⅠⅠ、上台阶沿轮廓线机械开挖切槽Ⅱ、下台阶两侧边墙机械开挖切槽Ⅲ、上台阶核心土弱爆破、出渣Ⅳ、下台阶核心土弱爆破、出渣（1）上台阶初期支护施作（2）下台阶两侧边墙初支施作（3）仰拱初支、结构施作（4）仰拱回填Ⅴ、开挖仰拱土方（5）二衬砼施工（土方开挖工序）（支护施作工序）施工工艺流程图3.3.3机械开挖与钻爆综合施工工法步骤（1）施工准备掌握掌子面前方围岩地质、地下水情况，合理确定开挖台阶高度、循环掘进进尺。因此，在进行循环掘进前，应按照设计要求完成超前地质预报，根据超前地质预报和掌子面揭露岩体情况综合确定围岩级别，根据围岩级别优化设计和施工方案。在无地下水地段，应采取洒水降尘措施，优化施工环境。（2）超前支护对拱部进行预加固，是防止掌子面开挖后，拱部出现坍塌的直接方式。因此，在进行软弱围岩循环开挖前，应根据具体围岩级别，可有选择性的采用超前锚杆、超前导管注浆、超前管棚等措施固结破碎岩体，增加拱部围岩的完整性。施工步骤为：首先喷射砼封闭开挖轮廓面和掌子面，之后进行钻孔并安设超前锚杆、超前小导管或超前管棚。钻孔直径大于钢管直径20mm以上，超前小导管按环向间距VI级围岩35cm每排45根、V级围岩40cm每排37根，IV级围岩3.5cm每排27根，辅射角为10°～15°，导管用直径42mm，壁厚4mm的钢管制作，每根长4m，纵向排距为2m钢管前端加工成锥形，尾部焊接加劲箍，钢管周壁钻纵向间距为15cm，孔径为φ6mm压浆孔。超前锚杆或小导管全部焊接于前一榀型钢支撑上。（3）机械开挖与钻爆分区施工总体按照两台阶施工，如图3-88所示，综合考虑机械作业要求，上台阶的高度以3~4m为宜，分为弧形导坑Ⅰ，采用机械开挖施工；核心土体Ⅱ，采用钻爆法施工。下台阶分区为，机械开挖导坑Ⅲ、Ⅳ，采用机械开挖机施工作业；下台阶核心土体Ⅴ，采用钻爆法施工。仰拱部分Ⅵ采用常规工艺施工。（4）上台阶施工1)弧形导坑机械开挖：根据隧道围岩级别，完成超前支护作业后，采用挖机自上台阶两侧拱脚部位开始，沿着轮廓线向拱顶逐步实施对称切槽，确保切槽轮廓圆顺。切槽宽度以便于型钢拱架的施工为宜，不宜过大，以免机械开挖时间过长，根据研究与试验，上台阶拱脚以距两边开挖轮廓各1.5米，拱顶部位1.8米能满足型钢拱架安装要求，不同的隧道根据施工作业需要，局部可适当修整加宽。纵向进尺根据不同围岩级别确定，一般每次循环进尺0.5m～1.0m（1-2榀拱架），围岩较差的每次进尺取较小值。机械开挖完成后如图3-90模型所示。上台阶弧导机械开挖模型上台阶完成一个循环后的模型2)初期支护施工：当机械开挖完成一个循环后，及时进行初期支护的施工，即安装型钢拱架、挂网喷射混凝土等，按照设计要求完成一次进尺的初支施工。3)核心土体施工：机械开挖作业完成几个循环后，当中间核心土预留长度达到2~3米时，可以进行一次爆破出渣，然后进行下一次循环作业，如图3-91所示。（5）下台阶施工1）左、右导坑机械开挖：机械开挖切槽沿两侧交错进行，不能两侧同时进行，以免造成已安装好的上台阶型钢拱架两侧同时处于悬空状态，如果无法避免时，应保证悬空长度不超过2榀拱架。施工中，使同一断面处暴露开挖面仅限于一侧，连续机械开挖作业时，保持左右错开2～3榀型钢拱架距离。待一侧施工完成初喷混凝土、架立钢支撑、锚网施做、复喷混凝土等作业后，再进行另一侧边墙机械开挖切槽，并施作初期支护，如图3-92。下台阶机械开挖导坑模型2）初期支护施工：完成一次机械开挖进尺后，及时将型钢拱架接退，确保拱架受力状态良好，将荷载有效的传递到地基，以保证施工的安全。3）核心土体施工：与上台阶基本相同，当完成几次机械开挖进尺后，对下台阶核心土体进行钻爆开挖、出渣，以便挖机对下台阶侧壁导坑的开挖。（6）仰拱施作与回填核心土出渣完成后马上开挖仰拱，施做仰拱砼，尽早封闭成环，使结构受力更加合理。为尽快封闭成环3-5m开挖一次，仰拱铺底采用人工配合短臂挖掘机捡底，捡底处配有过轨梁、浮放道岔等设备，减少了施工干扰。开挖完后安装初期支护的钢支撑和仰拱钢筋同时绑扎，浇注砼，待砼终凝固一天后回填，再往前推进施工。3.3.4隧道仰拱曲率拓扑优化运用ABAQUS软件，定义总体积为约束条件，以刚度最大为目标函数，结合水塘隧道右线YK108+580断面，对该断面衬砌结构进行拓扑优化分析，确定合理仰拱曲率。（1）拓扑优化计算模型与传统优化设计的不同之处在于，拓扑优化不需要给出参数定义。根据已经定义好的目标函数，约束变量，设计变量，结合结构的参数和要省去的材料的百分比，采用体积约束条件下刚度最大化准则，进行拓扑优化分析。为得到最优的隧道衬砌断面内轮廓线，在建模时，将衬砌结构材料在满足断面要求的前提下增大一倍，拓扑优化时省去50%的衬砌材料，从而达到优化设计的目的。计算模型见图3-93：拓扑优化模型假定隧道埋深180m，侧压力系数0.3，围岩级别为V级，其它支护参数参考公路隧道设计规范取值，围岩参数如下表3-13所示。计算模型边界取120*120m，数值分析中采用如下基本假设：1）模型左右两侧施加水平位移约束，底部施加水平和竖直位移约束，并在顶部施加地表至顶部埋深的竖向重应力，从而保证计算模型应力场接近实际工况。2）假定初支和二衬结构为弹性材料，初支中的钢拱架和二衬钢筋均采用刚度等效法换算到混凝土结构中。隧道物理力学参数材料密度(kg/m3)弹性模量(GPa）泊松比粘聚力(kPa）内摩擦角(°）厚度(m）煤系地层19000.20.452025/初支220026.770.2//0.24二衬220034.760.2//0.5（2）拓扑优化结果分析由图3-94不同迭代步情况下计算结果可知，白色线条所形成的轮廓线为体积约束为0.5时，不同迭代步下隧道衬砌结构最优拓扑图，其构成衬砌结构的基本形状即为最优衬砌结构断面图，仰拱曲率宜适当增大，在采用同等用量的材料进行支护时，应重点对左右拱脚处的衬砌厚度增加；最优拓扑效果图要求在后期施工中，增大仰拱的曲率，更有利于隧道整体施工。图中红色代表单元密度值大于0.5的区域，表明该区域对刚度的贡献最大，该部位也是应力最集中的地方，扩大拱脚提高拱脚基底承载力，适当加厚拱脚二衬厚度，有利于提高衬砌结构承载力。(a）迭代步0(b）迭代部10(c）迭代部20(d）迭代部30(e）白色线条为优化后衬砌结构轮廓线隧道衬砌结构拓扑优化云图根据多种工况下仰拱拓扑优化计算结果对比分析，优化后仰拱曲率半径由优化前的15m减少为8~10m左右，相应仰拱加深0.4~0.7m。（3）隧道仰拱优化前后数值模拟分析取仰拱曲率半径为10m，仰拱开挖深度增加0.7m。如图3-95和图3-96所示，对比仰拱优化前后支护结构位移场可知，优化前仰拱闭合后，拱顶沉降约141mm，仰拱隆起587mm，边墙处水平收敛约634mm。仰拱优化后，拱顶沉降约104mm，仰拱隆起200mm，边墙处水平收敛约234mm。相比优化前变形量，拱顶沉降减少37mm，水平收敛变形减少400mm，仰拱隆起变形得到明显抑制。（1）竖向位移（2）水平位移优化前仰拱开挖后最大位移（1）竖向位移（2）水平位移优化后仰拱闭合后最大位移根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定，计算分析隧道衬砌结构的安全系数。混凝土按抗压强度控制安全系数不得小于2.4，按抗拉强度控制安全系数不得小于3.7。根据计算结果，取仰拱底部七个主要观测点，对比衬砌仰拱安全系数，见图3-97。(a）原有仰拱观测点安全系数（b）优化后仰拱观测点安全系数观测点安全系数变化优化后仰拱各个测点安全系数均得到不同程度提高，优化后的安全系数均达到5.0以上，符合隧道设计规范中对隧道衬砌安全系数的要求，特别是左右拱脚处的安全系数由0.23增大到5.79，效果明显。仰拱曲率优化前后安全系数对比3.3.5施工组织优化与管理为了加快施工进度，上、下台阶可同步进行施工，采用同步施工时，上、下台阶的步距根据施工机械的数量及等级来确定，保证两个台阶能够方便操作为宜，不能过长，具体应根据监控量测发聩信息优化施工步距。通过施工总结，获得以下认识，可供类似工程参考。（1）水塘隧道围岩软弱破碎，采用机械开挖与钻爆开挖联合施工工艺，应遵从：“短开挖、快支护、勤量测、紧封闭、早成环”的新奥法施工原则，强调因地制宜的灵活应用该工艺进行隧道掘进，根据具体围岩地质条件、地下水条件确定台阶开挖高度等。（2）机械开挖与钻爆开挖联合施工工艺，应先采用挖机开挖隧道轮廓，且开挖顺序为从下到上、从硬到软，并及时施作初期支护结构，减少围岩暴露于空气中的风化时间，待初期支护施作完成后，再进行钻爆法施工，破除核心土部分。（3）该工法结合了机械开挖对围岩扰动小的优点以及钻爆法快速施工、操作简单的特点，可以有效降低掘进过程中隧道超挖欠挖，以及对轮廓以外岩体的扰动破坏。（4）施工机械设备简单，较好低适应了水塘隧道软弱破碎煤系地层的机械开挖施工，相关配套设备均为新奥法常用设备，成本较低。同时，应注意施工技术人员素质培养。（5）为严格确保施工质量，工程中还制定了相应配套的技术保障措施，如：“三检、四及时、一做到”的管理体制，落实领导管理体制，三级量测复核等措施，为隧道质量提供了保障。落实安全保障措施，安全施工。3.4本章小结（1）地下水对煤系地层围岩的软化作用是引起煤系地层隧道大变形的主要原因，而不合理施工工序间的过大步距是引起隧道大变形的次要原因。施工中应采取合理有效的排水措施，避免地下水弱化围岩。煤系地层软弱围岩隧道施工应选择合理施工工法，控制各工序间的安全步距，初期支护尽快封闭成环。通过采取加强超前预支护、设置锁脚锚杆、仰拱和二次衬砌紧跟，以及加强隧道横向和纵向支护结构刚度等措施，来保证围岩与支护体系稳定。（2）通过对机械开挖与钻爆开挖综合开挖技术的研究，总结了施工的分区、施工循环进尺及工序衔接等施工要点，并成功应用于水塘隧道施工中，保证了隧道施工的进度、质量及安全，对同类隧道施工具有一定的参考意义。（3）针对仰拱曲率优化问题，提出了仰拱结构拓扑优化方法，通过算例分析验证了该方法的合理性和适应性，可为确定复杂应力与地质环境下隧道仰拱结构的合理曲率提供依据。4瓦斯隧道不动火施工技术及动火管理制度研究4瓦斯隧道不动火施工技术及动火管理制度研究钢管混凝土是一种将混凝土填入薄壁圆形钢管内形成的组合结构材料，具有耐疲劳、质量轻、塑性好、强度高、耐冲击、抗弯刚度大、施工速度快、施工方便、施工配套设备齐全、无异向性、经济性好等突出优点，但是在隧道工程中应用较少。目前软弱围岩隧道初期支护结构常采用钢拱架支护形式，具有安装不便、用钢量大、与喷混凝土协调变形能力差等问题，为此考虑到现有隧道支护型式的的不足,基于此提出一种瓦斯隧道不动火新型支护结构——圆钢管混凝土支架，代替原有的工字钢以及格栅钢架。4.1瓦斯隧道不动火新型支护结构设计4.1.1圆钢管混凝土支架强度及极限承载力计算根据规范选取了10种参数的圆钢管混凝土支架，分别计算内含核心混凝土情况下其组合强度和极限承载力，为今后类似结构计算提供一定的参考。迄今为止，国内外一些规范和规程对圆钢管混凝土轴压刚度，都采用了叠加法得到换算刚度，根据该公式，我们可以得到钢管混凝土支架抗压组合弹性模量的计算公式：（4-1）式中，Esc——钢管混凝土支架组合弹性模量；Es——钢管弹性模量；As——钢管横截面积，As=Asc-Ac；Ecx——核心混凝土弹性模量；Acx——核心混凝土横截面积，；Asc——钢管混凝土支架横截面积，。运用以上公式和参考数据对模拟用的10种钢管混凝土支架进行计算，最终结果为下表4-1：钢管混凝土支架组合弹性模量表支架12345678910d*t121*5121*6133*5133*6140*6140*7152*6152*7168*7168*8Esc(N/mm2)57889631785547160327588786344056693609285811161927通过查晓雄和钟善桐教授以及部分研究生对于钢管混凝土的研究，总结出轴压钢管混凝土组合强度计算公式如下：（4-2）（4-3）（4-4）（4-5）式中，fsc——钢管混凝土组合轴压极限强度；k——截面套箍影响系数；ξ——约束效应系数；ke——截面折减系数，圆形截面取1；fck——核心混凝土抗压强度标准值；B——混凝土与钢管强度比。利用以上公式和其他数据计算得到10种模拟用钢管混凝土支架的组合抗压强度。钢管混凝土支架组合抗压强度表支架12345678910d*t121*5121*6133*5133*6140*6140*7152*6152*7168*7168*82.202.721.982.432.292.742.092.492.222.59(N/mm2)72.7782.7668.2177.3874.6483.2670.5178.5173.1980.40根据表4-2计算得到的钢管混凝土支架组合抗压强度，可以获得钢管混凝土支架极限承载力，计算公式如下：Ncp=fscAsc（4-6）Mcp=0.4rcNcp（4-7）式中，Ncp——钢管混凝土支架轴压截面极限承载力；Mcp——钢管混凝土支架受弯截面极限承载力；rc——钢管内半径。代入公式计算得到钢管混凝土支架极限承载力如下表4-3。钢管混凝土支架极限承载力表支架12345678910d*t121*5121*6133*5133*6140*6140*7152*6152*7168*7168*8Ncp（kN）8369519471074114812811279142416221781Mcp（kN*m）18.5720.7423.3026.0029.4032.2835.8139.3049.95钢管混凝土支架支护数值模拟（1）初期支护喷混组合弹性模量计算1)IV级围岩初期支护喷混组合弹性模量计算IV级围岩初期支护采用20cm喷射混凝土，考虑到钢管混凝土的增强作用范围，模拟截面定为H*B=20cm*30cm，混凝土型号使用C30，采用前8种支架进行模拟。结合前面钢管混凝土支架参数和公式（4-1），计算出IV级围岩模拟用初支喷混层组合弹性模量如下表4-4：IV级围岩模拟用初支喷混层组合弹性模量支架号12345678d*t121*5121*6133*5133*6140*6140*7152*6152*7Ac’(mm2)6000060000600006000060000600006000060000Asc(mm2)1149311493138861388615386153861813718137Esc(N/mm2)5788963178554716032758878634405669360928Ec(N/mm2)3000030000300003000030000300003000030000Ec’(N/mm2)35342363553589537019374053857538069393492)V级围岩初期支护喷混组合弹性模量计算V级围岩初期支护采用25cm厚喷射混凝土，考虑到钢管混凝土的增强作用范围，模拟截面定为H*B=25cm*30cm，混凝土型号使用C30，采用后8种支架进行模拟。结合前面钢管混凝土支架参数和公式（4-1），计算出V级围岩模拟用初支喷混层组合弹性模量如下表4-5：V级围岩模拟用初支喷混层组合弹性模量表支架号345678910d*t133*5133*6140*6140*7152*6152*7168*7168*8Ac’(mm2)7500075000750007500075000750007500075000Asc(mm2)1388613886153861538618137181372215622156Esc(N/mm2)5547160327588786344056693609285811161927Ec(N/mm2)3000030000300003000030000300003000030000Ec’(N/mm2)3471635615359243686036455374793830439432（2）支护计算方法选择在围岩作用下隧道衬砌的受力计算有两种模型，即地层-结构法和荷载-结构法。两种方法的主要区别在于承受压力的主要对象，其中地层-结构法认为围岩和支护结构共同承受压力，而荷载结构法认为衬砌主要承受周围围岩的荷载作用。计算模型的选择要根据具体围岩情况，结合具体施工力学思想，考虑在施工和运营阶段的特点，在不同的围岩情况下选择不同的计算模型。在模拟中，选择同一个断面V1深埋段运用两种计算模型进行计算，根据结果并结合实际分析，选择一种较好的计算模型进行各级围岩初期支护内力计算。地层结构法计算地层结构法是地层结构模型的计算理论。其原理是将地层和衬砌视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算内力，并据此验算地层的稳定性和设计构件截面。地层结构法主要包括如下几部分内容：地层合理化模拟、结构模拟、施工过程的模拟以及施工过程中周围地层与结构的相互作用、结构与地层相互作用的模拟。=1\*GB3①计算模型隧道围岩的力学模型采用弹塑模型，土体破坏准则采用摩尔库伦强度理论。地基范围为上下高度取隧道洞身高度的五倍大小，左右宽度取隧道宽度五倍大小，然后进行网格划分。在操作过程中，为使网格划分更为均匀合理，在隧道锚杆周围添加一圈多段线，见图4-1。隧道轮廓及锚杆图在地层结构法计算中隧道的开挖方法选择上下台阶法，考虑到初期支护其他辅助措施对于初期支护的加强作用，将模拟中的上台阶锚杆所在围岩进行加强，具体措施为提升一个围岩等级。结合上下台阶法和围岩加强条件，利用尺寸控制的方法，对隧道及地基进行了网格划分。然后对各个材料进行属性定义，然后利用网格组的析取等功能给个部分具体定义，其中喷射混凝土和二衬选择梁单元，锚杆为植入式桁架。将整个模型进行边界约束，左右边界进行水平约束，下边界添加竖向约束，上边界为自由边界。在上边界施加模型上边界至地表的换算压力（h为上界面至地表高度差），并添加自重荷载。荷载分析是根据施工阶段分析，模拟施工过程中荷载的释放过程，荷载释放系数根据复合式衬砌的初期支护和二次衬砌承载比例来确定。查阅表4-6，V级围岩初期支护承担50%荷载，二次衬砌承担50%荷载。网格划分、边界定义及荷载情况见图4-2。复合式衬砌的初期支护与二次衬砌承载比例围岩级别初期支护承载比例二衬承载比例双车道隧道三车道隧道双车道隧道三车道隧道Ⅰ、Ⅱ100100安全储备安全储备Ⅲ10080安全储备20Ⅳ70603040Ⅴ50405060Ⅵ30307075浅埋地段5030~506060~80网格划分、边界定义及荷载施加=2\*GB3②计算结果分析运行完成后，可得初期支护的轴力和弯矩图见图4-3和图4-4。地层结构法V1级围岩初期支护轴力图地层结构法V1级围岩初期支护弯矩图提取部分节点内力，见表4-7。地层结构法V1级围岩初期支护内力单位标号单元位置轴力（kN）弯矩（kN*m）2515拱顶-10752.42770拱脚-1500-77.42743仰拱-833-0.08荷载结构法计算=1\*GB3①计算模型荷载结构法将围岩和支护结构分开考虑，围岩只对结构产生压力，支护结构为主要承载部分。通过对围岩压力的计算，将围岩的作用转为荷载，直接作用在初期支护结构上。支护结构的力学模型为弹性模型。取和“地层结构法”模型中相同的截面，分别计算出竖直和水平压力。隧道模型利用几何隧道截面建立，围岩压力利用梁荷载施加，边界条件采用曲面弹簧施加，见图4-5。荷载结构法计算模型=2\*GB3②计算结果进行静力分析后得到荷载结构法计算得到的轴力（图4-6）和弯矩图（图4-7）荷载结构法V1级围岩初期支护轴力图荷载结构法V1级围岩初期支护弯矩图提取部分节点内力，见表4-8。荷载结构法V1级围岩初期支护内力单位标号单元位置轴力（kN）弯矩（kN*m）25拱顶-604.117.0455拱脚-743.3-48.02256仰拱-312.2-0.06对比分析表4-7和表4-8，可以发现运用地层结构法模拟得到的初期支护内力几乎是荷载结构法的两倍，并且在模拟过程中发现，随着埋深的增加，地层结构法得到的内力急剧增加，与实际情况有一定的出入。在较差地层中，荷载结构法相对比地层结构法发更为安全和符合实际。地下结构的计算理论虽然已有了许多新的研究成果，但荷载结构法仍然是目前最为常用的一种地下结构计算方法。它的概念清楚，方法简明，容易接受和掌握，是目前几种隧道设计模型中最为广泛应用和成熟的模型。通过分析，钢管混凝土支架模拟主要采用荷载结构法模拟。（3）隧道各级围岩断面初期支护内力计算各级围岩断面内力计算结果考虑到8种钢管混凝土支架的轴力和弯矩图较多，且相同围岩情况下初期支护受力情况基本相同，每种围岩情况只附上一张轴力和弯矩图以减少篇幅。=1\*GB3①IV1级围岩深埋段。计算得到轴力图（图4-8）和弯矩图（图4-9）。IV1级围岩深埋轴力图IV1级围岩深埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚五处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架的强度检算，具体数值如表4-9、表4-10。IV1级围岩深埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（55）1-452.0-575.5-586.7-586.72-453.5-575.5-586.6-586.63-452.8-575.5-586.7-586.74-454.4-575.5-586.6-586.65-454.9-575.5-586.6-586.66-456.5-575.5-586.6-586.67-455.8-575.5-586.6-586.68-457.4-575.5-586.6-586.6IV1级围岩深埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（25）111.60-0.470.0011.60211.55-0.470.0011.55311.57-0.470.0011.57411.52-0.480.0011.52511.50-0.480.0011.50611.45-0.480.0011.45711.47-0.480.0011.47811.41-0.490.0011.41=2\*GB3②IV2级围岩中浅埋段。计算得到轴力图（图4-10）和弯矩图（图4-11）。IV2级围岩中浅埋轴力图IV2级围岩中浅埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚五处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架的强度检算，具体数值见表4-11、表4-12。IV2级围岩中浅埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（55）1-910.3-1120.0-1140.0-1140.02-912.8-1120.0-1140.0-1140.03-911.7-1120.0-1140.0-1140.04-914.4-1120.0-1140.0-1140.05-915.3-1120.0-1140.0-1140.06-917.9-1120.0-1140.0-1140.07-916.8-1120.0-1140.0-1140.08-919.6-1120.0-1140.0-1140.0IV2级围岩中浅埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（25）121.45-1.210.0021.45221.36-1.220.0021.36321.40-1.210.0021.40421.30-1.230.0021.30521.27-1.230.0021.27621.17-1.250.0021.17721.21-1.240.0021.21821.11-1.260.0021.11=3\*GB3③IV2级围岩深埋段。计算得到轴力图（图4-12）和弯矩图（图4-13）。IV2级围岩深埋轴力图IV2级围岩深埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚五处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架的强度检算，具体数值见表4-13、表4-14。IV2级围岩深埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（55）1-449.4-557.0-568.0-568.02-450.7-557.0-568.0-568.03-450.1-557.0-568.0-568.04-451.4-557.0-568.0-568.05-451.9-557.0-568.0-568.06-453.2-557.0-568.0-568.07-452.6-557.0-568.0-568.08-454.0-557.0-568.0-568.0IV2级围岩深埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（25）110.78-0.55010.78210.74-0.55010.74310.76-0.55010.76410.72-0.56010.72510.70-0.56010.70610.66-0.57010.66710.68-0.57010.68810.63-0.58010.63=4\*GB3④IV3级围岩深埋段。计算得到轴力图（图4-14）图（图4-15）。IV3级围岩深埋轴力图IV3级围岩深埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚五处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架强度检算，具体数值见表4-15、表4-16。IV3围岩深埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（55）1-441.7-531.7-542.4-542.42-442.7-531.7-542.4-542.43-442.3-531.7-542.4-542.44-443.3-531.7-542.4-542.45-443.6-531.7-542.4-542.46-444.6-531.7-542.3-542.37-444.2-531.7-542.3-542.38-445.3-531.7-542.3-542.3IV3围岩深埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元号）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）最大（25）19.85-0.650.009.8529.82-0.660.009.8239.83-0.660.009.8349.80-0.670.009.8059.79-0.670.009.7969.76-0.690.009.7679.77-0.680.009.7789.74-0.700.009.74=5\*GB3⑤V1级围岩深埋段。计算得到轴力图（图4-16）和弯矩图（图4-17）。V1级围岩深埋轴力图V1级围岩深埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚、仰拱六处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架的强度检算，具体数值见表4-17、表4-18。V1围岩深埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）3-600.0-711.1-742.7-308.6-742.74-600.9-711.1-742.8-309.4-742.85-601.2-711.1-742.8-309.6-742.86-602.0-711.1-743.0-310.3-743.07-601.7-711.1-742.9-310.0-742.98-602.5-711.1-743.1-310.8-743.19-603.2-711.1-743.2-311.4-743.210-604.1-711.1-743.3-312.2-743.3V1围岩深埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）317.055.16-45.39-0.02-45.39417.055.31-45.91-0.02-45.91517.045.36-46.08-0.03-46.08617.045.50-46.61-0.03-46.61717.045.44-46.38-0.03-46.38817.045.60-46.95-0.04-46.95917.045.72-47.41-0.05-47.411017.045.89-48.02-0.06-48.02=6\*GB3⑥V2级围岩浅埋段。计算得到轴力图（图4-18）和弯矩图（图4-19）。V2级围岩浅埋轴力图V2级围岩浅埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚、仰拱六处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架强度检算，具体数值见表4-19、表4-20。V2围岩浅埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）3-566.6-656.0-687.0-295.1-687.04-567.2-656.0-687.1-295.7-687.15-567.4-656.0-687.1-295.9-687.16-568.0-656.0-687.2-296.5-687.27-567.8-656.0-687.2-296.3-687.28-568.4-656.0-687.3-296.9-687.39-568.9-656.0-687.4-297.4-687.410-569.5-656.0-687.5-298.1-687.5位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）314.996.56-48.58-0.18-48.58415.006.71-49.14-0.21-49.14515.006.76-49.32-0.22-49.32615.016.90-49.89-0.24-49.89715.016.84-49.64-0.23-49.64815.026.99-50.26-0.26-50.26915.037.12-50.74-0.28-50.741015.057.28-51.39-0.32-51.39V2围岩浅埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m=7\*GB3⑦V2级围岩中浅埋段。计算得到轴力图（图4-21）和弯矩图（图4-22）。V2级围岩中浅埋轴力图V2级围岩中浅埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚、仰拱六处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架强度检算，具体数值见表4-20、表4-21。V2围岩中浅埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）3-984.5-1129.0-1181.0-569.1-1181.04-985.7-1129.0-1181.0-570.3-1181.05-986.0-1129.0-1181.0-570.7-1181.06-987.1-1129.0-1181.0-571.8-1181.07-986.7-1129.0-1181.0-571.3-1181.08-987.9-1129.0-1181.0-572.6-1181.09-988.8-1129.0-1182.0-573.6-1182.010-989.9-1129.0-1182.0-574.9-1182.0V2围岩中浅埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）324.6711.13-81.21-0.43-81.21424.6611.40-82.13-0.47-82.13524.6611.49-82.45-0.49-82.45624.6511.76-83.39-0.53-83.39724.6611.64-82.98-0.51-82.98824.6511.94-84.00-0.57-84.00924.6512.17-84.82-0.61-84.821024.6512.47-85.91-0.67-85.91=8\*GB3⑧V2级围岩深埋段。计算得到轴力图（图4-23）和弯矩图（图4-24）。V2级围岩深埋轴力图V2级围岩深埋弯矩图选取轴力和弯矩最大节点、拱顶、拱腰、拱脚、仰拱六处节点为控制节点，用于初期支护喷射混凝土和钢管混凝土支架强度检算，具体数值见表4-22、表4-23。V2围岩深埋初期支护控制节点轴力单位：kN位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）3-563.8-656.0-687.1-306.2-687.14-564.4-656.0-687.2-306.8-687.25-564.6-656.0-687.2-307.1-687.26-565.1-656.0-687.4-307.7-687.47-564.9-656.0-687.3-307.4-687.38-565.5-656.0-687.4-308.1-687.49-566.0-656.0-687.5-308.6-687.510-566.6-656.0-687.7-309.3-687.7V2围岩深埋初期支护控制节点弯矩单位：kN*m位置（单元）拱顶（25）拱腰（50）拱脚（55）仰拱（256）最大（55）315.496.56-48.15-0.20-48.15415.506.70-48.69-0.22-48.69515.516.75-48.88-0.23-48.88615.536.90-49.44-0.26-49.44715.526.84-49.20-0.25-49.20815.547.00-49.80-0.28-49.80915.567.12-50.28-0.30-50.281015.597.29-50.93-0.34-50.93（3）钢管混凝土支架及喷射混凝土截面强度检算1)钢管混凝土支架及喷射混凝土内力分配根据《JTGTD70-2010公路隧道设计细则》和《钢结构基本原理》中对于钢拱架及喷射混凝土的规定，钢拱架和喷射混凝土进行强度校核时轴力由钢拱架与喷射混凝土共同承担，弯矩仅由钢拱架承担。钢管混凝土支架代替钢拱架工作，同样适用于下列计算公式：喷射混凝土承担的轴力：（4-8）喷射混凝土承担的弯矩：（4-9）钢管混凝土支架承担的轴力：（4-10）钢管混凝土支架承担的弯矩：（4-11）式中，N、M—验算截面的轴力及弯矩（kN，kN*m）；Ac、Asc—喷射混凝土及钢管混凝土支架计算截面的面积；Ec、Esc—喷射混凝土及钢管混凝土支架的弹性模量；Nc、Nsc—喷射混凝土及钢管混凝土支架分别承担的轴力；Mc、Msc—喷射混凝土及钢管混凝土支架分别承担的弯矩。钢管混凝土支架及喷射混凝土强度校核喷射混凝土截面受压强度校核应该满足下列公式：（4-12）钢管混凝土支架单向压弯截面强度校核应满足下列公式：（4-13）式中，xc、xsc—喷射混凝土、钢管混凝土支架强度校核系数；Khy—喷射混凝土的抗压强度综合安全系数，取2.0；Rhy—喷射混凝土的极限抗压强度，C30取30MPa；Ncp—钢管混凝土支架抗压极限承载力；Mcp—钢管混凝土支架抗弯截面极限承载力。隧道各级围岩初期支护强度检算结合荷载结构法得到的各级围岩的初期支护喷射混凝土内力（表4-9~表4-23）和公式（4-8）~公式（4-13），对各级围岩不同型号的钢管混凝土支架强度和相应的喷射混凝土强度进行检算。=1\*GB3①IV1级围岩深埋段，最大轴力值出现在拱脚，最大弯矩值出现在拱顶，对拱脚和拱顶截面都进行强度检算，结果见表4-24、表4-25。拱顶截面强度检算型号12345678xc0.8590.8370.8470.8230.8160.7930.8030.779xcp1.1961.0821.0240.9270.8570.7870.7610.700YorNNNNYYYYY拱脚截面强度检算型号12345678xc0.5530.5380.5450.5280.5230.5070.5140.497xcp0.2200.2050.2220.2060.2060.1930.2060.193YorNYYYYYYYY根据表格数据判断，IV1级围岩深埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果都通过了强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，IV1级围岩深埋段初期支护推荐使用3-6号钢管混凝土支架，即133t5、133t6、140t6、140t7四种规格的钢管混凝土支架。=2\*GB3②IV2级围岩中浅埋段，最大轴力值出现在拱脚，最大弯矩值出现在拱顶，对拱脚和拱顶截面都进行强度检算，结果见表4-26、表4-27。拱顶截面强度检算型号12345678xc0.8590.8370.8470.8230.8160.7930.8030.779xcp1.1961.0821.0240.9270.8570.7870.7610.700YorNNNNYYYYY拱脚截面强度检算型号12345678xc1.0751.0451.0591.0271.0160.9850.9980.966xcp0.4280.3990.4300.4000.4010.3750.4010.375YorNNNNNNYYY根据表格数据判断，IV2级围岩中浅埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果中只有6、7、8号同时通过了拱顶和拱脚的截面强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，IV2级围岩深埋段初期支护推荐使用7、8号钢管混凝土支架，即152t6、152t7两种规格的钢管混凝土支架。=3\*GB3③IV2级围岩深埋段，最大轴力值出现在拱脚，最大弯矩值出现在拱顶，对拱脚和拱顶截面都进行强度检算，结果见表4-28、表4-29。拱顶截面强度检算型号12345678xc0.4240.4130.4180.4060.4030.3920.3960.385xcp0.5810.5180.4620.4120.3640.3300.2980.270YorNYYYYYYYY拱脚截面强度检算型号12345678xc0.5360.5210.5270.5110.5060.4910.4970.481xcp0.2130.1990.2140.1990.2000.1870.2000.187YorNYYYYYYYY根据表格数据判断，IV2级围岩深埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果都通过了强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，IV2级围岩深埋段初期支护推荐使用3-6号钢管混凝土支架，即133t5、133t6、140t6、140t7四种规格的钢管混凝土支架。=4\*GB3④IV3级围岩深埋段，最大轴力值出现在拱脚，最大弯矩值出现在拱顶，对拱脚和拱顶截面都进行强度检算，结果见表4-30、表4-31。拱顶截面强度检算型号12345678xc0.4170.4060.4110.3990.3950.3840.3890.377xcp0.5300.4730.4220.3770.3330.3020.2730.248YorNYYYYYYYY拱脚截面强度检算型号12345678xc0.5120.4970.5040.4880.4830.4690.4750.459xcp0.2030.1900.2050.1900.1910.1790.1910.178YorNYYYYYYYY根据表格数据判断，IV3级围岩深埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果都通过了强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，IV3级围岩深埋段初期支护推荐使用3-6号钢管混凝土支架，即133t5、133t6、140t6、140t7四种规格的钢管混凝土支架。=5\*GB3⑤V1级围岩深埋段，最大轴力出现在拱脚，最大弯矩出现在拱脚，故只对拱脚都进行强度检算，结果见表4-32。拱脚截面强度检算型号345678910xc0.5700.5560.5510.5380.5430.5290.5170.503xcp1.9481.7661.5671.4441.2951.1950.9490.887YorNNNNNNNYY根据表格数据判断，V1级围岩深埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果中只有9、10号通过了强度检算，考虑数值模拟与实际情况的差异和成本的影响，V1级围岩深埋段支护推荐使用9、10号或更大规格钢管混凝土支架，即使用168t7、168t8或更大规格的钢管混凝土支架，初期支护中应适当增强其他支护的强度，保证隧道开挖支护的安全。=6\*GB3⑥V2级围岩浅埋段，最大轴力出现在拱脚，最大弯矩出现在拱脚，故只对拱脚都进行强度检算，结果见表4-33。拱脚截面强度检算型号345678910xc0.5280.5140.5100.4970.5030.4890.4790.465xcp2.0851.8901.6781.5461.3861.2791.0160.949YorNNNNNNNNY根据表格数据判断，V2级围岩浅埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果中只有10号通过了强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，V2级围岩浅埋段初期支护推荐使用10号或更大规格钢管混凝土支架，但直径不应超过180，即使用168t8或更大规格的钢管混凝土支架。初期支护中应适当增强其他支护的强度，保证隧道开挖支护的安全。=7\*GB3⑦V2级围岩中浅埋段，最大轴力出现在拱脚，最大弯矩出现在拱脚，故只对拱脚都进行强度检算，结果见表4-34。拱脚截面强度检算型号345678910xc0.7040.6860.6640.6470.6240.6070.5520.536xcp2.9482.6822.4212.2372.0621.9081.5831.482YorNNNNNNNNN根据表格数据判断，V2级围岩中浅埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果全都没有通过强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，V2级围岩中浅埋段初期支护不推荐使用上述8种钢管混凝土支架，可以考虑更大规格的支架模拟。=8\*GB3⑧V2级围岩深埋段，最大轴力出现在拱脚，最大弯矩出现在拱脚，故只对拱脚都进行强度检算，结果见表4-35。拱脚截面强度检算型号345678910xc0.5280.5150.5100.4970.5030.4890.4790.465xcp2.0671.8731.6631.5321.3741.2671.0070.941YorNNNNNNNNY根据表格数据判断，V2级围岩深埋段用含有1-8号钢管混凝土支架的初期支护喷射混凝土数值模拟结果中只有10号通过了强度检算，考虑到数值模拟与实际情况的差异以及成本的影响，V2级围岩深埋段初期支护推荐使用10号或更大规格钢管混凝土支架，但直径不应超过180，即使用168t8或更大规格的钢管混凝土支架。初期支护中应适当增强其他支护的强度，保证隧道开挖支护的安全。4.1.3各级围岩初期支护钢管混凝土支架设计整理4.1.2节各级围岩情况初期支护喷射混凝土截面强度检算结果，得到钢管混凝土支架在这8种围岩情况下的推荐使用参数表4-36。不同围岩级别下钢管混凝土支架推荐使用参数表围岩级别埋深情况原用工字钢参数钢管混凝土支架参数Ⅳ1深埋格栅钢架钢管：133t5、133t6、140t6、140t7核心混凝土：C30Ⅳ2中浅埋I16工字钢钢管：152t6、152t7核心混凝土：C30深埋I16工字钢钢管：133t5、133t6、140t6、140t7核心混凝土：C30Ⅳ3深埋I16工字钢钢管：133t5、133t6、140t6、140t7核心混凝土：C30Ⅴ1深埋I18工字钢钢管：168t7、168t8核心混凝土：C30Ⅴ2浅埋I20a工字钢钢管：168t8核心混凝土：C30深埋I18工字钢钢管：168t8核心混凝土：C30运用制图软件CAD进行了各级围岩钢管混凝土支架的支护图，见图4-25~图4-30。4瓦斯隧道不动火施工技术及动火管理制度研究IV级深埋围岩φ140t7钢管混凝土支架图（cm）IV级深埋围岩φ140t7钢管混凝土支架连接细节图（mm）IV级中浅埋围岩φ152t7钢管混凝土支架图（cm）IV级中浅埋围岩φ140t7钢管混凝土支架连接细节图（mm）V级深埋围岩φ168t8钢管混凝土支架图（cm）V级深埋围岩φ168t8钢管混凝土支架连接细节图（mm）4.2煤系地层软岩初支锚杆不动火施工技术研究4.2.1煤系地层软岩初支锚杆不动火施工必要性分析铁路、公路等隧道工程在贯穿山体时，由于客观地质条件的原因，往往不可避免穿过煤系地层，瓦斯作为成煤过程中的伴生气体，在隧道开挖掘进过程中，围岩平衡被破坏，瓦斯等有毒有害气体涌入开挖空间，当瓦斯浓度达到一定浓度，遇到火花会发生瓦斯燃烧或爆炸。瓦斯气体无色、无味、难溶于水，比空气轻，瓦斯在空气中的浓度为5%～16%时，遇火、静电等引火源易引发爆炸。基于瓦斯的性质，常态难以觉察，必须借助专门的仪器才能测定，同时瓦斯隧道施工常沿用常规普通隧道初支施工工艺，如焊接、切割等工艺中不可避免产生火源。隧道在作业面开挖时，若按照常规施工工艺组织施工，在初期支护工序施工时，电火花及掉落焊渣极易引燃瓦斯，甚至引起瓦斯爆炸等事故。初期支护的架设钢拱架作业，因围岩新暴露面积大，瓦斯涌出量大，环境瓦斯浓度高，动火作业危险系数高。由于目前隧道施工过程中完全杜绝火源实现难度大，而且瓦斯检测不到位情况发生较多，为了避免在隧道内高瓦斯工区及煤与瓦斯突出工区段进行拱架焊接、切割等动火作业，需采取针对性措施。第一，可在洞外预焊接及弯制的，将焊接及弯制工作改在洞外进行；第二，对必须在洞内进行连接的工作，改常规的焊接工艺为栓接、销接及绑扎等不动火工艺。4.2.2煤系地层软岩初支锚杆不动火工艺施工初期支护不动火施工主要分为以下两个阶段：（1）准备阶段1)模具制作：在钢筋加工场地内，使用φ14、φ10钢筋按照拱架设计弧度、分节长度焊接形成模具，并在模具上按照连接筋设计环向1m间距焊接短钢筋，形成连接筋套管焊接时限位卡具；2)连接套筒：钢拱架（钢格栅）在钢筋加工厂加工完成后，在钢拱架（钢格栅）环向按lm间距焊接连接套筒，连接套筒采用长度5cm的φ42钢管，如图4-31所示；3)锁脚套筒：在钢拱架预定锁脚位置焊接锁脚套简，锁脚套筒采用长度等于钢拱架（钢格栅）径向厚度6cm的φ50~φ60钢管，锁脚套简底部焊接锁脚加强筋，如图4-32所示；连接套简锁脚套筒4）连接筋：根据不同围岩级别所确定的钢拱架间距d，制作型连接筋，考虑施工误差，连接筋加工长度d-5cm、d、d+5cm、d+10cm，（按单循环2榀计算），如图4-33所示；5）锁脚锚杆（管）：制作L型锚杆4套/榀，除L型弯钩外，直边长度设计至基岩。若锁脚采用导管，需制作U型锁脚筋4套/榀，L型锚杆及凵型锁脚筋制作，如图4-34所示。6）另现场配备8号绑扎铁丝若干，用以固定绑扎钢筋网片。连接筋锁脚锚杆（2）实施阶段1)提料：掌子面开挖、出碴、排险及初喷作业循环完成后，根据开挖进尺确定钢拱架支立榀数及间距，在钢筋加工场提取相应规格的钢拱架（钢格栅）、相应长度的连接筋（采用锁脚导管工艺的工点需提取U型锁脚筋）。作业人员根据测量结果，确定钢拱架（钢格栅）支立位置及高程，尽量调整钢拱架（钢格栅）底部高程与设计相符，以确保钢拱架（钢格栅）连接筋安装顺利。2)钢拱架（钢格栅）支立：第一榀钢拱架支立时，利用U型连接筋与上循环相应位置的套简进行连接固定，固定筋安放顺序优先考虑双侧拱脚及拱顶，固定筋安放完成后可陆续按设计位置安放连接筋直至安放完成。为便于连接筋顺利安放，连接套筒采用φ42钢管，连接筋与连接套筒的间隙可采用钢筋楔子或木楔子楔紧，也可采用锚固剂填塞密实以做固定。连接筋施工完成后，可进行钢筋网片绑扎施工。3)钢筋网片绑扎：钢筋网绑扎线采用8号铁线，以确保网片与连接筋、钢拱架连接紧密，在喷射砼过程中避免出现松动或脱落现象。如单循环需支立多榀钢拱架/N格栅，施工顺序同上，钢筋网片搭接及外露同常规施工工艺。连接套管及连接筋施工如图4-35所示。4)锁脚施工：钢拱架（钢格栅）及钢筋网片施工完成后，施钻人员可进行锁脚钻孔施工。锁脚钻孔时，钻杆须穿过锁脚套筒至基岩，钻孔角度与锁脚套筒一致，以便锁脚锚杆或锚管安装顺利。L型锚杆安装时，锚杆直角边必须卡紧锁脚套筒，以便在注浆工艺结束后，锚杆能卡紧钢拱架（钢格栅），达到抗收敛的目的。采用锁脚导管工艺时，锁脚导管安放完成后，需插入U型锁脚筋并与钢拱架紧贴，在注浆工艺完成后达到抗收敛的目的。锁脚施工如图4-36所示。连接套管及连接筋施工锁脚施工5)喷射混凝土：喷射混凝土施工前，需对钢拱架底部连接板及以上5cm范围进行堆沙和包裹，以避免喷射混凝土堵塞螺栓孔，导致下导施工时钢拱架/钢格栅无法栓接。喷射混凝土工艺同常规施工工艺。4.2.3煤系地层软岩初支锚杆不动火工艺施工效果隧道施工过程中穿越煤系地层段落长、煤层多、埋深大、地质条件复杂，瓦斯涌出量大，严重制约了施工安全及施工进度，由于我国对瓦斯隧道的施工尚未有成熟经验，为确保工期、施工安全、经济成本及施工效率，项目部结合隧道的实际情况，改常规的切割、焊接等动火作业为拴接、销接及绑扎等不动火作业方法。实践应用不动火工艺施工以来，该工艺避免了洞内的支护作业产生火源：（1）从源头杜绝了瓦斯事故发生的概率，确保了隧道施工安全，创造了良好的施工环境；（2）质量上因为拱架间连接筋尺寸和拱架上套管位置固定，现场实际施工对拱架垂直度和拱架间距要求标准较高，基本解决了拱架间距超标的问题；（3）根据现场实际考核，拱架安装对位时间增加，但是连接筋、锚杆和锁脚的安装时间减少，工人安装熟练后，每榀拱架安装时间基本与常规工艺施工时间一致。通过不动火工艺施工，在安全、质量及工程进度上均取得了良好的应用效果。（4）该工艺避免了洞内的支护作业产生火源，极大降低了瓦斯事故发生的风险。从隧道工程开始施工到顺利贯通，施工过程中虽然瓦斯涌出量较大，但未发生任何瓦斯燃烧、瓦斯爆炸等事故，应用效果良好。4.3瓦斯隧道动火管理制度标准化研究4.3.1隧道动火原因分析（1）瓦斯隧道的特点1)瓦斯的主要成分瓦斯气体主要含有烷烃,其中气体多数是甲烷，还含有少量的乙烷气体、丙烷气体以及丁烷气体。一般情况下，瓦斯燃烧温度为650℃～750℃。燃烧温度会受到瓦斯气体的浓度、火源特性以及压力等方面的影响。瓦斯气体的含量处于百分之七至百分之八时，非常容易引燃；对于混合气体来说，当它们的压力上升的时候，引燃的温度会受到影响而下降；在同一温度下，火区较大，与更多的时间和更容易引燃煤气点火。当浓度降低至5％时，天然气遇到火不爆炸，但可以形成在燃烧层中的火层以外；当浓度为9.5％时，天然气爆发力最大；浓度为16％的气体则爆炸性丧失，但在遇到空气和明火时则会燃烧。瓦斯爆炸的界限并不是一个固定值，它还会受到很多方面的影响，如温度、压力、煤尘等。2)瓦斯在煤层中存在的方式瓦斯在煤层是以溶解、游离、吸附三种方式存在。在一般情况下，游离天然气含量占煤层现有瓦斯包含量的百分之八十至九十，与煤体中空间、瓦斯压力与围岩温度的大小相关。处于吸附状态下的瓦斯，其含量与煤的碳化程度和架构特征有关。如果天然气处在游离和吸附条件中，其状态是不断变化的，会形成动态平衡；如果煤体的结构被毁坏或者温度提高、外部压力下降，则瓦斯将会从吸附状态转换为游离状态；反之，温度下降或外在压力上升时，游离状态的瓦斯将转换为吸附状态的瓦斯；这种局部的瓦斯含量发生转变的情形分别为解吸和吸附。3)瓦斯涌现的方式天然气的涌现有两种形式，一种形式为一般涌出，另一种则是异常涌出。由于开采的作用，煤岩层原始形态受到损坏，透气性提升，在压力作用之下处于游离状态的天然气会流向采掘空间，从而形成瓦斯涌现。（2）隧道动火原因瓦斯隧道施工原则上禁止动火，但施工过程中不可避免地局部要使用电焊、热熔焊等，所以隧道需要动火施工。但要求先进行动火申请，经批准后在瓦检员、安全员在位并进行必要的防护后才能开始作业。1)各种焊接、切割作业，由于在隧道施工过程中，钢筋的加工，钢筋网的焊接，以及钢拱架的焊接，都会产生动火。因此，在瓦斯隧道中要加强防范。对于易产生动火的焊接或切割，我们可以采取在洞外焊接组装完成，然后在洞内达到不动火施工。2)在隧道施工时会涉及临时用电、各种电器以及电动工具。比如机械开挖时会用到电钻，隧道内的照明需要涉及到电。因此我们在施工时应该使用防爆的电动工具和防爆的电器。3)在比较密封的环境或者通风效果不好的隧道内也容易产生动火。由于隧道内施工时产生的灰尘或粉尘较多，由于通风设施效果不够好就很容易形成爆炸产生动火。因此，应加强隧道内的通风排风效果。4)现场堆有大量可燃和易燃物质的场所。由于可燃物和易燃物的存在，就增大了隧道产生动火的可能性。因此，要禁止或避免现场可燃和易燃物的堆放。5单层衬砌结构结构受力特性分析及数值模拟4.3.2瓦斯隧道常用对策及其存在的问题参考现有瓦斯隧道施工技术，对于低瓦斯隧道，目前主要采用以下对策进行安全控制。（1）加强通风及监测施工一般要求非常严格，如当检测发现瓦斯浓度达到0.3%～0.5%时，瓦检人员应向现场负责人报警，同时加强瓦斯浓度检测；当瓦斯浓度超过0.5%时，瓦检人员应立即向现场施工负责人报告，由现场施工负责人立即组织停止工作，撤出人员，切断隧道中电源，查明原因，加强通风检测，为了施工安全，甚至会把瓦斯浓度控制在低于0.3%才能恢复施工。从上述控制过程就知道，瓦斯隧道的控制与施工干扰非常大，即使瓦斯浓度较低时也会导致施工紧张，如果由于误差而测试出现异常，则会对工程施工造成极大影响。（2）设备防爆常规隧道开挖、支护和运输等普通机械设备在瓦斯隧道内作业存在安全隐患，因此不影响设备的正常使用的前提下必须对运输车、装载机和挖掘机进行合理改造以适应实际使用环境，使其基本的防爆要求。由此，需要配备或改装大量防爆设备，如果因瓦斯浓度较低使得设备不用启动而闲置，造成成本极大浪费。（3）有轨运输依据相关规定，在瓦斯隧道中一般不能采用无轨运输，优选有轨运输以避免无轨汽车排烟尾气火花引发瓦斯爆炸。如果采用有轨运输，就目前隧道开挖量看，出渣速度慢且严重影响整个工程的进度。（4）供配电技术瓦斯隧道施工洞内供电必须做到“三专”、“两闭锁”，即专用变压器，专用开关，专用供电线路，瓦斯浓度超标时与供电的闭锁及压入式通风的风机与洞内供电的闭锁。因此，瓦斯工区的主通风机、局部通风机和洞内与之相应的工作面的电气设备，必须与瓦斯监控系统进行风电、瓦电闭锁，当通风机停止运转时，应能立即自动切断局部通风机供风区段的一切电源。这些技术均很多程度影响施工管理，使得施工难度大大增加。4.3.3隧道施工动火管理措施瓦斯隧道施工管理必须贯彻“安全第一，预防为主，综合管理”的方针，牢固树立安全第一的思想，提高安全意识，做到不安全不施工。建设和完善安全管理体系，落实各项安全管理措施和安全施工责任制，建立健全各项规章制度，落实一岗双责，做到管生产必须管安全。（1）项目部应安排专职瓦斯检测员按照“一炮三检制度”要求检测洞内瓦斯浓度，不定期对洞内瓦斯等有害气体加强检测，特别注意检查隧道洞内拱部、开挖凹凸处等瓦斯易产生积聚部位的检测。瓦斯检测人员和隧道专职安全员必须执行洞内巡检制度。（2）隧道掌子面坚持先探后掘，掌握煤层及瓦斯赋存情况，进行突出危险性预测预报。（3）严格放炮管理，使用三级煤矿许可有水炸药，使用煤矿许可毫秒延期电雷管，总延期不超过130毫秒，炮眼封泥符合规程要求。放炮前将所有人员全部撤出隧道，起爆点设在隧道口处两侧不小于30m处。（4）严禁隧道内明火作业，严禁携带烟草及点火物品进入隧道。洞口20m范围内严禁明火。（5）严禁穿化纤衣服进入隧道。（6）配备相应的安全防护用具及应急救援物质。（7）项目部应在隧道洞口建立值班室，安排专人值班，凡是有作业人员及相关管理人员、上级检查人员进入隧道前，必须进行登记和接受洞口值班人员检查，不准将火柴、打火机及其它易燃物品带入洞内，同时严禁无关人员进洞隧道内。（8）在洞内施工作业面附近必须配备通信设备。（9）爆破作业必须执行“一炮三检制度”。（10）电工、爆破工、瓦斯检测人员等特种作业人员，必须经地方安监部门培训，取得合格证后，方准上岗。（11）洞口值班人员必须做好进洞人员登记和翻牌制度，洞口必须建立交接班制度，交接班时必须双方签字认可。4.4本章小结（1）针对瓦斯隧道不动火新型支护结构设计，提出了圆形实心钢管混凝土支架在瓦斯隧道中的应用。通过对圆形实心钢管混凝土支架组合弹性模量计算、极限强度和承载力计算、数值计算和强度校核，选取出各级围岩不同埋深情况下可以采用的钢管混凝土支架参考规格，具体结果见表4-36。（2）不动火施工工艺在安全性方面是优于常规工艺，不动火施工消除了煤系地层下瓦斯突出隧道内动火作业可能引起的瓦斯燃烧和瓦斯爆炸等安全隐患；施工质量方面，因为相邻拱架间连接筋尺寸和拱架上套管位置固定的原因，现场实际施工对拱架垂直度和拱架间距要求标准较高，使钢拱架的施工质量得到了保证；虽然这样会使拱架安装对位时间增加，但是连接筋、锚杆和锁脚的存在使拱架安装时间有效减少。但在成本控制方面，因为套管的存在施工成本却是增加的，但不可否认，如果发生安全隐患，造成的经济损失将大大高于套管的成本。综合来看，通过初支工序不动火工艺技术研究，不动火施工工艺能从源头上杜绝高温和火花，安全系数高。但瓦斯隧道施工所处区域地质复杂，不同类型隧道工序不同，不动火工艺技术是否可推广到所有类型的瓦斯隧道有待研究。因此，应通过研究和实践积累，为瓦斯隧道安全施工提供宝贵经验。（3）由于隧道瓦斯控制不好会有很大风险，因此在实际施工中必须结合工程实际情况，对其具体特点、危害进行分析并找出其存在的问题，进而提出合理可行的控制方法以保证隧道施工安全及满足工程进度要求。当前，瓦斯隧道管理现状决定了管理费用不足，而按瓦斯的管理标准进行施工则不能满足瓦斯或低瓦斯安全管理需要，为此施工单位必须充分依据自身条件调动相关因素才能确保工程安全。从瓦斯隧道施工实践看，只要对瓦斯的检测与通风、隧道内电器设备、隧道动火和施工管理做到位，尽管施工过程可能比较困难，仍然能较好地完成工程安全、工程及成本目标。所以对瓦斯隧道的特点、存在问题及其控制管理办法还应在今后做更为广泛且深入研究。5隧道过瓦斯突出煤层防突参数与安全施工技术研究5隧道过瓦斯突出煤层防突参数与安全施工技术研究5.1瓦斯隧道抽、排放系统适用性分析5.1.1瓦斯隧道抽、排放系统特点瓦斯抽放是指利用机械设备和专用管道将煤层或岩层中存在或释放的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的技术。目前采用较多是本煤层钻孔抽放和穿层钻孔抽放。本煤层钻孔抽放：是钻孔打入未卸压的原始煤体进行瓦斯抽放，其抽放效果与原始煤体的透气性和瓦斯压力有关。穿层钻孔抽放：是在隧道施工区域，通过煤层顶板或底板施工钻孔并使其穿透煤层，