滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理技術

俞冬曉

(中鐵二十局集團第一工程有限公司, 江蘇蘇州 215000)

滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理技術

俞冬曉

(中鐵二十局集團第一工程有限公司, 江蘇蘇州 215000)

以新建滬昆客專貴州段CKGZTJ-11標大茶山隧道斜井高瓦斯及瓦斯突出工區施工為例，結合大茶山隧道高瓦斯洞段圍巖極破碎且易造成塌方的實際情況提出了“先封閉釋放、再加強支護、后塌腔回填”的總體方案以及相應塌方處理施工瓦斯控制原則。實踐證明，此項技術可安全通過塌方洞段，較好控制軟弱煤層圍巖的變形收斂，防止煤與瓦斯突出事故的發生并確保安全有效推進瓦斯隧道施工作業，為今后類似工程提供了有益的借鑒和指導。

鐵路隧道； 瓦斯； 塌方； 施工技術

新建滬昆客專貴州段CKGZTJ-11標大茶山隧道位于關嶺～普安區間，雙線隧道，左右線線間距為5.0 m，縱坡為人字坡，全長9 956 m。大茶山隧道斜井(XDK0+000=D1K909+000)，全長1 816 m，位于線路左側，與線路小里程方向夾角為31.5°，采用無軌雙車道運輸。其中斜井XDK0+795～XDK0+000(795 m)，正洞D1K908+250～D1K909+677(1427 m)，穿越二疊系上統龍潭組煤系地層，屬于高瓦斯隧道，工程地質條件復雜，不同程度的存在煤與瓦斯突出、巖溶及巖溶水、順層偏壓、地應力及巖爆等不良地質，特殊巖土為石膏。綜合評價本隧工程地質條件較差，因此為全線重點、難點及控制工期工程，施工中遵循“科學、合理、動態”施工極為重要。斜井XDKO+488～475段坡度為6 %的下坡，施工方法為上下臺階法，掌子面圍巖極為破碎，拱頂有大量粉末狀煤，在施工過程中已出現嚴重塌方，給施工帶來了極大的困難。因此，必須對瓦斯塌方處理方法及參數進行研究，提出切實可行的對策以保證工程順利進行。

1 塌方及其原因分析

瓦斯隧道在揭煤過程中特別是穿越斷層破碎帶時很容易發生塌方事故，應迅速探明塌方情況及基本特征。主要了解塌方發生時間、里程、塌方范圍、塌方體特征、地質條件及圍巖變形、瓦斯濃度、支護變形等情況。

(1)地質原因。由于地質條件的復雜多變，地下工程難免會通過褶皺構造、斷層、節理裂隙發育地帶產生塌方；由于圍巖本身不穩定和已切割成碎片而強度低而導致結構松散，節理面有泥質物及巖屑充填；由于支護的不及時而暴露時間過長，會導致圍巖風化嚴重；或因通過斷層，突然遇到較高水壓富水洞段，地下水向洞室內漏出，淘空了斷層構造帶中破碎巖體和充填物時；或由于巖層產狀不利或因巖爆等諸多地質原因而產生不同程度的塌方。

(2)人為因素。在施工過程中，一些施工人員對地下工程所通過的地質情況不了解，忽視圍巖細微變形，對圍巖自穩能力作過高的估計，對不良地質洞段沒有采取合理的開挖方法；或支護不及時，在開挖時，爆破對圍巖的擾動過大，開挖后令圍巖暴露時間過長，風化程度加劇；或由于設計不當，中途進行二次擴挖和更換支撐，造成應力再次重分布，使得原來不應塌方洞段，因巖體的失穩而產生塌方。

為了進一步了解塌方體基本特征，還可以采用地質預報的手段對塌方體進行檢測。隧道塌方斷面如圖1所示。

(a)塌腔體橫斷面

(b)塌腔體縱斷面

2 塌方處理及加固方案

瓦斯隧道在揭煤過程中一旦發生塌方事故，應該立即啟動應急預案進行搶險救護，防治事態擴大。參考隧道工程技術[1-3]，塌方處理的總體指導思想是先封閉釋放控制瓦斯溢出，排出塌腔內積聚瓦斯；再加強支護穩定圍巖，加固塌方影響段；后塌腔回填固結塌方體。穩步推進，安全施工。塌方處理流程見圖2所示。

圖2 瓦斯隧道塌方處理流程

施工步驟如下：

(1)加強通風及瓦斯監測，確保在每一步施工過程中瓦斯濃度不高于0.5 %。

(2)采用C20氣密性混凝土將掌子面封閉，避免瓦斯涌出，影響進一步加固施工。

(3)在距塌方體邊緣5 m范圍內已經完成初期支護的邊墻及拱頂均打設花鋼管，并注水泥漿液，加強該段的穩定性。

(4)為進一步控制塌方及保證下步中管棚施工，在掌子面打設雙排超前小導管,并注漿。

(5)將掌子面塌方掉落碴體處理平整，然后將小導管外露部分及拱頂采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實。

(6)為了中管棚的施作，緊貼掌子面安裝兩榀并排鋼拱架，并采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實。

(7)在拱架頂部施作中管棚，并注水泥漿液，中管棚末端要打入巖石。因塌腔較大，里面瓦斯積聚，為防止塌腔內瓦斯涌出，打設鋼管作為瓦斯排放孔。在打管棚孔時，準確記錄鉆孔里的瓦斯濃度，一旦掌子面瓦斯濃度超出1.0 %時，撤出人員加強通風。

(8)開挖出碴時注意進尺不能過大，每次開挖后都要進行初噴，然后安裝0.6 m/榀鋼拱架。

(9)對塌方影響段靠掌子面側加強支護。當這段塌方順利通過后，泵送C20氣密性混凝土。

(10)為確保施工的安全，當該段與掌子面有足夠距離時，施作40 cm厚二次襯砌。

3 塌方現場處理施工工序

依據隧道施工技術[4-6]，確定滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理施工工序。

3.1 排放瓦斯

由于瓦斯比重比空氣輕，在塌腔體內容易形成通風死角，造成長期釋放出的瓦斯在塌腔內嚴重聚積，濃度極高，在處理掌子面塌方前必須排出塌腔內的瓦斯。將高壓風管接入塌腔體內，將通風管接到距離掌子面小于5 m的位置，檢查洞內瓦斯自動監控設備，確保處于良好的工作狀態，然后同時開啟洞外空壓機及通風機(高檔位)，將塌腔內的瓦斯排出洞外，瓦斯濃度降低到規定值以下方可進入洞內施工。

3.2 初步控制塌方

由于該段圍巖極為破碎，煤段已成為粉末狀，所以掌子面穩定性極差。對塌腔頂部噴射C20氣密性混凝土10 cm，封閉塌腔壁，防止坍塌、掉塊及瓦斯釋放等。若作業空間過小不方便直接噴射，可先清理一部分渣體之后在噴混凝土封閉。由于塌方段大部分含有煤層，圍巖自穩能力極差，要安全通過塌方段，需要預先對塌方段靠洞口方向的影響區域進行加固，防止在施工時塌方范圍向洞口方向延伸擴大，在塌腔處靠洞口方向約5 m范圍內已經完成初期支護的邊墻及拱頂均徑向打設φ42×3.5 mm，L=5.0 m，間距為1.0×1.0 m呈梅花型布置的花鋼管，徑向注水泥漿液，加強該段的穩定性(圖3)。在此施工過程中加強通風，密切關注瓦斯濃度，加強瓦斯監控，將瓦斯濃度降在可控范圍內，瓦斯濃度一旦超過0.5 %，立即停止施工，將人員安全撤出，啟動兩臺通風機，降低瓦斯濃度。

圖3 塌方影響段徑向注漿

3.3 進一步加強支護

為防止拱頂繼續往下塌，在掌子面打設雙排φ42×3.5 mm，L=5.0 m，環向間距為0.3 m超前小導管，小導管外插角10°～15°,并注水泥漿液，水泥漿液按1∶1調配(圖4)。在注漿前將掌子面再次封閉，避免注的水泥漿從掌子面流出，起不到固結的效果。在打設小導管時瓦斯探頭安裝在靠近掌子面的拱頂上，專項觀測人員要隨時掌握瓦斯監控數據，人工檢測要24 h不間斷檢測，有情況及時上報解決。

(a)設計位置布置

(b)實際位置布置

3.4 中管棚超前支護預加固施做

3.4.1 中管棚施做準備工作

為了支撐中管棚端頭，施做管棚孔時容易施做，緊貼掌子面安裝兩榀I18型并排鋼拱架，安裝牢固，定位準確，安裝φ6、間距25×25 cm的鋼筋網片，網片與鋼拱架綁扎牢固。打設4 m雙層鎖腳錨管，加強該拱架的穩定性，最后采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實。

3.4.2 中管棚施做工藝

采用外徑76 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼花管，間距按30 cm設置，外插角一般為10°～15°，可根據實際情況調整。采用水泥漿液，按1∶1配制，漿液強度等級不低于M10。管棚長度為8 m(可按實際情況調整)。鉆進地層易于成孔時，宜采用引孔頂入法；不宜成孔時，可采用跟管鉆進工藝，靈活掌握施做工藝。管棚節間用絲扣連接。管棚單、雙序孔的連接絲扣宜錯開半個節長。管棚安裝后，管口應封堵鋼管與孔壁間空隙，連接壓漿管。管棚注漿前，宜將開挖工作面用氣密性噴射混凝土封閉(圖5)。

(a)設計位置布置

(b)實際位置布置

3.4.3 中管棚施做注意事項

在管棚施工中施工人員及管理人員均應提高安全防護意識。管棚鉆孔時應隨時檢測孔內瓦斯濃度，洞內瓦斯濃度超過0.5 %時，應立即撤出施工人員停止施工，進行瓦斯排放。如若塌腔內瓦斯濃度過高應采取埋設2根φ100鋼管將空腔內瓦斯排出，確保瓦斯濃度在可控范圍內。中管棚支護施作完成后，開挖過程中應加強監控量測，其中拱頂下沉和凈空變化為必測項目。根據監測反饋信息及時采取相應的措施以保證施工安全和施工質量。

3.5 清理洞碴，進行初期支護

將洞碴分為上、下兩個臺階進行清理，先清理上臺階洞碴，然后清理下臺階洞碴，每循環進尺0.6 m，清完碴后及時修整塌腔體面，在出渣過程中噴淋灑水降低煤塵。

每循環出碴完成后立即噴射5 cm C20氣密性混凝土，然后開始進行初期支護，支護參數為：I18拱架，縱向間距0.6 m；掛φ6鋼筋網，@25×25 cm；噴射C20氣密性混凝土20 cm；上臺階每榀鋼架每側打設2根鎖腳錨管，采用φ42×3.5鋼管，L=3.5 m，注漿密實。上臺階初期支護全部完成后開始清理下臺階洞碴，施工下臺階初期支護。

在拱頂背后預留4個φ100孔，2個作為回填混凝土用，距離塌腔頂面20 cm，另外2個作為排放瓦斯用，距離塌腔頂面10 cm(圖6)。

圖6 打設瓦斯排放孔

3.6 塌腔回填

在塌方段處理完成之后，為了防止拱頂可能再次坍塌，防止瓦斯聚積，需要對塌腔回填混凝土，通過預埋管向塌腔內泵送C20氣密性混凝土，回填過程中另一預留管作為排氣及排放瓦斯通道。

3.7 二次襯砌

為了確保施工安全，加強該段的穩定性，在塌方段通過后有足夠施做二襯的距離時，及時施作二次襯砌。模板安裝合格后澆筑厚度為40 cm的C20氣密性混凝土。

現場處理施工結果表明，圍巖在應力重分布和應力釋放過程中在一定程度上引起了支護結構產生位移和變形，但監控量測數據顯示拱頂下沉和凈空收斂均能保證在安全范圍內。

4 結論

(1)在處理瓦斯隧道塌方段時應注意瓦斯排放，加強通風，將瓦斯濃度稀釋至正常值。

(2)中管棚打設末端要頂入巖層中，注漿要密實。

(3)要安裝瓦斯排放管，將塌腔內瓦斯排出，不能使其聚集在塌腔內。

(4)加強監控量測工作，及時分析成果，指導洞室支護參數及二襯的施作，有效保證洞室的安全。

(5) 在煤層地質條件發生變化且隧道圍巖變形較大或突變時，必須盡快調整閉合時間，否則非常容易引起塌方。

(6)按照給出的塌方處理的先封閉釋放控制瓦斯溢出，排出塌腔內積聚瓦斯；再加強支護穩定圍巖，加固塌方影響段；后塌腔回填固結塌方體及穩步推進的總體指導思想和塌方處理工序可以保證高瓦斯洞段塌方安全通過。

(7)由于瓦斯及爆破施工條件影響，塌方工藝與安全控制技術應與揭煤防突技術統籌兼顧。

[1] TB 10120-2002 鐵路瓦斯隧道技術規范[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[2] 鐵建設[2010]241號 高速鐵路隧道工程施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3] TB 10304-2009 鐵路隧道工程施工安全技術工程[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] 國家安全生產監督管理總局. 煤礦安全規程[S].北京：煤炭工業出版社， 2011.

[5] 國家安全生產監督管理總局. 防治煤與瓦斯突出規定[S].北京：煤炭工業出版社， 2009.

[6] 雷升祥.瓦斯隧道施工技術與管理[M].長春：吉林人民出版社，2010: 137-139.

俞冬曉(1983～)，男，本科，工程師，從事隧道工程施工技術與管理工作。

U458.3

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[定稿日期]2017-08-07