高瓦斯隧道塌方段綜合治理技術(shù)

曹 安

（中交路橋南方工程有限公司，北京 101121）

蘭海高速?gòu)?fù)線重慶至遵義段黃家溝隧道全長(zhǎng)5.27km，單洞兩次穿越煤與瓦斯突出煤層，為煤與瓦斯突出隧道。目前尚未進(jìn)入瓦斯工區(qū)施工，為積累瓦斯隧道施工經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目部多次組織技術(shù)人員至臨近的正在施工中的正習(xí)高速公路某瓦斯隧道進(jìn)行學(xué)習(xí)、交流。文章以正習(xí)高速公路某瓦斯隧道塌方處治案例為依托，對(duì)瓦斯隧道塌方處理進(jìn)行分析總結(jié)，以便為黃家溝隧道出現(xiàn)類似狀況時(shí)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 瓦斯的基本概念及特點(diǎn)

1.1 瓦斯的基本概念

瓦斯主要存在于礦井及隧道中，而煤層中包含的瓦斯氣體包含90%的沼氣，因此在該處習(xí)慣性地將沼氣稱為瓦斯。沼氣具有無(wú)色、無(wú)味、難溶于水且沒(méi)有毒性的特點(diǎn)，重量輕于空氣，如遇到明火則極易發(fā)生爆炸以及大范圍燃燒現(xiàn)象。

公路工程隧道施工工程中遇到的瓦斯地段多為煤系地層，雖然瓦斯本身無(wú)色無(wú)味，但如該氣體與其他芬芳族類其他接觸并混合后則會(huì)出現(xiàn)蘋(píng)果氣味。瓦斯氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下其密度基本為0.716kg/m3，且重量高于空氣，因此多數(shù)時(shí)間會(huì)聚集在坑道中。由于其密集性高，且擴(kuò)散速度相當(dāng)于空氣的2倍，極易從結(jié)構(gòu)松散且裂隙較大的巖石中滲透到其他區(qū)域。瓦斯與沼氣相比能夠微溶于水，且在混入空氣并達(dá)到一定濃度后，遇到火源極易發(fā)生爆炸。瓦斯中含有的乙烷氣體能夠促使人出現(xiàn)頭暈、頭痛甚至昏迷等不適，一旦濃度升高，則極易導(dǎo)致人體出現(xiàn)窒息甚至死亡。

1.2 瓦斯的基本特點(diǎn)

（1）爆炸性。瓦斯氣體本身不具有自然性能，但在與空氣接觸并混合后，與空氣中的氧氣產(chǎn)生充分接觸，一旦到達(dá)一定濃度，則會(huì)在產(chǎn)生或存在火源的狀態(tài)下產(chǎn)生燃燒甚至爆炸現(xiàn)象，具有較大破壞性和危險(xiǎn)性。

（2）滲透性。瓦斯具有較高擴(kuò)散性和滲透性，其擴(kuò)散強(qiáng)度是空氣的1.6倍，極易通過(guò)地下巖層發(fā)生滲透，一旦在隧道施工過(guò)程中對(duì)巖層產(chǎn)生損壞，導(dǎo)致巖層裂隙增大，極易提升瓦斯的滲透性，增加危險(xiǎn)性。

（3）不穩(wěn)定性。瓦斯基本以游離和吸附狀態(tài)存在，且地下巖層內(nèi)壓強(qiáng)等相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，因此瓦斯長(zhǎng)期處于動(dòng)平衡狀態(tài)下，而一旦該地層外界壓強(qiáng)、溫度等出現(xiàn)變化，則極易打破瓦斯的動(dòng)平衡，例如當(dāng)外界壓力提升而溫度降低時(shí)則使部分游離狀態(tài)下的瓦斯變吸附狀態(tài)，反之則會(huì)導(dǎo)致部分吸附狀態(tài)的瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)，不穩(wěn)定性極強(qiáng)。

2 塌方現(xiàn)象分析

某公路隧道工程施工里程為K13+385～K17+445，長(zhǎng)度為4060m，其隧道位置位于該施工段2.35%～3.00%區(qū)域的直線上坡位置，最大埋深為546m，最淺埋深深度為20m。雖然在施工前針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了初期支護(hù)施工，但由于塌方發(fā)生突然且較為嚴(yán)重，其內(nèi)部設(shè)置的鋼拱架已經(jīng)塌陷，且該區(qū)域地下含有瓦斯氣體，在塌方發(fā)生后導(dǎo)致瓦斯出現(xiàn)異常涌出，導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生，進(jìn)而致使塌方情況出現(xiàn)。

3 塌方區(qū)域處理方法

此次針對(duì)塌方區(qū)域分三個(gè)階段開(kāi)展綜合治理工作。第一階段主要針對(duì)塌方區(qū)域開(kāi)展地質(zhì)探測(cè)工作，通過(guò)生成預(yù)報(bào)對(duì)塌方段的具體情況、塌方高度以及圍巖結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面分析；第二階段則需要該塌方區(qū)域的瓦斯泄露情況進(jìn)行全面治理；第三階段則需要通過(guò)更換支護(hù)等對(duì)塌方區(qū)域進(jìn)行綜合治理，進(jìn)而解決塌方問(wèn)題。

3.1 生成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容

塌方區(qū)域?qū)儆谒淼朗┕^(qū)域，且存在高瓦斯情況，因此借助該預(yù)報(bào)技術(shù)可為之后的治理工作提供便利。借助超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行勘測(cè)后得出結(jié)論：K14+850～K14+872段內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重塌方，該段處隧道拱頂出現(xiàn)的最大塌腔高度為33m，其中該段內(nèi)存在未坍塌的松動(dòng)區(qū)域，但在該區(qū)與內(nèi)已充入大量瓦斯氣體，因此在針對(duì)該段進(jìn)行施工處理時(shí)必須加強(qiáng)防護(hù)措施。K14+872～K14+894段出現(xiàn)圍巖破碎嚴(yán)重的現(xiàn)象，存在節(jié)理性裂隙，裂隙中含有水資源。該處圍巖為灰黑色泥巖，巖面較為光滑，但破碎嚴(yán)重，且因水分含量較多存在滑膩狀態(tài)，自穩(wěn)能力已缺失，如進(jìn)行開(kāi)挖則極易導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)塌方，確定該處圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖，偏弱。

3.2 針對(duì)塌方區(qū)域內(nèi)瓦斯的治理方法

（1）借助超前鉆孔勘探技術(shù)分析瓦斯分布情況。此次塌方區(qū)域事先已做好初期支護(hù)，因此塌方區(qū)域內(nèi)不僅含有碎裂巖石、瓦斯氣體，同時(shí)也含有鋼拱架等鋼材料結(jié)構(gòu)，在受到外界壓力等作用下極易產(chǎn)生火花，且有水分和空氣中氧氣與瓦斯充分接觸，極易出現(xiàn)大范圍瓦斯爆炸，因此在現(xiàn)有條件下，需要增大水分含量，使用濕鉆孔方式進(jìn)行勘探方法獲取超前預(yù)報(bào)。經(jīng)第一階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析后可知，鉆孔孔徑控制在100m以內(nèi)、長(zhǎng)度控制在22m、鉆孔體積控制在0.17m3時(shí)可保證鉆孔孔內(nèi)氧氣濃度保持在最低狀態(tài)，遠(yuǎn)低于瓦斯爆炸條件。在進(jìn)行超前鉆孔勘探時(shí)需做好以下工作：第一，將此次鉆孔深度控制在18～21m，共設(shè)置41個(gè)勘探鉆孔，外插角為17°27″，傾角為17°27″，將鉆孔終點(diǎn)設(shè)置在隧道開(kāi)挖線外6.5m處，開(kāi)孔位置設(shè)置在開(kāi)挖輪廓線上，孔間距設(shè)置為0.5m，終點(diǎn)孔間距為0.75m。第二，借助鉆孔對(duì)巖層情況進(jìn)行全面了解。鉆孔時(shí)可及時(shí)對(duì)塌方位置是否存在孔洞、塌方體巖層等情況進(jìn)行了解，在鉆孔過(guò)程中及時(shí)觀察是否存在瓦斯噴涌情況，及時(shí)對(duì)鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)及參數(shù)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。鉆孔時(shí)，其中7個(gè)鉆孔內(nèi)在鉆入4～6m時(shí)存在鉆機(jī)無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，則表示該鉆孔區(qū)域存在塌腔孔洞，所有鉆孔孔內(nèi)排出巖渣為黑色顆粒狀形態(tài)，且未出現(xiàn)瓦斯噴涌現(xiàn)象，掌子面瓦斯?jié)舛扰c回風(fēng)瓦斯?jié)舛染S持在0.05%以內(nèi)，且未出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，針對(duì)拱頂108°位置進(jìn)行鉆孔時(shí)以及鉆孔開(kāi)挖施工技術(shù)的24h內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡撸闯霈F(xiàn)噴涌現(xiàn)象。第三，對(duì)瓦斯參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)與考察。借助超前挖孔勘探法進(jìn)行探測(cè)后發(fā)現(xiàn)整個(gè)勘測(cè)器件內(nèi)瓦斯流量保持在0的狀態(tài)下，因此不必對(duì)瓦斯流量衰減系數(shù)進(jìn)行考察與計(jì)算。而通過(guò)勘測(cè)后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)存在一定規(guī)律：隧道拱頂處瓦斯?jié)舛雀哂谥胁浚移錆舛人p速度與中部相比較快，而炭質(zhì)頁(yè)巖區(qū)域鉆孔瓦斯?jié)舛茸罡撸咚節(jié)舛人p速度卻低于其他區(qū)域。

（2）做好瓦斯治理工作。上述中提到，該塌方區(qū)域主要是有瓦斯爆炸導(dǎo)致構(gòu)造巖體傾出而出現(xiàn)的現(xiàn)象，由于隧道掌子面正處于構(gòu)造向斜軸部,可以判定塌方體巖石是由于隧道開(kāi)挖迎面方向巖體整體向開(kāi)挖空間傾出。經(jīng)結(jié)果分析及設(shè)計(jì)后確定使用強(qiáng)度為C20的混凝土材料對(duì)塌方空腔區(qū)域進(jìn)行灌注固結(jié)施工，將瓦斯進(jìn)行封閉，固結(jié)完畢后需要使用長(zhǎng)度為6m的錨桿支護(hù)方式進(jìn)行加固，將錨桿外插角設(shè)置為30°，錨桿間距設(shè)置為40cm。如空腔較大，則需要重復(fù)固結(jié)與錨固支護(hù)施工，保證混凝土密實(shí)度和封閉強(qiáng)度。

3.3 針對(duì)塌方隧道的處理技術(shù)

（1）對(duì)塌方虛渣進(jìn)行加固。可使用型號(hào)為Φ42的注漿導(dǎo)管對(duì)塌方虛渣進(jìn)行加固，搭接長(zhǎng)度為2m，孔間距控制在15cm，按照梅花形進(jìn)行布設(shè)。導(dǎo)管材料為無(wú)縫鋼花管，管材孔徑控制在8mm以內(nèi)，呈梅花形布設(shè)，其中管距孔口1m處設(shè)作止?jié){段。

（2）對(duì)塌方區(qū)域掘進(jìn)施工及流程。第一，對(duì)塌方區(qū)域上弧使用風(fēng)鎬進(jìn)行開(kāi)挖，使用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)將碎渣進(jìn)行挖出，并使用自卸車輛將碎渣進(jìn)行運(yùn)出，保證每次循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)半米。第二，使用強(qiáng)度為C20的混凝土對(duì)拱頂進(jìn)行噴漿施工，將其噴射厚度控制在3cm，隨后進(jìn)行掌子面封閉施工，施工厚度為5cm。第三，使用Φ32自進(jìn)式錨桿進(jìn)行支護(hù)，并在拱部以每延米為單位設(shè)立18號(hào)工資鋼拱架3榀，鋼拱架縱向間距之間使用Φ22鋼筋進(jìn)行焊接連接，保證將其環(huán)向間距控制在1m。第四，使用型號(hào)為Φ6.5的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行鋪掛加固，網(wǎng)間距設(shè)置為20cm×20cm，隨后進(jìn)行混凝土噴漿施工，噴射厚度為25cm。第五，針對(duì)中核位置進(jìn)行開(kāi)挖并重復(fù)上述施工流程，并根據(jù)具體情況及時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。第六，針對(duì)仰拱位置進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)具體情況選擇整幅施工方式，使用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)和人工風(fēng)鎬進(jìn)行碎渣清理，通過(guò)自卸式汽車將碎渣運(yùn)出，清理完畢后使用C20混凝土進(jìn)行3cm噴漿施工，完畢后借助18號(hào)工資鋼拱架對(duì)邊墻進(jìn)行加固，使用螺栓將鋼拱架與邊墻進(jìn)行連接，縱向之間使用Φ22鋼筋進(jìn)行連接，將其環(huán)向間距控制在1m，安裝完畢后復(fù)噴混凝土施工，施工厚度為25cm。第七，對(duì)仰拱及仰拱填充，仰拱采用厚70cm的鋼筋混凝土，主筋Φ25，縱向間距20cm，縱向分布筋＜12，環(huán)向間距20cm；箍筋Φ10，環(huán)向間距20cm。

（3）二次襯砌。二次襯砌厚度為70cm的C25鋼筋混凝土，主筋Φ25，縱向間距20cm；縱向分布筋Φ12，環(huán)向間距20cm；箍筋Φ10，環(huán)向間距20cm。采用全液壓襯砌模板臺(tái)車，泵送混凝土整體澆注拱墻二次襯砌。

4 監(jiān)控量測(cè)

在初期支護(hù)完成后，對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，主要對(duì)隧道內(nèi)拱頂下沉狀況、水平凈空變換現(xiàn)象等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，如出現(xiàn)下沉、凈空變化明顯等情況則需要及時(shí)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和具體分析，并找出具體解決方案進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)期間需要及時(shí)對(duì)錨固、工字鋼拱架的支護(hù)強(qiáng)度及參數(shù)變化進(jìn)行分析，加強(qiáng)對(duì)塌方隧道處理質(zhì)量的保障。經(jīng)監(jiān)測(cè)后可確定，此次針對(duì)該高瓦斯隧道塌方進(jìn)行處理后拱頂下沉及水平凈空指數(shù)相對(duì)較為穩(wěn)定，且無(wú)混凝土變形、裂縫現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)公路工程中出現(xiàn)高瓦斯地段隧道塌方現(xiàn)象后，不僅需要加大塌方區(qū)域治理強(qiáng)度，同時(shí)也必須及時(shí)考慮瓦斯噴涌及爆炸現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際情況做好綜合治理工作，可借助超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)塌方段具體情況進(jìn)行分析與監(jiān)測(cè)，并借助塌方地段勘探、瓦斯治理及塌方治理的綜合治理方式進(jìn)行施工，做到全面控制瓦斯的同時(shí)提高塌方處理效果，進(jìn)一步提升公路隧道穩(wěn)定性及安全性，實(shí)現(xiàn)全面提升公路工程施工質(zhì)量的目的。