隧道穿越煤系地層的施工風險

劉玉賢，謝忠球

(中南林業科技大學 土木工程學院，長沙414004)

在公路隧道建設中，由于條件限制，有時不得已要穿越煤系地層﹒煤系地層作為一種特殊的巖土體，其巖質偏弱、結構破碎、遇水易軟化、工程力學性能較差；同時，其中富含瓦斯氣體，對隧道施工的安全構成了極大的威脅﹒此外，有開采歷史的煤系地層中往往存在著采空區，這也是隧道施工安全的重要隱患﹒由于煤系地層的上述特點，導致穿煤隧道的施工難度大﹒基于此，該問題已然成為隧道施工領域的重要研究方向﹒韓光欽[1]結合貴州盤興高速中的穿煤隧道，分析了隧道施工過程中潛在的瓦斯突出和采空區坍塌風險，進而提出了相對應的施工措施﹒晏啟祥等[2]在分析滬昆高速某煤系地層隧道建設條件的基礎上，采用層次分析法對該隧道瓦斯爆炸和采空區失穩的風險因素進行識別﹒葉飛等[3]對郭家川二號穿煤隧道的施工風險進行了綜合分析，在此基礎上提出了針對性的風險規避措施，同時考慮采空區位置分布情況對隧道結構受力的影響﹒目前，針對煤系地層中的隧道施工研究主要集中在瓦斯和采空區2個方面，對煤層的工程力學性質考慮較少﹒鑒于此，本文結合實際隧道工程，在分析煤層典型特點基礎上，對穿煤隧道的潛在施工風險源進行識別，采用層次分析法、專家調查法和模糊綜合分析法對該隧道施工風險進行計算分析，并提出風險控制措施，旨在為提高穿越煤系地層隧道施工技術提供理論支撐﹒

1 工程概況

貴州省某高速公路隧道為分離式長隧道，左幅隧道起訖樁號為ZK14+155～ZK15+570，全長為1 415m，最大埋深約235 m；右幅隧道起訖樁號為YK14+170～YK15+565，全長為1 395m，最大埋深約262 m﹒隧道場區露出地層巖性包括第四系殘坡積層粉質粘土、三疊系下統夜郎組泥巖、二疊系上統長興組灰巖及二疊系上統龍潭組粉砂質泥巖夾煤﹒ZK141+550～ZK141+720(YK141+ 516～YK141+718)段隧道穿過煤系地層，見圖1﹒

圖1 隧道穿煤段平面圖

據調查，該區域范圍分布有30處煤洞，系當地村民私采濫挖所為，開采年限為1995—2010年，大部分井口已封閉掩埋﹒煤洞寬度為1.2～2.0m，高度大約在1.5～2.5 m，埋深20～50 m不等，整體朝向北側，沿巖層傾向開采，并形成了平面長約260 m、寬約400 m的煤窯群采空區﹒采空區對地表造成了嚴重破壞，導致地表有多處塌陷坑，場地穩定性差﹒

采取S-ZK1深孔揭露的代表性煤樣，對其進行室內瓦斯含氣量測試，測試結果見表1﹒

表1 S-ZK1鉆孔瓦斯含量測試結果

對S-ZK1鉆孔的煤層瓦斯壓力進行測試，得到其瓦斯壓力達0.12MPa，測試結果見表2﹒

本次瓦斯壓力測試段落為S-ZK1，鉆孔深度40.0～40.5 m，隧道穿煤段的埋深在120 m左右，該埋深大于測試段落深度﹒考慮到瓦斯壓力隨煤層埋深的增加有增高的趨勢，在隧道埋深范圍內的瓦斯壓力應高于S-ZK1的測試結果﹒

2 風險源分析

根據上述分析，該隧道穿煤段的瓦斯具有含量高、壓力大的特點，施工中應尤為注意﹒同時，該段煤層為二疊系上統龍潭組粉砂質泥巖夾煤，其巖質偏弱，結構破碎，遇水易軟化，工程力學性質差﹒該段隧道施工中存在著諸多潛在的風險，具體分析如下﹒

2.1 揭煤突出風險

揭煤突出是指煤層和瓦斯在隧道開挖過程中突然通過掌子面向隧道空間大量突出的現象，其一般發生在高瓦斯煤系地層中﹒

根據S-ZK1的揭露，本隧道的瓦斯壓力為0.12 MPa﹒在隧道鉆爆施工過程中，爆破產生的沖擊波將破壞掌子面附近圍巖的整體結構，使其突然破碎并向掌子面后方拋出﹒此時，若掌子面前方圍巖自穩能力較差，無法抵抗煤層的瓦斯壓力及地應力的擠壓作用，深部煤層可能會跟隨掌子面巖土體一同向隧道內噴出，進而引發施工安全事故﹒

2.2 瓦斯爆炸風險

瓦斯爆炸發生的基本條件有：濃度介于5%～16%的瓦斯、溫度介于650 ℃～750℃的引火溫度以及不低于12%的氧氣濃度﹒根據S-ZK1 的揭露，本隧道的瓦斯含量為1.3 cm3·g-1﹒在隧道施工過程中，煤層中的瓦斯必然會沿著圍巖內部的節理裂隙向隧道內溢出，如果隧道內施工通風不到位，且對煙火管制不嚴格，極有可能達到瓦斯爆炸的條件，進而引發重大安全事故﹒

2.3 煤層大變形風險

圍巖大變形是指作用在巖體上的外力超過了巖體自身的屈服強度，進而導致圍巖發生塑性破壞的過程﹒本隧道穿煤段圍巖為粉砂質泥巖夾煤，巖質較軟，遇水易軟化，抵抗外力的能力相對較差﹒如果隧道施工過程中支護不及時或隧道施工臨時排水不到位，發生初支變形侵限的可能性較大，并可能引發隧道施工安全事故﹒

2.4 煤層塌方風險

隧道的開挖即是對周邊圍巖原始狀況的破壞，進而不可避免地將發生圍巖應力重分布，此過程可能誘發圍巖內部的軟弱結構面產生松弛剝離現象，進而導致隧道周邊巖土體向隧道空間范圍內大量塌落﹒上述現象被稱之為隧道塌方，其整個發育過程可簡要概括為如下幾個階段：隧道洞身開挖；圍巖應力重分布；圍巖及支護結構破壞失穩；隧道塌方﹒

本隧道穿煤段圍巖為粉砂質泥巖夾煤，節理裂隙較發育，巖體破碎，整體呈碎裂狀松散結構，圍巖自穩能力差，若沒有適當的支護易發生掉塊乃至塌方事故﹒同時，該段落存在煤層采空區，其作為圍巖內部的臨空面，給深部圍巖的松動破壞提供了可能﹒如果隧道鉆爆開挖對圍巖擾動過大，且超前預支護不到位，則很可能引發隧道掌子面塌方﹒同時，若隧道支護結構不當，襯砌背后存在空洞，也可能導致已施作襯砌段發生塌方﹒

2.5 煤層突水涌泥風險

突水涌泥是指當隧道施工揭露了巖溶通道、積水的采空區等富水的地質構造時，或者地下水在自身壓力和土壓力作用下擊穿隧道支護結構，進而出現水流或泥流向隧道內突然涌出的情況﹒本隧道的煤洞位于隧道上方，其下方隧道爆破開挖將對周邊圍巖產生較大的擾動，并可能導致上部積水老煤窯底板巖層的垂向裂隙、節理與下部隧道連通，進而帶來高能涌水的重大安全風險﹒

3 風險等級確定

3.1 風險評估指標體系

該隧道穿越煤層過程中存在的風險事件包括揭煤突出、瓦斯爆炸、大變形、煤層塌方及突水涌泥等，由此構建其風險評估指標體系，見圖2﹒

圖2 風險評估指標體系

3.2 風險評估指標權重分析

在上述工作的基礎上，進行風險評估指標權重分析，具體過程如下﹒

1)建立判斷矩陣A﹒在調研分析該隧道穿越煤層情況、采空區分布情況及煤層瓦斯測試結果等基礎上，并借鑒以往類似工程施工經驗，參與該隧道建設的專家構建判斷矩陣，見表3﹒

2)計算特征向量W﹒根據構建的判斷矩陣A，計算求解其特征向量W﹒

表3 風險判斷矩陣

3)判斷矩陣的一致性檢驗﹒在上述計算的基礎上，對判斷矩陣A的一致性進行分析，具體過程如下：

上述結果表明，判斷矩陣A能夠反映風險事件的真實性，并進而根據其特征向量W確定出各風險的指標權重，具體如表4所示﹒

表4 總體風險指標權重

3.3 風險等級模糊綜合評估

采用專家調查法對該穿煤隧道施工過程中各風險事件的風險等級進行評估，結果見表5﹒

表5 風險事件風險等級專家調查匯總

根據專家調查結果，構建風險等級評判矩陣Ri=[rij]﹒

根據最大隸屬度原則，確定該隧道在穿越煤系地層段的總體施工風險等級為Ⅲ級﹒

4 風險控制措施研究

結合本隧道的工程情況，并總結類似隧道的施工經驗[4-8]，提出如下針對性的施工措施﹒

1)做好超前地質預報﹒現有的超前地質預報手段全面，實際工程中最常使用的有GPS、TSP、TEM 及超前鉆孔4種，通過上述4種預報手段的組合使用，長、中、短距離的相互補充，可實現對前方圍巖情況的精準預報，從而準確判斷出煤層、采空區及富水區的位置，為后續施工提供詳細的地質信息﹒

2)做好超前預支護措施﹒洞身段常規的預支護措施主要是在隧道拱部范圍打設超前小導管或超前大管棚，通過管體及其注漿漿液對掌子面前方圍巖進行預加固，防止掌子面開挖過程中發生塌方，并有利于后續支護結構的施工﹒

3)做好煤層瓦斯的含量測定工作，并根據測定結果制定相應的瓦斯抽放工作，從而有效降低掌子面前方圍巖的瓦斯壓力，確保施工安全﹒

4)做好隧道內瓦斯濃度的檢測工作，并加強隧道內的施工通風；同時，加強隧道的煙火管理工作，應在隧道洞口處設檢查站，對所有進入隧道內的人員和車輛進行煙火檢查﹒

5)施工過程中的機械設備均應按瓦斯隧道的要求選用防靜電、防爆型，同時施工爆破所用的雷管和炸藥也應選用煤礦許用類型﹒

6)隧道應采用機械開挖或控制爆破，以盡量減少對隧道圍巖的擾動﹒

7)選擇合適的隧道開挖方法﹒一般而言，煤系地層所對應的圍巖級別大多為Ⅴ級，故而應采用諸如環形開挖留核心土法、側壁導坑法等分部開挖法，在保證掌子面穩定的情況下，有序進行開挖施工﹒

8)嚴格控制開挖步距﹒隧道規范對于開挖步距有嚴格的要求，實際施工應嚴格遵守規范要求，盡可能早的封閉圍巖，并及時施工仰拱和二襯，防止煤層大變形的出現﹒

9)選擇恰當的支護參數﹒針對初期支護，可考慮增大工字鋼的型號或加密工字鋼的間距，以提供初期支護抵抗圍巖變形的能力﹒同時，若圍巖的拱頂沉降量較大，可考慮加強工字鋼的鎖腳錨桿或采用擴大拱腳的措施﹒此外，加強系統錨桿的注漿效果能有效改善圍巖條件﹒關于隧道二次襯砌，則可從混凝土標號、二襯厚度及配筋等方面進行結構加強﹒

10)做好隧道監控量測工作﹒通過監測結果判斷圍巖和初期支護結構的變形情況，進而采用調整預留變形量或加強初支強度等方式控制圍巖收斂變形﹒

11)做好洞內臨時排水措施，將洞內積水及時排出隧道，嚴禁洞內積水長時間浸泡拱腳﹒

5 結論

1)該穿煤隧道在施工過程中存在著揭煤突出、瓦斯爆炸、煤層大變形、煤層塌方及突水涌泥等施工風險﹒

2)結合本隧道的建設條件，通過風險評估計算求得該隧道的總體風險等級為Ⅲ級，施工風險較大﹒

3)穿煤隧道在施工過程中要做好超前地質預報、超前預支護、瓦斯檢測、煙火管控、控制爆破、監控量測及洞內臨時排水等工作，并應根據隧道圍巖情況選擇合適的開挖方案和支護參數﹒