煤系地層高瓦斯隧道處治方法研究

楊 光

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 工程概況

大山隧道位于大山鎮司家寨村中下部，設計樁號為左線起點Z5K35+969，設計標高1785.186m，左線終點樁號Z4K37+179m，設計標高1798.997m，全長1210m；右線起點K35+967m，設計標高1785.160m，右線終點樁號K37+163m，設計標高1799.050m，全長1196m。建筑限界凈空（寬×高）10.25m×5.0m，左隧道縱坡1.291%（單向坡），右隧道縱坡1.291%（單向坡）。隧道為弧線型，隧道進口軸線方向182°，出口軸線方向 184°，屬長隧道。

2 工程地質條件

2.1 隧址區含煤地層

大山隧道地層主要為二疊系地層。隧道主要穿過的煤系地層為二疊系上統龍潭組，進出口均有煤層出露（圖1、圖2）。

圖1 隧道出口煤層出露

2.2 隧道瓦斯

大山隧道穿越二疊系上統龍潭組，隧址區煤炭地層可生成瓦斯。隧址區分布 8 層煤層，編號為 2、6、8、10、11、17、20、24，厚度分別為 3.0m、4.5m、1.2m、1.5m、2.2m、3.5m、4.0m、4.5m，總厚度為24.40 米。煤層單層厚度1.2-4.5m，瓦斯吸附在煤層中，開挖時瓦斯將逐漸釋放出來。隧址區地質以砂巖、泥巖及煤層為主，節理裂隙較少，連通性較差，瓦斯易大量聚集，隧道開挖過程中易造成窒息、中毒、爆炸等危險。

3 瓦斯隧道危害

瓦斯主要吸附在煤層中，為無色、無味但易燃、易爆氣體。瓦斯主要危害如下：

圖2 隧道出口煤層出露

（1）瓦斯窒息[1]。瓦斯為多種氣體混合物，其中甲烷（CH4）為瓦斯的主要成分。甲烷易造成人呼吸不暢，當甲烷濃度較高時，會造成人員窒息死亡。甲烷易擴散，其密度小于空氣，易在隧道拱頂聚集，導致隧道拱頂瓦斯濃度增高，含氧量減少。

（2）瓦斯中毒。瓦斯在一定條件下會發生燃燒、爆炸。爆炸會產生大量有毒、有害氣體，易導致人員中毒死亡。

（3）瓦斯爆炸。瓦斯主要成分為甲烷，甲烷與空氣比例達到一定的值時會發生爆炸。甲烷為易燃氣體，當與空氣的混合氣體達到一定濃度時在稍高的溫度下某一個或幾個分子分解釋放能量并帶動周圍分子放能，周邊氣體膨脹形成爆炸，瓦斯爆炸及易造成大面積人員傷亡，危險性極大。

（4）瓦斯突出[2]。在隧道開挖過程中，由于瓦斯的大量聚集，易產生瓦斯大量噴出現象。瓦斯大量噴出導致隧道洞內施工設備、通風設施破壞。隧道洞內充滿瓦斯，極易造成瓦斯爆炸，導致隧道施工被迫中斷。瓦斯突出是瓦斯隧道最嚴重的災害之一。

（5）開裂、塌方[3]。瓦斯隧道開挖易遇到煤系地層，煤系地層自穩性較差，開挖時應注意加強隧道支護，避免開裂、塌方等現象，保證施工時隧道的安全穩定。

4 瓦斯隧道處理方法

大山隧道全線穿越煤系地層，本文主要從揭煤防突、隧道主體結構設計這兩方面來介紹隧道穿越煤系地層高瓦斯隧道處理方法。

4.1 揭煤防突設計

大山隧道全線通過煤層,借鑒相關工程經驗,在煤系地層中進行隧道開挖時，通常采用超前鉆孔措施。超前鉆孔為在隧道開挖掌子面設置一定數量及長度的大直徑鉆孔，防止隧道開挖時瓦斯突出。一般隧道掌子面前方分為卸壓帶、正常應力帶、集中應力帶三段。卸壓帶靠近掌子面，長度一般為3～5m。煤層強度分布相對均勻時，卸壓帶中瓦斯應力相對較小，瓦斯突出可能性較小；煤層強度分布不均勻時，會大大縮短泄壓帶的長度，出現高瓦斯應力區域，隧道開挖時如沒進行超前鉆釋放瓦斯應力，會導致瓦斯突出[4]。具體的瓦斯處理設計圖如圖3、4 所示。

4.2 瓦斯排放設計

為保證隧道施工時人員的安全, 需要對隧道洞內瓦斯壓力、含量、氧氣濃度、溫度、風速和各有害氣體濃度等進行檢測,檢測結果需滿足相關要求,如檢測結果不能滿足相關要求，需繼續加強相關瓦斯排放措施[5]，具體處理設計如圖5所示。

4.3 主體結構設計

（1）超前支護。大山隧道采用雙口掘進，隧道進出口均采用超前大管棚，大管棚采用Φ108，壁厚5mm 的熱軋無縫鋼管，鋼管軸線與襯砌外緣夾角為0.5～2°，單根長1.6～4m，環距40cm，120°角范圍內布設，注漿材料采用水泥漿液。

圖3 超前鉆孔及預測孔布置圖（垂距10m）

圖4 超前鉆孔及預測孔布置圖（垂距5m）

圖5 瓦斯排放鉆控布置圖

V 級圍巖采用超前小導管注漿，小導管采用Φ42，壁厚4mm 的熱軋無縫鋼管，每排小導管縱向搭接長度不小于1m，以5～12°外插角打入圍巖，單根長4.0m，環距40cm 120°角范圍內布設，具體如圖6、圖7 所示。

IV 級圍巖加強段采用超前錨桿，超前錨桿采用Φ25 中空注漿錨桿，每排錨桿縱向搭接長度不小于1m，以5～15°外插角打入圍巖，單根長4.0m，環距40cm，120°角范圍內布設，具體如圖8 所示。

圖6 瓦斯排放效果檢驗鉆控布置圖

圖7 超前大管棚示意圖

（2）初期支護。系統錨桿采用Φ25 中空注漿錨桿，V 級圍巖單根長3.5m，IV 級圍巖單根長3.0m，混凝土均采用C25 氣密性密封混凝土來防治瓦斯滲透，鋼筋網直徑均采用 φ6.5 網格間距均為 20×20（cm），具體如圖 9 所示。

（3）二次襯砌。混凝土采用C35 混凝土，混凝土內添加氣密劑，具體如圖9 所示。

（4）車行橫洞。車行橫洞全斷面設置防水板，防水板搭接處應焊接密實，不得有縫。車行橫洞中施工縫、沉降縫采用中埋式+背貼式止水帶。車行橫洞二襯采用C35 混凝土，并在混凝土內添加氣密劑，確保隧道二襯施工完畢后，瓦斯不進入隧道內。

（5）防排水

隧道采用全包防水，防水板搭接處應焊接密實，不得有縫。隧道施工縫、沉降縫采用中埋式+背貼式止水帶。隧道邊墻鋪設縱向排水管，排水管終點設置水器分離裝置，將分離出的瓦斯氣體在高處排出隧道。

5 結論與建議

圖8 超前小導管及超前錨桿示意圖

圖9 隧道瓦斯段襯砌斷面圖

瓦斯隧道設計時應注意隧道洞內瓦斯的檢測與排放，盡量將隧道洞內瓦斯濃度控制安全范圍內。在隧道洞內瓦斯濃度控制在安全范圍后，應加強隧道支護強度及在混凝土中添加氣密劑，避免隧道建成后，瓦斯進入隧道內，確保隧道運營期的安全穩定。瓦斯隧道施工時，需遵守相關規章制度，施工時應避免相關人為因素引起的事故。