穿越煤層高瓦斯段公路隧道施工技術研究

吳 曌

（中交二公局萌興工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

我國西南地區多為山地丘陵，且煤炭資源豐富，在隧道穿越煤系地層時，常會出現含有大量瓦斯的情形［1］。何家坡隧道屬建造難度較大的山地公路隧道，由于地質條件復雜，運輸條件較差，且沿途便道狹窄，多是鄉村、基本農田、公益林地等，不利于工程建設施工。隧道跨越了巖溶、斷裂等惡劣地質地段，且中間經過了較長的煤系地層和大面積采空區等，故存在煤及瓦斯資源保護問題、煤層瓦斯爆炸等重大安全風險。因此必須做好針對性的安全施工措施，確保工作人員的生命及財產安全。鑒于此，本文以何家坡公路隧道為主要施工依托，對高瓦斯公路穿越煤層群安全施工的關鍵技術進行設計和研究，為類似隧道安全施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道情況

何家坡隧道位于貴陽市修文縣，屬于長隧道。該隧道設計為分離式獨立雙洞隧道，左線樁號全長1668m(ZK40+965～ZK42+633)，最大埋深149.09m；右線樁號全長1645m(YK40+940～YK42+585)，最大埋深155.4m。圍巖級別包括有Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，進口洞門型式為削竹式，出口洞門型式為端墻式。本隧道穿越煤系地層長，含煤地層基本位于隧道中部，在左線ZK41+355～ZK42+005和右線YK41+325～YK41+955段穿過煤系地層，預計穿越煤層4層，為高瓦斯隧道。隧道施工過程中穿越小煤洞釆空區，遇到煤層、斷層、巖溶等不良地質情況，存在突泥涌水、煤與瓦斯突出、煤層瓦斯爆炸、煤層瓦斯自燃等隱患，施工安全風險較高。隧道地質條件如圖1所示。

圖1 隧道地質縱斷面圖

1.2 煤層分布特征

隧道含煤地層基本位于隧道中部，進出口均需穿越煤層，煤層分布段落在分別為左線ZK41+355～ZK42+005以及右線YK41+325～YK41+955段，分布深度在地面下61～141m（左線）和56～155m（右線）。隧址區P2l煤系地層含煤層(線)4層，其中M1煤層厚度1.3～1.7m，M2煤層厚度0.18～0.3m，另含厚薄不均的兩層煤線0.05～0.2m。可采煤層為M1煤層。煤層局部呈透鏡狀分布或尖滅現象，煤巖結構破壞類型為III類(強烈破壞煤)。煤層位置處主要巖體破碎，整套煤系力學性質差。由于隧道所處位置處地質構造復雜，斷層及褶曲發育，煤系界限及產狀局部地段存在較大變化，導致穿越煤段里程可能發生變化，施工中需加強超前地質預報，超前鉆孔等工作，確保施工安全。

2 超前地質預報與隧道支護設計

2.1 超前地質預報

由于隧道中部分線路段穿越煤系巖層，煤與瓦斯保護區之間存在著瓦斯突出危險性，煤層瓦斯易發生燃燒、煤塵容易爆炸，高瓦斯聚集區域容易發生爆炸，所以在這段隧道施工過程中需要做好超前地質預測，做好瓦斯監測，并及時采取有針對性的保護措施，在隧道中通過超前鉆探與瓦斯保護區的檢查，預測煤層位置、產狀、厚度。根據煤層位置，對采空區煤層規模作出宏觀預測，瓦斯保護作業區將以地質分析結果為基礎，輔以中短距離的物探手段，勘探可能出現的煤層瓦斯位置和巷道圍巖穩定狀況，在距離煤層30m范圍內將通過超前鉆孔和瓦斯測試進行證實［2］。

2.2 隧道支護設計

隧道斷面宜采取復合型曲壁帶仰拱的全封閉構造；全環噴射不低于15cm厚的C25氣體密閉混凝土，透水系數不超過10-10cm/s；二次模筑襯砌強度采用不低于C40等級的混凝土，防水滲漏等級不小于P10的混凝土，對襯砌式接縫進行了氣密處理，二襯采用厚度不低于40cm的C35氣體密閉混凝土，透水系數不應超過10-11cm/s［3］；硅灰氣密劑摻加量為混凝土結構中水泥濃度的5%～10%；水泥中所添加的矽灰等外加物，能有效改善其抗滲性能和有效抑制瓦斯保護氣體的滲入。而瓦斯隧道從設防等級較高地區的襯墻結構，向等級較低地區擴展直徑不得低于25m。

3 高瓦斯隧道施工方案

3.1 施工準備

（1）何家坡隧道出口洞口基巖大部分裸露，仰坡角度大，洞頂周圍水易于施工時匯集，施工前先做好截水天溝，并考慮進洞施工時采用反坡排水。

（2）實行“三專兩閉鎖”，洞內的供電線路、設備必須為防爆型，所用的施工設備也應改裝成防爆型，當瓦斯的保護體積含量達到0.5%時應暫停所有施工設備運轉；

（3）實施“雙通風雙電源”，隧洞擬采取壓入式通風方法，雙路供風，雙抗雙風管掛落跟進于掌子面，以確保24h內持續正常供風，橫洞施工密閉，以確保隧道內左右洞獨立通氣，不出現污風串聯；

（4）根據工地實際需要設置安全管理組織，各道工序施工之前應當對施工管理人員實施安全技能交底和技術培訓，做好檢身登記。

3.2 爆破開挖方案

高瓦斯排放段的施工爆破，應當使用安全管理級別不小于三類的礦井允許用炸藥。應當采取正向爆破，嚴禁反向爆破，連線方法應當采取大串聯，炮泥充填直徑不能小于1m，起爆方法應當采取礦用起爆裝置。左、右孔洞的各層煤在首次揭煤挖掘爆破時，除高瓦斯段排水人員、放炮人員、施工班組應當在反向風門的進風側完成挖掘爆破以外，洞內任何工作人員都應當撤至孔洞以外。隧道內爆破前應當設置警戒，爆破作業中應當實行“一炮三檢制”及“三人放炮制”，檢查高瓦斯排放段可載藥后才能放炮。放炮人員負責對爆破母線的腳線以及起爆裝置通電情況的檢查，而班主任則負責撤人、清點人員后，下發起爆指令，當放炮人員得到起爆指令后，便要吹口哨發出起爆信號，至少5s后便可起爆。

3.3 防止瓦斯突破保護措施

防止瓦斯突破保護措施（簡稱防突措施）宜在距煤層開采位置最少10m處的區域實施。地質勘探中如果出現聚集瓦斯的斷層、破碎圍巖等狀況，應適當增加最小法向距離。防突措施主要采取鉆孔抽放瓦斯、鉆孔排出瓦斯、超前管擋、注漿方法固定、水力沖孔以及其余經實驗證實為可行的辦法，應優先選擇鉆井排出瓦斯，也可選擇鉆孔抽放瓦斯［4］。抽排瓦斯保護，在探明地質結構后，若斷層裂隙區域較小，或者溶洞體積較小，或瓦斯排出量不多時，可讓其自動排出。但如果含瓦斯區域很大而瓦斯排出量較多，且瓦斯排出持續的時間也較長時，宜及時將鉆孔封閉，并接入抽放瓦斯裝置加以抽放。瓦斯可以導入到回流風，并排出隧道外，當噴射瓦斯的裂隙區域很小和瓦斯量較小時，可以使用金屬蓋或帆布罩將瓦斯的裂隙區域覆蓋，然后在罩上接吹風筒使瓦斯導入到回流風并排出隧道。為了封閉裂隙區域，含有瓦斯的裂隙區域較小時，或瓦斯含量較小時，可以使用相應建筑材料加以封堵，阻止瓦斯噴出。對瓦斯可能涌出的區域，增加建筑通風量，確保瓦斯不超限。做好施工前的地質預報工作，按照施工文件要求鉆孔和檢查孔，及時預估并判斷瓦斯突出的風險，以便采取相應的保護措施，采取超前地質鉆探，及時量測并記錄鉆孔中取芯溢出的瓦斯濃度情況和成分，判斷可能泄漏的瓦斯成分和濃度。同時作好對瓦斯突出的緊急搶救準備措施，減少安全風險。

3.4 通風技術措施

何家坡隧洞內實行獨立的壓入式通風，禁止在任何兩個作業面間連接通風，低瓦斯作業區隧道內的最低通風風速不應低于0.25m/s，高瓦斯保護作業區和低煤礦(巖)和瓦斯防護突出作業區的隧道洞內通風風速不宜小于0.5m/s。隧道施工時采用機械壓入式通風，并實行晝夜24小時連續通風。實施過程中做好隧道通風控制工作，對通風的機具、通風管路等要做到常維護、常檢測，以保證建筑通風系統的正常工作和通風效率。將施工通風機同時安裝二路用電控制系統，并安裝風電閉鎖裝置，當一路電源終止供電后，另一路用電控制系統應在10min內重新開啟，確保風機的正常用轉。同時注意保證對隧道通風線路的正常養護、控制和檢查；必須配備自發電機和自備用電控制系統，以防止因停點或供電線路出現故障而導致隧道內氣體的蓄積和超限。由于斷電、通風設備等原因而引起的通風系統暫停工作，待恢復通風功能后，對隧洞上部、塌陷洞、橫洞等通風條件較差、氣體容易積聚的部位進行檢測。瓦斯濃度應控制在1%以下，當達到此限度后，需暫停施工、撤出人員、斷開供電系統、中止發電機的運轉或啟動電力開關等，在經過通風處理后，由瓦檢人員予以重新復測，在核實瓦斯含量小于規定的允許濃度后方可進行施工。發現瓦斯涌出、噴發等異常情況時，應當盡快采取保護措施，首先充分考慮到杜絕任何可以形成的火源；加大通風力度，并且迅速撤回全部工作人員，對隧道內實施警戒，再進一步研究并選擇采取抽排瓦斯的措施。

3.5 施工難點解決措施

根據設計資料可知，何家坡隧道進、出口端為高瓦斯工區，具體煤層瓦斯賦存參數資料欠缺，施工存在風險，而且線路從煤窯采空區下方穿越，是制約安全施工的重要因素。對此，在瓦斯工區隧道施工時采用鉆孔超前預報以及人工檢測和自動檢測相結合的方式，當超前鉆探確認前方有煤時，施工3～5個超前鉆孔，進一步確認煤層位置、厚度、巖體破碎程度，每60m一循環，每孔長約80m；超前鉆孔確認煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系，并分析煤層頂、底板巖性，掌握并收集探孔施作過程中的瓦斯溢出情況；距煤層垂距10m時施作一組預測孔，進行煤與瓦斯突出危險性預測，如具有煤與瓦斯突出危險性，則施作抽（排）放鉆孔進行防突處置。施工期間，加強通風和瓦斯防爆、防燃措施，改進施工工藝，確保施工安全。當隧道斷面大，施工過程中瓦斯涌出量大時，若通風不合理，瓦斯超限遇火易導致瓦斯事故。從小煤窯下方穿越時加強圍巖預加固措施，隧道系統錨桿采用環向注漿錨管，必要時洞內圍巖采用帷幕注漿隔水，做好施工爆破控制。淺埋段左線ZK42+040～ZK42+225和右線YK41+995-YK42+185最小埋深僅有27.8m，巖體主要為泥巖，地質條件差，隧道施工影響較大。針對淺埋地段施工，盡量避開在雨季施工，做好地表排水措施，防止該段地表積水。在隧道內，初支、二襯施工中做好超前地質預報，控制好爆破振速，避免爆破振速過大，影響結構物安全及使用壽命。在洞外，針對附近房屋要盡可能地對其臨時搬遷或者做好協調，避免后續糾紛。

4 結束語

本文結合實際工程案例，分析了超前地質預報與隧道支護設計，從施工準備、爆破開挖方案、防突技術措施、通風技術措施和施工難點解決措施等5個方面闡述了高瓦斯隧道施工方案，使煤系地層高瓦斯隧道工程的設計和施工都得到了科學有效的解決，形成了一套高瓦斯公路隧道穿越薄煤層安全施工技術。隧道施工過程中也驗證了該技術的可行性，是類似穿越煤層隧道施工工程的成功范例。