李元明，程 宏，王傳波，胡兵華，邊洪坡，呂 光

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 6505001)

0 前 言

自新中國建立至1999年，我國共修建了18座瓦斯隧道，占當時全國隧道總數的0.18%。21世紀以來，據不完全統(tǒng)計，我國修建的瓦斯隧道不少于70座，其中長度3 km以上的不少于43座，大大超過了2000年以前修建的瓦斯隧道總數。我國瓦斯隧道主要分布在四川、重慶、貴州、云南等地，這些地區(qū)也正是我國煤礦分布較多的地區(qū)[7]。近年來，隨著基礎設施建設的快速發(fā)展，穿越煤系地層的瓦斯隧道不斷出現。值得注意的是，當空氣中的瓦斯?jié)舛仍?%～16%時，遇火后能引起爆炸[1];當瓦斯?jié)舛葹?.5%時，其爆炸威力最大。瓦斯隧道中的瓦斯容易導致施工中發(fā)生許多安全事故，比如人員窒息、中毒，瓦斯突出、瓦斯燃燒與爆炸等。因此，修建瓦斯隧道時存在兩個巨大風險：一是瓦斯爆炸的可能，二是瓦斯壓力高的地層有瓦斯突出的可能。隧道施工一旦發(fā)生瓦斯安全事故往往會導致巨大的人員傷亡和財產損失，造成不良的社會影響。瓦斯隧道的設計與施工與一般隧道有較大差別，本文結合某瓦斯隧道的工程特性，介紹高瓦斯隧道的相關勘察設計情況及關注要點。

1 工程概況

該市政項目近似呈南北走向，為分離式市政隧道，隧道左洞長1 240 m，隧道右洞長1 213 m。隧道坡度從進口至出口為+2.7%，隧道半幅寬度為：12.75 m=2×3.5 m(車行道)+3.0 m(應急車道)+1.5 m(人行道)+1.25 m(檢修道)，隧道開挖斷面水平最大寬度15.87 m，豎直最大高度11.34 m，開挖斷面面積141.6 m3。

工程區(qū)地層從新到老依次為：第四系覆蓋層(主要為耕植土Qpd、碎石土)；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)砂巖；煤層。其中，煤層呈黑色、玻璃光澤，鉆探巖芯主要呈碎塊狀、砂狀，煤層在隧道全段零散分布，呈透鏡體狀。

隧址區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)，巖性主要為：泥質粉砂巖含煤7～54層。地層厚度為103～323 m，平行不整合于峨眉山玄武巖之上。根據測區(qū)外圍煤礦資料、鉆孔揭露、地表調研、施工揭煤情況，煤層主要位于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)中部和下部，含薄煤3～4層，厚0.50～5.40 m，為中～底灰、特低硫煙煤。從施工揭煤情況來看，其特征為：黑色，玻璃光澤，厚度約1.2～2.5 m，與巖層整合接觸。

區(qū)內含煤地層屬不穩(wěn)定煤層，煤變質階段屬煙煤階段，因此煤層及煤系地層有一定的生烴能力，但煤層薄、層數少瓦斯生成總量有限。瓦斯氣體以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)賦存于煤層、泥質粉砂巖和圍巖裂、孔隙中。區(qū)內地層平緩，沒有厚度較大的泥質巖封閉蓋層，隆起構造圈閉，隧道埋深不大，不利于瓦斯的富集儲存，但局部構造擠壓破碎帶，次級小背斜頂部有局部瓦斯聚集的條件。

2 隧道瓦斯及防護等級

隧道勘察階段預測瓦斯含量一般采用三種方法：一種是在鉆孔中采取煤層樣品進行煤層瓦斯解吸試驗；另一種是實測煤層瓦斯壓力、吸附常數、煤質指標的間接計算方法；第三種是類比法，以測區(qū)及外圍同一含煤地層的礦井瓦斯含量實測或鑒定的礦井噸煤瓦斯含量、相對涌出量類比測區(qū)隧道。

相關調查資料顯示，隧址周邊礦井為麒麟煤礦和宏松煤礦，均屬高瓦斯礦區(qū)。據《某隧道煤層瓦斯參數測試報告》顯示，本隧道右洞進口瓦斯絕對涌出量為3.37 m3/min，瓦斯含量為2.56 m3/t，瓦斯壓力0.24 MPa；右洞出口為絕對涌出量為0.86 m3/min，瓦斯含量為1.61 m3/t，瓦斯壓力為0.14 MPa。

按《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》[3]規(guī)定，隧道右洞出口判定為低瓦斯工區(qū)，右洞進口判定為高瓦斯工區(qū)，屬于無突出危險區(qū)。但本次瓦斯參數測定測試長度較短，未測試段瓦斯壓力及瓦斯含量無法預測，結合工程區(qū)周邊項目某隧道的煤層參數，其煤層瓦斯壓力為0.85 MPa，瓦斯含量為7.32 m3/t，判斷該隧道有一定瓦斯突出的可能性。施工中需加強超前地質預報工作，并以超前地質預報工作中所測瓦斯等級為準進行實時調整。

根據《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》(JT52/02-2014)的規(guī)定，隧道進口段結構設防等級暫定為Ⅱ級，出口段瓦斯隧道結構設防等級暫定為Ⅲ級，施工時應根據瓦斯地層超前預報結果進行動態(tài)調整。

3 高瓦斯隧道系統(tǒng)設計

3.1 襯砌結構及瓦斯排放

(1)當結構防護等級為Ⅲ級時：一般隧道的原設計能達到防護要求，按照運營安全需要，設置水氣分離裝置[5]，從高洞口(高鐵站端)排放瓦斯氣體。

(2)當結構防護等級為Ⅱ級或Ⅰ級時：①初期支護噴射混凝土應調整為C25氣密性噴射混凝土，要求透氣系數不應大于10 cm/s。氣密劑選用FS-KQ，摻入量為水泥用量的12%，噴射混凝土厚度按原設計不變(不小于15 cm)。②二次襯砌采用C35氣密性混凝土，要求透氣系數不應大于10～11 cm/s。氣密劑選用FS-KQ，摻入量為水泥用量的12%，水泥用量不少于320 kg/m3，襯砌混凝土厚度按原設計不變(不小于40 cm)。③二次襯砌施工縫、沉降縫處增設背貼止水帶以防瓦斯逸出。④環(huán)向全封閉采用5 mm厚聚乙烯閉孔泡沫板及1.2 mm厚CW-S型橡膠瓦斯隔離板。⑤高瓦斯段仰拱增設5 mm厚聚乙烯閉孔泡沫板、1.2 mm厚CW-S型橡膠瓦斯隔離板及20 cm厚C25氣密性噴射混凝土。⑥在穿越煤層地段，每次爆破后采用10 cm厚氣密性噴射混凝土封閉掌子面。

(3)為減小瓦斯壓力，縱向排水管設置水氣分離裝置，瓦斯氣體通過電纜溝外側排氣管引出洞外，在高處排放。

(4)橫向排水管穿瓦斯防水板部位作封閉處理，并經氣密性檢測。

(5)瓦斯隧道設防等級較高地段的襯砌結構應向等級較低地段延伸，延伸長度不宜小于20 m。

3.2 防止瓦斯噴出及突出措施

3.2.1 影響煤與瓦斯突出的主要地質因素

地應力。隧道區(qū)本次沒有進行地應力測試，但從隧道埋深來看，埋深不是很大，鉆探過程中未見餅化巖芯等動力現象，隧道不處于應力集中地帶。

煤層厚度。測區(qū)鉆孔揭露了數層多為厚度較薄煤及煤線屬含煤性差的地區(qū)。

煤層結構類型。據鉆孔揭露及現場施工開挖情況，煤層巖類型以亮煤、半暗煤為主，性硬脆、結構致密，以塊狀為主，部分具鱗片狀及粉狀構造，參差狀斷口，內生裂隙發(fā)育。隧道區(qū)煤層多數屬原生結構煤(Ⅱ類煤)。

地質構造復雜程度。地層產狀中等，褶曲較發(fā)育，隧道區(qū)左線有F1逆斷層通過，平行隧道K14+800 m～K14+980 m間處穿越。F1為逆斷層，近南北走向，傾角35°，地質構造中等復雜。

3.2.2 揭煤防突設計

瓦斯隧道揭煤作業(yè)是一項專業(yè)性很強的工作，要求進行施工的單位具有豐富工程經驗，以確保施工安全。瓦斯隧道施工應遵循“管超前、嚴注漿、早封閉、短進尺、弱爆破、多循環(huán)、強支護、緊封閉、勤量測、強通風、預排放、早襯砌”的原則，防止有害氣體的逸出。

首先采取超前鉆孔、物探等手段的綜合超前地質預報，以預測煤層位置、產狀、厚度等。然后在掌子面距推測煤層10 m 垂距處，施作探測孔7個(d=108 mm)，探測孔必須穿透煤層并且進入頂(底)板煤層(深度不小于0.5 m)，以進一步掌握煤層基本情況，如煤層方位、厚度、瓦斯賦存等。

在掌子面距煤層5 m垂距處，施作3孔(d=89 mm)預測孔[6]，該鉆孔用于進一步測定煤層更加詳盡的特性指標，如瓦斯壓力、鉆屑指標等。瓦斯突出危險性預測應從下列五種方法中選用兩種相互驗證，即：瓦斯壓力法、綜合指標法、鉆屑指標法、鉆孔瓦斯涌出初速度法、“R”指標法。石門揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標法或鉆屑指標法，突出危險性預測方法中有任何一項指標超過臨界指標，該開挖工作面即為有突出危險工作面。

若該煤層無突出危險時，進行揭煤作業(yè)；若存在突出危險，則采取防突措施，即揭煤前采取瓦斯抽排放等措施降低瓦斯突出風險。當瓦斯含量小時，可進行自然排放，亦可用風管將瓦斯引到距掌子面20 m以外的范圍，以保證掌子面開挖放炮的安全；當瓦斯含量大、噴出強度大、持續(xù)時間長時，可暫停開挖，采取以下措施進行排放。

(1)當存在突出風險時，在掌子面前方接近煤層2 m左右，向煤層打若干直徑108 mm的超前鉆孔排放瓦斯，鉆孔周圍形成卸壓帶，使集中應力移向煤體深部，達到防止突出的目的。

(2)水力沖孔。在開挖前，用高壓水在突出危險的煤層中沖出若干直徑較大的孔洞，使瓦斯吸解和排放，降低煤層瓦斯含量和壓力。

(3)深孔松動爆破。在掌子面向煤層深部的應力集中帶布置幾個長眼進行爆破，其目的在于利用炸藥的能量破壞煤層前方的應力集中帶，在工作面前方造成較長的卸壓帶，從而預防突出的發(fā)生。

(4)煤層注水。通過鉆孔將高壓水注入煤層，使煤濕潤以改變煤的物理機械性質，減小或消除瓦斯突出的危險性。

(5)嚴格按《煤礦安全規(guī)程》[4]加強瓦斯隧道中煤與瓦斯突出的技術管理。

防突措施實施后必須進行效果檢驗，以確認防突措施是否有效。防突措施效果檢驗應在距煤層2.0 m垂距的巖柱以外進行。防突效果檢驗結果其中任何一項指標超標，或在打檢驗孔時發(fā)生噴孔、頂鉆、夾鉆等動力現象時，則認為防突措施無效，必須采取補充防突措施。采用一次性排放時，應檢驗工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；當采用分段分部分次排放時，每次只檢驗排放部位的排放效果。

瓦斯隧道施工期間，應進行瓦斯超前預報和地質復查工作。對于揭露的煤層，應取樣復測煤層的瓦斯含量和其他有關參數，必要時應鉆孔埋管實測瓦斯壓力，或通過通風和瓦斯檢測計算全隧道的瓦斯涌出量，根據檢測結果核對施工工區(qū)和煤系地層的瓦斯等級，必要時進行修正，同時根據隧道結構防護等級進行動態(tài)設計。

3.3 施工通風

瓦斯隧道的施工組織設計中，應編制全隧道和各工區(qū)的施工通風設計，并考慮各工區(qū)貫通后的風流調整和防爆要求。瓦斯隧道施工期間，應建立瓦斯通風監(jiān)控、檢測的組織系統(tǒng)，測定氣象參數及瓦斯?jié)舛?、風速、風量等參數。低瓦斯工區(qū)可用便攜式瓦檢儀，高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)除便攜式瓦檢儀外，還應配置高濃度瓦檢儀和瓦斯自動檢測報警斷電裝置并配備救護隊。按瓦斯絕對涌出量計算風量時，對于低瓦斯工區(qū)，應將洞內各處的瓦斯?jié)舛认♂屩?.5%以下；對于高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)，其長度較大的獨頭坑道應將開挖工作面風流中的瓦斯?jié)舛认♂尩?.5%以下。瓦斯隧道施工中防止瓦斯積聚的風速不宜小于1 m/s。

3.4 電氣設備、照明與作業(yè)機械

隧道內非瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的電氣設備與作業(yè)機械可使用非防爆型，其行走機械嚴禁駛入高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)。隧道內高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的電氣設備與作業(yè)機械必須使用防爆型。高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)供電應配置兩路電源。工區(qū)內采用雙電源線路，其電源線上不得分接隧道以外的任何負荷。

3.5 運營期安全防護系統(tǒng)設計

運營通風。對隧道運營通風的預埋件在正常需求的基礎上再增設 1～2處，保證隧道服務期間瓦斯進入隧道后具有較強的通風能力。隧道運營中瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r間、任何地點都不得大于0.5%，超限時禁止通行，開啟全部風機。

運營照明。隧道運營照明的燈具應使用防爆型隧道專用照明燈具 。

運營消防。隧道消防栓應適當加密 ，以增加隧道防災能力 。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。瓦斯隧道運營期間，采用自動檢測方式進行瓦斯檢測，自動檢測系統(tǒng)具有瓦斯超限報警等功能，并能將相關監(jiān)測信號直接反饋到隧道管理部門，以便管理單位采取及時有效的措施。

4 結 語

本文以某市政道路高瓦斯隧道設計為依托，詳細介紹了高瓦斯隧道勘察和系統(tǒng)設計施工的主要內容和注意事項，主要包括瓦斯地層勘察、瓦斯等級確定、瓦斯隧道結構設防等級、高瓦斯隧道系統(tǒng)設計等。

瓦斯隧道施工期間應委托具有相關資質的專業(yè)機構進行預報與檢測，并根據預報結果進行動態(tài)設計；瓦斯隧道應設置可靠的瓦斯排放裝置將瓦斯氣體排出隧道，防止瓦斯逸出；施工期間應加強通風和瓦斯監(jiān)測，避免發(fā)生瓦斯爆炸和瓦斯突出事故。