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(qū)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(xiàn)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(zhì)條件復(fù)雜，運輸條件較差，且沿途便道狹窄，多是鄉(xiāng)村、基本農(nóng)田、公益林地等，不利于工程建設(shè)施工。隧道跨越了巖溶、斷裂等惡劣地質(zhì)地段，且中間經(jīng)過了較長的煤系地層和大面積采空區(qū)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(fēng)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(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)進行設(shè)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(shè)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(yù)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(qū)，遇到煤層、斷層、巖溶等不良地質(zhì)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(fēng)險較高。隧道地質(zhì)條件如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)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(qū)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(xiàn)象，煤巖結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)差。由于隧道所處位置處地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層及褶曲發(fā)育，煤系界限及產(chǎn)狀局部地段存在較大變化，導(dǎo)致穿越煤段里程可能發(fā)生變化，施工中需加強超前地質(zhì)預(yù)報，超前鉆孔等工作，確保施工安全。

2 超前地質(zhì)預(yù)報與隧道支護設(shè)計

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

由于隧道中部分線路段穿越煤系巖層，煤與瓦斯保護區(qū)之間存在著瓦斯突出危險性，煤層瓦斯易發(fā)生燃燒、煤塵容易爆炸，高瓦斯聚集區(qū)域容易發(fā)生爆炸，所以在這段隧道施工過程中需要做好超前地質(zhì)預(yù)測，做好瓦斯監(jiān)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(qū)的檢查，預(yù)測煤層位置、產(chǎn)狀、厚度。根據(jù)煤層位置，對采空區(qū)煤層規(guī)模作出宏觀預(yù)測，瓦斯保護作業(yè)區(qū)將以地質(zhì)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，輔以中短距離的物探手段，勘探可能出現(xiàn)的煤層瓦斯位置和巷道圍巖穩(wěn)定狀況，在距離煤層30m范圍內(nèi)將通過超前鉆孔和瓦斯測試進行證實［2］。

2.2 隧道支護設(shè)計

隧道斷面宜采取復(fù)合型曲壁帶仰拱的全封閉構(gòu)造；全環(huán)噴射不低于15cm厚的C25氣體密閉混凝土，透水系數(shù)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(shù)不應(yīng)超過10-11cm/s［3］；硅灰氣密劑摻加量為混凝土結(jié)構(gòu)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?jié)B性能和有效抑制瓦斯保護氣體的滲入。而瓦斯隧道從設(shè)防等級較高地區(qū)的襯墻結(jié)構(gòu)，向等級較低地區(qū)擴展直徑不得低于25m。

3 高瓦斯隧道施工方案

3.1 施工準(zhǔn)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(nèi)的供電線路、設(shè)備必須為防爆型，所用的施工設(shè)備也應(yīng)改裝成防爆型，當(dāng)瓦斯的保護體積含量達到0.5%時應(yīng)暫停所有施工設(shè)備運轉(zhuǎn)；

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

（4）根據(jù)工地實際需要設(shè)置安全管理組織，各道工序施工之前應(yīng)當(dāng)對施工管理人員實施安全技能交底和技術(shù)培訓(xùn)，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(yīng)當(dāng)使用安全管理級別不小于三類的礦井允許用炸藥。應(yīng)當(dāng)采取正向爆破，嚴(yán)禁反向爆破，連線方法應(yīng)當(dāng)采取大串聯(lián)，炮泥充填直徑不能小于1m，起爆方法應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)在反向風(fēng)門的進風(fēng)側(cè)完成挖掘爆破以外，洞內(nèi)任何工作人員都應(yīng)當(dāng)撤至孔洞以外。隧道內(nèi)爆破前應(yīng)當(dāng)設(shè)置警戒，爆破作業(yè)中應(yīng)當(dāng)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)撤人、清點人員后，下發(fā)起爆指令，當(dāng)放炮人員得到起爆指令后，便要吹口哨發(fā)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(qū)域?qū)嵤５刭|(zhì)勘探中如果出現(xiàn)聚集瓦斯的斷層、破碎圍巖等狀況，應(yīng)適當(dāng)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(jīng)實驗證實為可行的辦法，應(yīng)優(yōu)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(zhì)結(jié)構(gòu)后，若斷層裂隙區(qū)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(qū)域很大而瓦斯排出量較多，且瓦斯排出持續(xù)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(dǎo)入到回流風(fēng)，并排出隧道外，當(dāng)噴射瓦斯的裂隙區(qū)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(qū)域覆蓋，然后在罩上接吹風(fēng)筒使瓦斯導(dǎo)入到回流風(fēng)并排出隧道。為了封閉裂隙區(qū)域，含有瓦斯的裂隙區(qū)域較小時，或瓦斯含量較小時，可以使用相應(yīng)建筑材料加以封堵，阻止瓦斯噴出。對瓦斯可能涌出的區(qū)域，增加建筑通風(fēng)量，確保瓦斯不超限。做好施工前的地質(zhì)預(yù)報工作，按照施工文件要求鉆孔和檢查孔，及時預(yù)估并判斷瓦斯突出的風(fēng)險，以便采取相應(yīng)的保護措施，采取超前地質(zhì)鉆探，及時量測并記錄鉆孔中取芯溢出的瓦斯?jié)舛惹闆r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(zhǔn)備措施，減少安全風(fēng)險。

3.4 通風(fēng)技術(shù)措施

何家坡隧洞內(nèi)實行獨立的壓入式通風(fēng)，禁止在任何兩個作業(yè)面間連接通風(fēng)，低瓦斯作業(yè)區(qū)隧道內(nèi)的最低通風(fēng)風(fēng)速不應(yīng)低于0.25m/s，高瓦斯保護作業(yè)區(qū)和低煤礦(巖)和瓦斯防護突出作業(yè)區(qū)的隧道洞內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速不宜小于0.5m/s。隧道施工時采用機械壓入式通風(fēng)，并實行晝夜24小時連續(xù)通風(fēng)。實施過程中做好隧道通風(fēng)控制工作，對通風(fēng)的機具、通風(fēng)管路等要做到常維護、常檢測，以保證建筑通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作和通風(fēng)效率。將施工通風(fēng)機同時安裝二路用電控制系統(tǒng)，并安裝風(fēng)電閉鎖裝置，當(dāng)一路電源終止供電后，另一路用電控制系統(tǒng)應(yīng)在10min內(nèi)重新開啟，確保風(fēng)機的正常用轉(zhuǎn)。同時注意保證對隧道通風(fēng)線路的正常養(yǎng)護、控制和檢查；必須配備自發(fā)電機和自備用電控制系統(tǒng)，以防止因停點或供電線路出現(xiàn)故障而導(dǎo)致隧道內(nèi)氣體的蓄積和超限。由于斷電、通風(fēng)設(shè)備等原因而引起的通風(fēng)系統(tǒng)暫停工作，待恢復(fù)通風(fēng)功能后，對隧洞上部、塌陷洞、橫洞等通風(fēng)條件較差、氣體容易積聚的部位進行檢測。瓦斯?jié)舛葢?yīng)控制在1%以下，當(dāng)達到此限度后，需暫停施工、撤出人員、斷開供電系統(tǒng)、中止發(fā)電機的運轉(zhuǎn)或啟動電力開關(guān)等，在經(jīng)過通風(fēng)處理后，由瓦檢人員予以重新復(fù)測，在核實瓦斯含量小于規(guī)定的允許濃度后方可進行施工。發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出、噴發(fā)等異常情況時，應(yīng)當(dāng)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(fēng)力度，并且迅速撤回全部工作人員，對隧道內(nèi)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(jù)設(shè)計資料可知，何家坡隧道進、出口端為高瓦斯工區(qū)，具體煤層瓦斯賦存參數(shù)資料欠缺，施工存在風(fēng)險，而且線路從煤窯采空區(qū)下方穿越，是制約安全施工的重要因素。對此，在瓦斯工區(qū)隧道施工時采用鉆孔超前預(yù)報以及人工檢測和自動檢測相結(jié)合的方式，當(dāng)超前鉆探確認(rèn)前方有煤時，施工3～5個超前鉆孔，進一步確認(rèn)煤層位置、厚度、巖體破碎程度，每60m一循環(huán)，每孔長約80m；超前鉆孔確認(rèn)煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關(guān)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(yù)測孔，進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)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(fēng)和瓦斯防爆、防燃措施，改進施工工藝，確保施工安全。當(dāng)隧道斷面大，施工過程中瓦斯涌出量大時，若通風(fēng)不合理，瓦斯超限遇火易導(dǎo)致瓦斯事故。從小煤窯下方穿越時加強圍巖預(yù)加固措施，隧道系統(tǒng)錨桿采用環(huán)向注漿錨管，必要時洞內(nèi)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(zhì)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(nèi)，初支、二襯施工中做好超前地質(zhì)預(yù)報，控制好爆破振速，避免爆破振速過大，影響結(jié)構(gòu)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(xié)調(diào)，避免后續(xù)糾紛。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實際工程案例，分析了超前地質(zhì)預(yù)報與隧道支護設(shè)計，從施工準(zhǔn)備、爆破開挖方案、防突技術(shù)措施、通風(fēng)技術(shù)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(shè)計和施工都得到了科學(xué)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(shù)。隧道施工過程中也驗證了該技術(shù)的可行性，是類似穿越煤層隧道施工工程的成功范例。