滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理技術(shù)

俞冬曉

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司, 江蘇蘇州 215000)

滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理技術(shù)

俞冬曉

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司, 江蘇蘇州 215000)

以新建滬昆客專貴州段CKGZTJ-11標(biāo)大茶山隧道斜井高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)施工為例，結(jié)合大茶山隧道高瓦斯洞段圍巖極破碎且易造成塌方的實(shí)際情況提出了“先封閉釋放、再加強(qiáng)支護(hù)、后塌腔回填”的總體方案以及相應(yīng)塌方處理施工瓦斯控制原則。實(shí)踐證明，此項(xiàng)技術(shù)可安全通過塌方洞段，較好控制軟弱煤層圍巖的變形收斂，防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生并確保安全有效推進(jìn)瓦斯隧道施工作業(yè)，為今后類似工程提供了有益的借鑒和指導(dǎo)。

鐵路隧道； 瓦斯； 塌方； 施工技術(shù)

新建滬昆客專貴州段CKGZTJ-11標(biāo)大茶山隧道位于關(guān)嶺～普安區(qū)間，雙線隧道，左右線線間距為5.0 m，縱坡為人字坡，全長(zhǎng)9 956 m。大茶山隧道斜井(XDK0+000=D1K909+000)，全長(zhǎng)1 816 m，位于線路左側(cè)，與線路小里程方向夾角為31.5°，采用無(wú)軌雙車道運(yùn)輸。其中斜井XDK0+795～XDK0+000(795 m)，正洞D1K908+250～D1K909+677(1427 m)，穿越二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤系地層，屬于高瓦斯隧道，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，不同程度的存在煤與瓦斯突出、巖溶及巖溶水、順層偏壓、地應(yīng)力及巖爆等不良地質(zhì)，特殊巖土為石膏。綜合評(píng)價(jià)本隧工程地質(zhì)條件較差，因此為全線重點(diǎn)、難點(diǎn)及控制工期工程，施工中遵循“科學(xué)、合理、動(dòng)態(tài)”施工極為重要。斜井XDKO+488～475段坡度為6 %的下坡，施工方法為上下臺(tái)階法，掌子面圍巖極為破碎，拱頂有大量粉末狀煤，在施工過程中已出現(xiàn)嚴(yán)重塌方，給施工帶來了極大的困難。因此，必須對(duì)瓦斯塌方處理方法及參數(shù)進(jìn)行研究，提出切實(shí)可行的對(duì)策以保證工程順利進(jìn)行。

1 塌方及其原因分析

瓦斯隧道在揭煤過程中特別是穿越斷層破碎帶時(shí)很容易發(fā)生塌方事故，應(yīng)迅速探明塌方情況及基本特征。主要了解塌方發(fā)生時(shí)間、里程、塌方范圍、塌方體特征、地質(zhì)條件及圍巖變形、瓦斯?jié)舛?、支護(hù)變形等情況。

(1)地質(zhì)原因。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，地下工程難免會(huì)通過褶皺構(gòu)造、斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育地帶產(chǎn)生塌方；由于圍巖本身不穩(wěn)定和已切割成碎片而強(qiáng)度低而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散，節(jié)理面有泥質(zhì)物及巖屑充填；由于支護(hù)的不及時(shí)而暴露時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致圍巖風(fēng)化嚴(yán)重；或因通過斷層，突然遇到較高水壓富水洞段，地下水向洞室內(nèi)漏出，淘空了斷層構(gòu)造帶中破碎巖體和充填物時(shí)；或由于巖層產(chǎn)狀不利或因巖爆等諸多地質(zhì)原因而產(chǎn)生不同程度的塌方。

(2)人為因素。在施工過程中，一些施工人員對(duì)地下工程所通過的地質(zhì)情況不了解，忽視圍巖細(xì)微變形，對(duì)圍巖自穩(wěn)能力作過高的估計(jì)，對(duì)不良地質(zhì)洞段沒有采取合理的開挖方法；或支護(hù)不及時(shí)，在開挖時(shí)，爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)過大，開挖后令圍巖暴露時(shí)間過長(zhǎng)，風(fēng)化程度加劇；或由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，中途進(jìn)行二次擴(kuò)挖和更換支撐，造成應(yīng)力再次重分布，使得原來不應(yīng)塌方洞段，因巖體的失穩(wěn)而產(chǎn)生塌方。

為了進(jìn)一步了解塌方體基本特征，還可以采用地質(zhì)預(yù)報(bào)的手段對(duì)塌方體進(jìn)行檢測(cè)。隧道塌方斷面如圖1所示。

(a)塌腔體橫斷面

(b)塌腔體縱斷面

2 塌方處理及加固方案

瓦斯隧道在揭煤過程中一旦發(fā)生塌方事故，應(yīng)該立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行搶險(xiǎn)救護(hù)，防治事態(tài)擴(kuò)大。參考隧道工程技術(shù)[1-3]，塌方處理的總體指導(dǎo)思想是先封閉釋放控制瓦斯溢出，排出塌腔內(nèi)積聚瓦斯；再加強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)定圍巖，加固塌方影響段；后塌腔回填固結(jié)塌方體。穩(wěn)步推進(jìn)，安全施工。塌方處理流程見圖2所示。

圖2 瓦斯隧道塌方處理流程

施工步驟如下：

(1)加強(qiáng)通風(fēng)及瓦斯監(jiān)測(cè)，確保在每一步施工過程中瓦斯?jié)舛炔桓哂?.5 %。

(2)采用C20氣密性混凝土將掌子面封閉，避免瓦斯涌出，影響進(jìn)一步加固施工。

(3)在距塌方體邊緣5 m范圍內(nèi)已經(jīng)完成初期支護(hù)的邊墻及拱頂均打設(shè)花鋼管，并注水泥漿液，加強(qiáng)該段的穩(wěn)定性。

(4)為進(jìn)一步控制塌方及保證下步中管棚施工，在掌子面打設(shè)雙排超前小導(dǎo)管,并注漿。

(5)將掌子面塌方掉落碴體處理平整，然后將小導(dǎo)管外露部分及拱頂采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實(shí)。

(6)為了中管棚的施作，緊貼掌子面安裝兩榀并排鋼拱架，并采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實(shí)。

(7)在拱架頂部施作中管棚，并注水泥漿液，中管棚末端要打入巖石。因塌腔較大，里面瓦斯積聚，為防止塌腔內(nèi)瓦斯涌出，打設(shè)鋼管作為瓦斯排放孔。在打管棚孔時(shí)，準(zhǔn)確記錄鉆孔里的瓦斯?jié)舛龋坏┱谱用嫱咚節(jié)舛瘸?.0 %時(shí)，撤出人員加強(qiáng)通風(fēng)。

(8)開挖出碴時(shí)注意進(jìn)尺不能過大，每次開挖后都要進(jìn)行初噴，然后安裝0.6 m/榀鋼拱架。

(9)對(duì)塌方影響段靠掌子面?zhèn)燃訌?qiáng)支護(hù)。當(dāng)這段塌方順利通過后，泵送C20氣密性混凝土。

(10)為確保施工的安全，當(dāng)該段與掌子面有足夠距離時(shí)，施作40 cm厚二次襯砌。

3 塌方現(xiàn)場(chǎng)處理施工工序

依據(jù)隧道施工技術(shù)[4-6]，確定滬昆鐵路瓦斯隧道塌方處理施工工序。

3.1 排放瓦斯

由于瓦斯比重比空氣輕，在塌腔體內(nèi)容易形成通風(fēng)死角，造成長(zhǎng)期釋放出的瓦斯在塌腔內(nèi)嚴(yán)重聚積，濃度極高，在處理掌子面塌方前必須排出塌腔內(nèi)的瓦斯。將高壓風(fēng)管接入塌腔體內(nèi)，將通風(fēng)管接到距離掌子面小于5 m的位置，檢查洞內(nèi)瓦斯自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，確保處于良好的工作狀態(tài)，然后同時(shí)開啟洞外空壓機(jī)及通風(fēng)機(jī)(高檔位)，將塌腔內(nèi)的瓦斯排出洞外，瓦斯?jié)舛冉档偷揭?guī)定值以下方可進(jìn)入洞內(nèi)施工。

3.2 初步控制塌方

由于該段圍巖極為破碎，煤段已成為粉末狀，所以掌子面穩(wěn)定性極差。對(duì)塌腔頂部噴射C20氣密性混凝土10 cm，封閉塌腔壁，防止坍塌、掉塊及瓦斯釋放等。若作業(yè)空間過小不方便直接噴射，可先清理一部分渣體之后在噴混凝土封閉。由于塌方段大部分含有煤層，圍巖自穩(wěn)能力極差，要安全通過塌方段，需要預(yù)先對(duì)塌方段靠洞口方向的影響區(qū)域進(jìn)行加固，防止在施工時(shí)塌方范圍向洞口方向延伸擴(kuò)大，在塌腔處靠洞口方向約5 m范圍內(nèi)已經(jīng)完成初期支護(hù)的邊墻及拱頂均徑向打設(shè)φ42×3.5 mm，L=5.0 m，間距為1.0×1.0 m呈梅花型布置的花鋼管，徑向注水泥漿液，加強(qiáng)該段的穩(wěn)定性(圖3)。在此施工過程中加強(qiáng)通風(fēng)，密切關(guān)注瓦斯?jié)舛龋訌?qiáng)瓦斯監(jiān)控，將瓦斯?jié)舛冉翟诳煽胤秶鷥?nèi)，瓦斯?jié)舛纫坏┏^0.5 %，立即停止施工，將人員安全撤出，啟動(dòng)兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)，降低瓦斯?jié)舛取?/p>

圖3 塌方影響段徑向注漿

3.3 進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)

為防止拱頂繼續(xù)往下塌，在掌子面打設(shè)雙排φ42×3.5 mm，L=5.0 m，環(huán)向間距為0.3 m超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管外插角10°～15°,并注水泥漿液，水泥漿液按1∶1調(diào)配(圖4)。在注漿前將掌子面再次封閉，避免注的水泥漿從掌子面流出，起不到固結(jié)的效果。在打設(shè)小導(dǎo)管時(shí)瓦斯探頭安裝在靠近掌子面的拱頂上，專項(xiàng)觀測(cè)人員要隨時(shí)掌握瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，人工檢測(cè)要24 h不間斷檢測(cè)，有情況及時(shí)上報(bào)解決。

(a)設(shè)計(jì)位置布置

(b)實(shí)際位置布置

3.4 中管棚超前支護(hù)預(yù)加固施做

3.4.1 中管棚施做準(zhǔn)備工作

為了支撐中管棚端頭，施做管棚孔時(shí)容易施做，緊貼掌子面安裝兩榀I18型并排鋼拱架，安裝牢固，定位準(zhǔn)確，安裝φ6、間距25×25 cm的鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片與鋼拱架綁扎牢固。打設(shè)4 m雙層鎖腳錨管，加強(qiáng)該拱架的穩(wěn)定性，最后采用C20氣密性噴射混凝土噴射密實(shí)。

3.4.2 中管棚施做工藝

采用外徑76 mm、壁厚6 mm的熱軋無(wú)縫鋼花管，間距按30 cm設(shè)置，外插角一般為10°～15°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。采用水泥漿液，按1∶1配制，漿液強(qiáng)度等級(jí)不低于M10。管棚長(zhǎng)度為8 m(可按實(shí)際情況調(diào)整)。鉆進(jìn)地層易于成孔時(shí)，宜采用引孔頂入法；不宜成孔時(shí)，可采用跟管鉆進(jìn)工藝，靈活掌握施做工藝。管棚節(jié)間用絲扣連接。管棚單、雙序孔的連接絲扣宜錯(cuò)開半個(gè)節(jié)長(zhǎng)。管棚安裝后，管口應(yīng)封堵鋼管與孔壁間空隙，連接壓漿管。管棚注漿前，宜將開挖工作面用氣密性噴射混凝土封閉(圖5)。

(a)設(shè)計(jì)位置布置

(b)實(shí)際位置布置

3.4.3 中管棚施做注意事項(xiàng)

在管棚施工中施工人員及管理人員均應(yīng)提高安全防護(hù)意識(shí)。管棚鉆孔時(shí)應(yīng)隨時(shí)檢測(cè)孔內(nèi)瓦斯?jié)舛龋磧?nèi)瓦斯?jié)舛瘸^0.5 %時(shí)，應(yīng)立即撤出施工人員停止施工，進(jìn)行瓦斯排放。如若塌腔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^高應(yīng)采取埋設(shè)2根φ100鋼管將空腔內(nèi)瓦斯排出，確保瓦斯?jié)舛仍诳煽胤秶鷥?nèi)。中管棚支護(hù)施作完成后，開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，其中拱頂下沉和凈空變化為必測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息及時(shí)采取相應(yīng)的措施以保證施工安全和施工質(zhì)量。

3.5 清理洞碴，進(jìn)行初期支護(hù)

將洞碴分為上、下兩個(gè)臺(tái)階進(jìn)行清理，先清理上臺(tái)階洞碴，然后清理下臺(tái)階洞碴，每循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，清完碴后及時(shí)修整塌腔體面，在出渣過程中噴淋灑水降低煤塵。

每循環(huán)出碴完成后立即噴射5 cm C20氣密性混凝土，然后開始進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：I18拱架，縱向間距0.6 m；掛φ6鋼筋網(wǎng)，@25×25 cm；噴射C20氣密性混凝土20 cm；上臺(tái)階每榀鋼架每側(cè)打設(shè)2根鎖腳錨管，采用φ42×3.5鋼管，L=3.5 m，注漿密實(shí)。上臺(tái)階初期支護(hù)全部完成后開始清理下臺(tái)階洞碴，施工下臺(tái)階初期支護(hù)。

在拱頂背后預(yù)留4個(gè)φ100孔，2個(gè)作為回填混凝土用，距離塌腔頂面20 cm，另外2個(gè)作為排放瓦斯用，距離塌腔頂面10 cm(圖6)。

圖6 打設(shè)瓦斯排放孔

3.6 塌腔回填

在塌方段處理完成之后，為了防止拱頂可能再次坍塌，防止瓦斯聚積，需要對(duì)塌腔回填混凝土，通過預(yù)埋管向塌腔內(nèi)泵送C20氣密性混凝土，回填過程中另一預(yù)留管作為排氣及排放瓦斯通道。

3.7 二次襯砌

為了確保施工安全，加強(qiáng)該段的穩(wěn)定性，在塌方段通過后有足夠施做二襯的距離時(shí)，及時(shí)施作二次襯砌。模板安裝合格后澆筑厚度為40 cm的C20氣密性混凝土。

現(xiàn)場(chǎng)處理施工結(jié)果表明，圍巖在應(yīng)力重分布和應(yīng)力釋放過程中在一定程度上引起了支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和變形，但監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉和凈空收斂均能保證在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)在處理瓦斯隧道塌方段時(shí)應(yīng)注意瓦斯排放，加強(qiáng)通風(fēng)，將瓦斯?jié)舛认♂屩琳Ｖ怠?/p>

(2)中管棚打設(shè)末端要頂入巖層中，注漿要密實(shí)。

(3)要安裝瓦斯排放管，將塌腔內(nèi)瓦斯排出，不能使其聚集在塌腔內(nèi)。

(4)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，及時(shí)分析成果，指導(dǎo)洞室支護(hù)參數(shù)及二襯的施作，有效保證洞室的安全。

(5) 在煤層地質(zhì)條件發(fā)生變化且隧道圍巖變形較大或突變時(shí)，必須盡快調(diào)整閉合時(shí)間，否則非常容易引起塌方。

(6)按照給出的塌方處理的先封閉釋放控制瓦斯溢出，排出塌腔內(nèi)積聚瓦斯；再加強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)定圍巖，加固塌方影響段；后塌腔回填固結(jié)塌方體及穩(wěn)步推進(jìn)的總體指導(dǎo)思想和塌方處理工序可以保證高瓦斯洞段塌方安全通過。

(7)由于瓦斯及爆破施工條件影響，塌方工藝與安全控制技術(shù)應(yīng)與揭煤防突技術(shù)統(tǒng)籌兼顧。

[1] TB 10120-2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[2] 鐵建設(shè)[2010]241號(hào) 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[3] TB 10304-2009 鐵路隧道工程施工安全技術(shù)工程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[4] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 煤礦安全規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社， 2011.

[5] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S].北京：煤炭工業(yè)出版社， 2009.

[6] 雷升祥.瓦斯隧道施工技術(shù)與管理[M].長(zhǎng)春：吉林人民出版社，2010: 137-139.

俞冬曉(1983～)，男，本科，工程師，從事隧道工程施工技術(shù)與管理工作。

U458.3

B

[定稿日期]2017-08-07