某市政道路高瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工

李元明，程 宏，王傳波，胡兵華，邊洪坡，呂 光

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.中國(guó)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(guó)建立至1999年，我國(guó)共修建了18座瓦斯隧道，占當(dāng)時(shí)全國(guó)隧道總數(shù)的0.18%。21世紀(jì)以來(lái)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)修建的瓦斯隧道不少于70座，其中長(zhǎng)度3 km以上的不少于43座，大大超過(guò)了2000年以前修建的瓦斯隧道總數(shù)。我國(guó)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(guó)煤礦分布較多的地區(qū)[7]。近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，穿越煤系地層的瓦斯隧道不斷出現(xiàn)。值得注意的是，當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛仍?%～16%時(shí)，遇火后能引起爆炸[1];當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，其爆炸威力最大。瓦斯隧道中的瓦斯容易導(dǎo)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(shí)存在兩個(gè)巨大風(fēng)險(xiǎn)：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(huì)導(dǎo)致巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，造成不良的社會(huì)影響。瓦斯隧道的設(shè)計(jì)與施工與一般隧道有較大差別，本文結(jié)合某瓦斯隧道的工程特性，介紹高瓦斯隧道的相關(guān)勘察設(shè)計(jì)情況及關(guān)注要點(diǎn)。

1 工程概況

該市政項(xiàng)目近似呈南北走向，為分離式市政隧道，隧道左洞長(zhǎng)1 240 m，隧道右洞長(zhǎng)1 213 m。隧道坡度從進(jìn)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(yīng)急車道)+1.5 m(人行道)+1.25 m(檢修道)，隧道開(kāi)挖斷面水平最大寬度15.87 m，豎直最大高度11.34 m，開(kāi)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(zhì)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(jù)測(cè)區(qū)外圍煤礦資料、鉆孔揭露、地表調(diào)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(lái)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(nèi)含煤地層屬不穩(wěn)定煤層，煤變質(zhì)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(shù)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(zhì)粉砂巖和圍巖裂、孔隙中。區(qū)內(nèi)地層平緩，沒(méi)有厚度較大的泥質(zhì)巖封閉蓋層，隆起構(gòu)造圈閉，隧道埋深不大，不利于瓦斯的富集儲(chǔ)存，但局部構(gòu)造擠壓破碎帶，次級(jí)小背斜頂部有局部瓦斯聚集的條件。

2 隧道瓦斯及防護(hù)等級(jí)

隧道勘察階段預(yù)測(cè)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(jìn)行煤層瓦斯解吸試驗(yàn)；另一種是實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力、吸附常數(shù)、煤質(zhì)指標(biāo)的間接計(jì)算方法；第三種是類比法，以測(cè)區(qū)及外圍同一含煤地層的礦井瓦斯含量實(shí)測(cè)或鑒定的礦井噸煤瓦斯含量、相對(duì)涌出量類比測(cè)區(qū)隧道。

相關(guān)調(diào)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(jù)《某隧道煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試報(bào)告》顯示，本隧道右洞進(jìn)口瓦斯絕對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)技術(shù)指南》[3]規(guī)定，隧道右洞出口判定為低瓦斯工區(qū)，右洞進(jìn)口判定為高瓦斯工區(qū)，屬于無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。但本次瓦斯參數(shù)測(cè)定測(cè)試長(zhǎng)度較短，未測(cè)試段瓦斯壓力及瓦斯含量無(wú)法預(yù)測(cè)，結(jié)合工程區(qū)周邊項(xiàng)目某隧道的煤層參數(shù)，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(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，并以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中所測(cè)瓦斯等級(jí)為準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

根據(jù)《貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)技術(shù)指南》(JT52/02-2014)的規(guī)定，隧道進(jìn)口段結(jié)構(gòu)設(shè)防等級(jí)暫定為Ⅱ級(jí)，出口段瓦斯隧道結(jié)構(gòu)設(shè)防等級(jí)暫定為Ⅲ級(jí)，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)瓦斯地層超前預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 高瓦斯隧道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)及瓦斯排放

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)為Ⅲ級(jí)時(shí)：一般隧道的原設(shè)計(jì)能達(dá)到防護(hù)要求，按照運(yùn)營(yíng)安全需要，設(shè)置水氣分離裝置[5]，從高洞口(高鐵站端)排放瓦斯氣體。

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)或Ⅰ級(jí)時(shí)：①初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)調(diào)整為C25氣密性噴射混凝土，要求透氣系數(shù)不應(yīng)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(shè)計(jì)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(shù)不應(yīng)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(shè)計(jì)不變(不小于40 cm)。③二次襯砌施工縫、沉降縫處增設(shè)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(shè)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(shè)置水氣分離裝置，瓦斯氣體通過(guò)電纜溝外側(cè)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(jīng)氣密性檢測(cè)。

(5)瓦斯隧道設(shè)防等級(jí)較高地段的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)向等級(jí)較低地段延伸，延伸長(zhǎng)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(zhì)因素

地應(yīng)力。隧道區(qū)本次沒(méi)有進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，但從隧道埋深來(lái)看，埋深不是很大，鉆探過(guò)程中未見(jiàn)餅化巖芯等動(dòng)力現(xiàn)象，隧道不處于應(yīng)力集中地帶。

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

煤層結(jié)構(gòu)類型。據(jù)鉆孔揭露及現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖情況，煤層巖類型以亮煤、半暗煤為主，性硬脆、結(jié)構(gòu)致密，以塊狀為主，部分具鱗片狀及粉狀構(gòu)造，參差狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育。隧道區(qū)煤層多數(shù)屬原生結(jié)構(gòu)煤(Ⅱ類煤)。

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度。地層產(chǎn)狀中等，褶曲較發(fā)育，隧道區(qū)左線有F1逆斷層通過(guò)，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(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜。

3.2.2 揭煤防突設(shè)計(jì)

瓦斯隧道揭煤作業(yè)是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，要求進(jìn)行施工的單位具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)，以確保施工安全。瓦斯隧道施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、早封閉、短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)、強(qiáng)通風(fēng)、預(yù)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(zhì)預(yù)報(bào)，以預(yù)測(cè)煤層位置、產(chǎn)狀、厚度等。然后在掌子面距推測(cè)煤層10 m 垂距處，施作探測(cè)孔7個(gè)(d=108 mm)，探測(cè)孔必須穿透煤層并且進(jìn)入頂(底)板煤層(深度不小于0.5 m)，以進(jìn)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(yù)測(cè)孔[6]，該鉆孔用于進(jìn)一步測(cè)定煤層更加詳盡的特性指標(biāo)，如瓦斯壓力、鉆屑指標(biāo)等。瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)應(yīng)從下列五種方法中選用兩種相互驗(yàn)證，即：瓦斯壓力法、綜合指標(biāo)法、鉆屑指標(biāo)法、鉆孔瓦斯涌出初速度法、“R”指標(biāo)法。石門揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標(biāo)法或鉆屑指標(biāo)法，突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法中有任何一項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)臨界指標(biāo)，該開(kāi)挖工作面即為有突出危險(xiǎn)工作面。

若該煤層無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，進(jìn)行揭煤作業(yè)；若存在突出危險(xiǎn)，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(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)瓦斯含量小時(shí)，可進(jìn)行自然排放，亦可用風(fēng)管將瓦斯引到距掌子面20 m以外的范圍，以保證掌子面開(kāi)挖放炮的安全；當(dāng)瓦斯含量大、噴出強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，可暫停開(kāi)挖，采取以下措施進(jìn)行排放。

(1)當(dāng)存在突出風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，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(yīng)力移向煤體深部，達(dá)到防止突出的目的。

(2)水力沖孔。在開(kāi)挖前，用高壓水在突出危險(xiǎn)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(dòng)爆破。在掌子面向煤層深部的應(yīng)力集中帶布置幾個(gè)長(zhǎng)眼進(jìn)行爆破，其目的在于利用炸藥的能量破壞煤層前方的應(yīng)力集中帶，在工作面前方造成較長(zhǎng)的卸壓帶，從而預(yù)防突出的發(fā)生。

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

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

防突措施實(shí)施后必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)，以確認(rèn)防突措施是否有效。防突措施效果檢驗(yàn)應(yīng)在距煤層2.0 m垂距的巖柱以外進(jìn)行。防突效果檢驗(yàn)結(jié)果其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，或在打檢驗(yàn)孔時(shí)發(fā)生噴孔、頂鉆、夾鉆等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，則認(rèn)為防突措施無(wú)效，必須采取補(bǔ)充防突措施。采用一次性排放時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；當(dāng)采用分段分部分次排放時(shí)，每次只檢驗(yàn)排放部位的排放效果。

瓦斯隧道施工期間，應(yīng)進(jìn)行瓦斯超前預(yù)報(bào)和地質(zhì)復(fù)查工作。對(duì)于揭露的煤層，應(yīng)取樣復(fù)測(cè)煤層的瓦斯含量和其他有關(guān)參數(shù)，必要時(shí)應(yīng)鉆孔埋管實(shí)測(cè)瓦斯壓力，或通過(guò)通風(fēng)和瓦斯檢測(cè)計(jì)算全隧道的瓦斯涌出量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果核對(duì)施工工區(qū)和煤系地層的瓦斯等級(jí)，必要時(shí)進(jìn)行修正，同時(shí)根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

3.3 施工通風(fēng)

瓦斯隧道的施工組織設(shè)計(jì)中，應(yīng)編制全隧道和各工區(qū)的施工通風(fēng)設(shè)計(jì)，并考慮各工區(qū)貫通后的風(fēng)流調(diào)整和防爆要求。瓦斯隧道施工期間，應(yīng)建立瓦斯通風(fēng)監(jiān)控、檢測(cè)的組織系統(tǒng)，測(cè)定氣象參數(shù)及瓦斯?jié)舛取L(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)。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(yīng)配置高濃度瓦檢儀和瓦斯自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警斷電裝置并配備救護(hù)隊(duì)。按瓦斯絕對(duì)涌出量計(jì)算風(fēng)量時(shí)，對(duì)于低瓦斯工區(qū)，應(yīng)將洞內(nèi)各處的瓦斯?jié)舛认♂屩?.5%以下；對(duì)于高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)，其長(zhǎng)度較大的獨(dú)頭坑道應(yīng)將開(kāi)挖工作面風(fēng)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(fēng)速不宜小于1 m/s。

3.4 電氣設(shè)備、照明與作業(yè)機(jī)械

隧道內(nèi)非瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的電氣設(shè)備與作業(yè)機(jī)械可使用非防爆型，其行走機(jī)械嚴(yán)禁駛?cè)敫咄咚构^(qū)和瓦斯突出工區(qū)。隧道內(nèi)高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的電氣設(shè)備與作業(yè)機(jī)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(yīng)配置兩路電源。工區(qū)內(nèi)采用雙電源線路，其電源線上不得分接隧道以外的任何負(fù)荷。

3.5 運(yùn)營(yíng)期安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的預(yù)埋件在正常需求的基礎(chǔ)上再增設(shè) 1～2處，保證隧道服務(wù)期間瓦斯進(jìn)入隧道后具有較強(qiáng)的通風(fēng)能力。隧道運(yùn)營(yíng)中瓦斯?jié)舛仍谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)都不得大于0.5%，超限時(shí)禁止通行，開(kāi)啟全部風(fēng)機(jī)。

運(yùn)營(yíng)照明。隧道運(yùn)營(yíng)照明的燈具應(yīng)使用防爆型隧道專用照明燈具 。

運(yùn)營(yíng)消防。隧道消防栓應(yīng)適當(dāng)加密 ，以增加隧道防災(zāi)能力 。

瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)期間，采用自動(dòng)檢測(cè)方式進(jìn)行瓦斯檢測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有瓦斯超限報(bào)警等功能，并能將相關(guān)監(jiān)測(cè)信號(hào)直接反饋到隧道管理部門，以便管理單位采取及時(shí)有效的措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某市政道路高瓦斯隧道設(shè)計(jì)為依托，詳細(xì)介紹了高瓦斯隧道勘察和系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工的主要內(nèi)容和注意事項(xiàng)，主要包括瓦斯地層勘察、瓦斯等級(jí)確定、瓦斯隧道結(jié)構(gòu)設(shè)防等級(jí)、高瓦斯隧道系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

瓦斯隧道施工期間應(yīng)委托具有相關(guān)資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)報(bào)與檢測(cè)，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；瓦斯隧道應(yīng)設(shè)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(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯監(jiān)測(cè)，避免發(fā)生瓦斯爆炸和瓦斯突出事故。