高瓦斯隧道塌方段綜合治理技術(shù)

曹 安

（中交路橋南方工程有限公司，北京 101121）

蘭海高速復(fù)線重慶至遵義段黃家溝隧道全長5.27km，單洞兩次穿越煤與瓦斯突出煤層，為煤與瓦斯突出隧道。目前尚未進(jìn)入瓦斯工區(qū)施工，為積累瓦斯隧道施工經(jīng)驗，項目部多次組織技術(shù)人員至臨近的正在施工中的正習(xí)高速公路某瓦斯隧道進(jìn)行學(xué)習(xí)、交流。文章以正習(xí)高速公路某瓦斯隧道塌方處治案例為依托，對瓦斯隧道塌方處理進(jìn)行分析總結(jié)，以便為黃家溝隧道出現(xiàn)類似狀況時提供經(jīng)驗借鑒。

1 瓦斯的基本概念及特點(diǎn)

1.1 瓦斯的基本概念

瓦斯主要存在于礦井及隧道中，而煤層中包含的瓦斯氣體包含90%的沼氣，因此在該處習(xí)慣性地將沼氣稱為瓦斯。沼氣具有無色、無味、難溶于水且沒有毒性的特點(diǎn)，重量輕于空氣，如遇到明火則極易發(fā)生爆炸以及大范圍燃燒現(xiàn)象。

公路工程隧道施工工程中遇到的瓦斯地段多為煤系地層，雖然瓦斯本身無色無味，但如該氣體與其他芬芳族類其他接觸并混合后則會出現(xiàn)蘋果氣味。瓦斯氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下其密度基本為0.716kg/m3，且重量高于空氣，因此多數(shù)時間會聚集在坑道中。由于其密集性高，且擴(kuò)散速度相當(dāng)于空氣的2倍，極易從結(jié)構(gòu)松散且裂隙較大的巖石中滲透到其他區(qū)域。瓦斯與沼氣相比能夠微溶于水，且在混入空氣并達(dá)到一定濃度后，遇到火源極易發(fā)生爆炸。瓦斯中含有的乙烷氣體能夠促使人出現(xiàn)頭暈、頭痛甚至昏迷等不適，一旦濃度升高，則極易導(dǎo)致人體出現(xiàn)窒息甚至死亡。

1.2 瓦斯的基本特點(diǎn)

（1）爆炸性。瓦斯氣體本身不具有自然性能，但在與空氣接觸并混合后，與空氣中的氧氣產(chǎn)生充分接觸，一旦到達(dá)一定濃度，則會在產(chǎn)生或存在火源的狀態(tài)下產(chǎn)生燃燒甚至爆炸現(xiàn)象，具有較大破壞性和危險性。

（2）滲透性。瓦斯具有較高擴(kuò)散性和滲透性，其擴(kuò)散強(qiáng)度是空氣的1.6倍，極易通過地下巖層發(fā)生滲透，一旦在隧道施工過程中對巖層產(chǎn)生損壞，導(dǎo)致巖層裂隙增大，極易提升瓦斯的滲透性，增加危險性。

（3）不穩(wěn)定性。瓦斯基本以游離和吸附狀態(tài)存在，且地下巖層內(nèi)壓強(qiáng)等相對來說較為穩(wěn)定，因此瓦斯長期處于動平衡狀態(tài)下，而一旦該地層外界壓強(qiáng)、溫度等出現(xiàn)變化，則極易打破瓦斯的動平衡，例如當(dāng)外界壓力提升而溫度降低時則使部分游離狀態(tài)下的瓦斯變吸附狀態(tài)，反之則會導(dǎo)致部分吸附狀態(tài)的瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)，不穩(wěn)定性極強(qiáng)。

2 塌方現(xiàn)象分析

某公路隧道工程施工里程為K13+385～K17+445，長度為4060m，其隧道位置位于該施工段2.35%～3.00%區(qū)域的直線上坡位置，最大埋深為546m，最淺埋深深度為20m。雖然在施工前針對該區(qū)域進(jìn)行了初期支護(hù)施工，但由于塌方發(fā)生突然且較為嚴(yán)重，其內(nèi)部設(shè)置的鋼拱架已經(jīng)塌陷，且該區(qū)域地下含有瓦斯氣體，在塌方發(fā)生后導(dǎo)致瓦斯出現(xiàn)異常涌出，導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生，進(jìn)而致使塌方情況出現(xiàn)。

3 塌方區(qū)域處理方法

此次針對塌方區(qū)域分三個階段開展綜合治理工作。第一階段主要針對塌方區(qū)域開展地質(zhì)探測工作，通過生成預(yù)報對塌方段的具體情況、塌方高度以及圍巖結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面分析；第二階段則需要該塌方區(qū)域的瓦斯泄露情況進(jìn)行全面治理；第三階段則需要通過更換支護(hù)等對塌方區(qū)域進(jìn)行綜合治理，進(jìn)而解決塌方問題。

3.1 生成超前地質(zhì)預(yù)報內(nèi)容

塌方區(qū)域?qū)儆谒淼朗┕^(qū)域，且存在高瓦斯情況，因此借助該預(yù)報技術(shù)可為之后的治理工作提供便利。借助超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行勘測后得出結(jié)論：K14+850～K14+872段內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重塌方，該段處隧道拱頂出現(xiàn)的最大塌腔高度為33m，其中該段內(nèi)存在未坍塌的松動區(qū)域，但在該區(qū)與內(nèi)已充入大量瓦斯氣體，因此在針對該段進(jìn)行施工處理時必須加強(qiáng)防護(hù)措施。K14+872～K14+894段出現(xiàn)圍巖破碎嚴(yán)重的現(xiàn)象，存在節(jié)理性裂隙，裂隙中含有水資源。該處圍巖為灰黑色泥巖，巖面較為光滑，但破碎嚴(yán)重，且因水分含量較多存在滑膩狀態(tài)，自穩(wěn)能力已缺失，如進(jìn)行開挖則極易導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)塌方，確定該處圍巖為Ⅴ級圍巖，偏弱。

3.2 針對塌方區(qū)域內(nèi)瓦斯的治理方法

（1）借助超前鉆孔勘探技術(shù)分析瓦斯分布情況。此次塌方區(qū)域事先已做好初期支護(hù)，因此塌方區(qū)域內(nèi)不僅含有碎裂巖石、瓦斯氣體，同時也含有鋼拱架等鋼材料結(jié)構(gòu)，在受到外界壓力等作用下極易產(chǎn)生火花，且有水分和空氣中氧氣與瓦斯充分接觸，極易出現(xiàn)大范圍瓦斯爆炸，因此在現(xiàn)有條件下，需要增大水分含量，使用濕鉆孔方式進(jìn)行勘探方法獲取超前預(yù)報。經(jīng)第一階段超前地質(zhì)預(yù)報分析后可知，鉆孔孔徑控制在100m以內(nèi)、長度控制在22m、鉆孔體積控制在0.17m3時可保證鉆孔孔內(nèi)氧氣濃度保持在最低狀態(tài)，遠(yuǎn)低于瓦斯爆炸條件。在進(jìn)行超前鉆孔勘探時需做好以下工作：第一，將此次鉆孔深度控制在18～21m，共設(shè)置41個勘探鉆孔，外插角為17°27″，傾角為17°27″，將鉆孔終點(diǎn)設(shè)置在隧道開挖線外6.5m處，開孔位置設(shè)置在開挖輪廓線上，孔間距設(shè)置為0.5m，終點(diǎn)孔間距為0.75m。第二，借助鉆孔對巖層情況進(jìn)行全面了解。鉆孔時可及時對塌方位置是否存在孔洞、塌方體巖層等情況進(jìn)行了解，在鉆孔過程中及時觀察是否存在瓦斯噴涌情況，及時對鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)及參數(shù)變化情況進(jìn)行監(jiān)測與分析。鉆孔時，其中7個鉆孔內(nèi)在鉆入4～6m時存在鉆機(jī)無負(fù)荷狀態(tài)，則表示該鉆孔區(qū)域存在塌腔孔洞，所有鉆孔孔內(nèi)排出巖渣為黑色顆粒狀形態(tài)，且未出現(xiàn)瓦斯噴涌現(xiàn)象，掌子面瓦斯?jié)舛扰c回風(fēng)瓦斯?jié)舛染S持在0.05%以內(nèi)，且未出現(xiàn)瓦斯動力現(xiàn)象，針對拱頂108°位置進(jìn)行鉆孔時以及鉆孔開挖施工技術(shù)的24h內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡?，但未出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。第三，對瓦斯參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測與考察。借助超前挖孔勘探法進(jìn)行探測后發(fā)現(xiàn)整個勘測器件內(nèi)瓦斯流量保持在0的狀態(tài)下，因此不必對瓦斯流量衰減系數(shù)進(jìn)行考察與計算。而通過勘測后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)存在一定規(guī)律：隧道拱頂處瓦斯?jié)舛雀哂谥胁?，且其濃度衰減速度與中部相比較快，而炭質(zhì)頁巖區(qū)域鉆孔瓦斯?jié)舛茸罡?，但瓦斯?jié)舛人p速度卻低于其他區(qū)域。

（2）做好瓦斯治理工作。上述中提到，該塌方區(qū)域主要是有瓦斯爆炸導(dǎo)致構(gòu)造巖體傾出而出現(xiàn)的現(xiàn)象，由于隧道掌子面正處于構(gòu)造向斜軸部,可以判定塌方體巖石是由于隧道開挖迎面方向巖體整體向開挖空間傾出。經(jīng)結(jié)果分析及設(shè)計后確定使用強(qiáng)度為C20的混凝土材料對塌方空腔區(qū)域進(jìn)行灌注固結(jié)施工，將瓦斯進(jìn)行封閉，固結(jié)完畢后需要使用長度為6m的錨桿支護(hù)方式進(jìn)行加固，將錨桿外插角設(shè)置為30°，錨桿間距設(shè)置為40cm。如空腔較大，則需要重復(fù)固結(jié)與錨固支護(hù)施工，保證混凝土密實度和封閉強(qiáng)度。

3.3 針對塌方隧道的處理技術(shù)

（1）對塌方虛渣進(jìn)行加固?？墒褂眯吞枮棣?2的注漿導(dǎo)管對塌方虛渣進(jìn)行加固，搭接長度為2m，孔間距控制在15cm，按照梅花形進(jìn)行布設(shè)。導(dǎo)管材料為無縫鋼花管，管材孔徑控制在8mm以內(nèi)，呈梅花形布設(shè)，其中管距孔口1m處設(shè)作止?jié){段。

（2）對塌方區(qū)域掘進(jìn)施工及流程。第一，對塌方區(qū)域上弧使用風(fēng)鎬進(jìn)行開挖，使用長臂挖掘機(jī)將碎渣進(jìn)行挖出，并使用自卸車輛將碎渣進(jìn)行運(yùn)出，保證每次循環(huán)進(jìn)尺不超過半米。第二，使用強(qiáng)度為C20的混凝土對拱頂進(jìn)行噴漿施工，將其噴射厚度控制在3cm，隨后進(jìn)行掌子面封閉施工，施工厚度為5cm。第三，使用Φ32自進(jìn)式錨桿進(jìn)行支護(hù)，并在拱部以每延米為單位設(shè)立18號工資鋼拱架3榀，鋼拱架縱向間距之間使用Φ22鋼筋進(jìn)行焊接連接，保證將其環(huán)向間距控制在1m。第四，使用型號為Φ6.5的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行鋪掛加固，網(wǎng)間距設(shè)置為20cm×20cm，隨后進(jìn)行混凝土噴漿施工，噴射厚度為25cm。第五，針對中核位置進(jìn)行開挖并重復(fù)上述施工流程，并根據(jù)具體情況及時結(jié)合設(shè)計方案進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。第六，針對仰拱位置進(jìn)行開挖，根據(jù)具體情況選擇整幅施工方式，使用長臂挖掘機(jī)和人工風(fēng)鎬進(jìn)行碎渣清理，通過自卸式汽車將碎渣運(yùn)出，清理完畢后使用C20混凝土進(jìn)行3cm噴漿施工，完畢后借助18號工資鋼拱架對邊墻進(jìn)行加固，使用螺栓將鋼拱架與邊墻進(jìn)行連接，縱向之間使用Φ22鋼筋進(jìn)行連接，將其環(huán)向間距控制在1m，安裝完畢后復(fù)噴混凝土施工，施工厚度為25cm。第七，對仰拱及仰拱填充，仰拱采用厚70cm的鋼筋混凝土，主筋Φ25，縱向間距20cm，縱向分布筋＜12，環(huán)向間距20cm；箍筋Φ10，環(huán)向間距20cm。

（3）二次襯砌。二次襯砌厚度為70cm的C25鋼筋混凝土，主筋Φ25，縱向間距20cm；縱向分布筋Φ12，環(huán)向間距20cm；箍筋Φ10，環(huán)向間距20cm。采用全液壓襯砌模板臺車，泵送混凝土整體澆注拱墻二次襯砌。

4 監(jiān)控量測

在初期支護(hù)完成后，對圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測，主要對隧道內(nèi)拱頂下沉狀況、水平凈空變換現(xiàn)象等進(jìn)行監(jiān)測與分析，如出現(xiàn)下沉、凈空變化明顯等情況則需要及時進(jìn)行參數(shù)計算和具體分析，并找出具體解決方案進(jìn)行處理。監(jiān)測期間需要及時對錨固、工字鋼拱架的支護(hù)強(qiáng)度及參數(shù)變化進(jìn)行分析，加強(qiáng)對塌方隧道處理質(zhì)量的保障。經(jīng)監(jiān)測后可確定，此次針對該高瓦斯隧道塌方進(jìn)行處理后拱頂下沉及水平凈空指數(shù)相對較為穩(wěn)定，且無混凝土變形、裂縫現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)公路工程中出現(xiàn)高瓦斯地段隧道塌方現(xiàn)象后，不僅需要加大塌方區(qū)域治理強(qiáng)度，同時也必須及時考慮瓦斯噴涌及爆炸現(xiàn)象，結(jié)合實際情況做好綜合治理工作，可借助超前地質(zhì)預(yù)報對塌方段具體情況進(jìn)行分析與監(jiān)測，并借助塌方地段勘探、瓦斯治理及塌方治理的綜合治理方式進(jìn)行施工，做到全面控制瓦斯的同時提高塌方處理效果，進(jìn)一步提升公路隧道穩(wěn)定性及安全性，實現(xiàn)全面提升公路工程施工質(zhì)量的目的。