黃瓜山隧道重大災(zāi)害隱患辨識與評價

辛宗衛(wèi)，周志順，騰 明，沈壯志

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500)

在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，山地和丘陵地形居多，隧道工程的占比較大，特別是貴州、四川和重慶等西南地區(qū)。在隧道的掘進過程中，由于所處地質(zhì)條件復(fù)雜且突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害較多，所以在隧道施工過程中易發(fā)生各類安全事故且傷亡人數(shù)高于其他工程。不同地質(zhì)類型的隧道其施工技術(shù)復(fù)雜多變，沒有固定的施工模式，隨著地理環(huán)境和施工方案等客觀條件也會引起各類事故的發(fā)生。常見的事故主要有塌方、瓦斯爆炸和冒頂片幫等，當(dāng)隧道穿越復(fù)雜巖層時，開挖、襯砌、裝巖和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)都容易引發(fā)上述事故，為隧道的安全施工帶來了風(fēng)險。

重慶永川至四川瀘州高速公路YLTJ1標(biāo)段修建的黃瓜山隧道，左線ZK2+690～ZK5+956，長3 266 m；右線K2+682～K5+950，3 268 m。通過地勘資料和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，因構(gòu)造、巖性、新構(gòu)造運動的差異性而造成了區(qū)域內(nèi)地貌特征的復(fù)雜化和多樣化。隧道周邊存在高壓氣井、采空區(qū)、低瓦斯和水平層狀復(fù)雜巖體等安全隱患，同時煤線軟夾層和低瓦斯煤層在K5+260～+370處交叉的相互作用，影響了圍巖穩(wěn)定性并且增加了施工的難度，會對工程的安全施工和作業(yè)人員造成危害，為了對施工期間的災(zāi)害防治提供指導(dǎo)，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場針對相關(guān)災(zāi)害隱患進行分析并給出相應(yīng)的建議。

1 黃瓜山隧道重大災(zāi)害隱患特征分析

1.1 高壓氣井特征

高壓氣井(黃瓜山19井)是一口廢棄的氣井，位于黃瓜山隧道左線K4+180的左邊64 m。根據(jù)資料顯示，該井為裸眼氣井，完鉆井深933.1 m，含硫化氫0.1 g/m3，于1958年9月開井，1979年12月后因氣藏枯竭停產(chǎn)。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)目前氣井仍存在約5.8 MPa的氣藏壓力，氣井周圍巖體裂隙較發(fā)育，隧道與氣井井筒交叉概率較高，且為非垂直井眼，預(yù)計隧道與氣井交互影響半徑約120 m，直接波及隧道左線K4+072.8～K4+282.5和右線K4+112.2～K4+259的范圍。

高壓氣井中含有一種酸性易燃的硫化氫氣體，低濃度的硫化氫對眼、呼吸系統(tǒng)及中樞神經(jīng)都有嚴(yán)重影響。黃瓜19井的硫化氫濃度高達65 ppm，通常濃度在50～120 ppm會使人嗅覺麻痹，遠超工作場所空氣中硫化氫最高容許濃度6.6 ppm，19井目前的氣藏壓力達5.8 MPa。當(dāng)隧道開挖進入高壓氣井影響范圍時，在爆破施工產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊波和高壓氣源的雙重作用下，會使隧道與高壓氣井間的圍巖裂隙進一步發(fā)育擴展，一旦裂隙通道發(fā)生貫通，極易造成有毒有害氣體泄露、涌出，甚至造成瓦斯爆炸，同時隧道圍巖及氣井井筒的穩(wěn)定性將受到影響，嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)作業(yè)人員的生命安全。

1.2 采空區(qū)特征

黃瓜山隧道附近主要的煤礦有重慶市永川區(qū)銳祥煤業(yè)有限責(zé)任公司余家?guī)r煤礦、重慶市永川區(qū)深溝煤業(yè)(集團)有限公司及重慶市永川區(qū)中河溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，目前三家煤礦均已關(guān)閉。黃瓜山隧道從深溝煤礦和中河溝煤礦北側(cè)通過，距離兩礦采空區(qū)平面距離最小分別為167 m、100 m，位于兩礦采動影響范圍之外，隧道右線里程段K5+264.931～K5+327.536穿過余家?guī)r煤礦南面正上方，對隧道的影響最大，其位置情況見圖1。

圖1 黃瓜山隧道與三個煤礦位置關(guān)系圖

采空區(qū)是地下礦產(chǎn)資源開采結(jié)束后留下來的空洞，在礦區(qū)上覆巖層自身的重力及地應(yīng)力作用下，會向采空區(qū)方向發(fā)生緩慢傾斜、彎曲、變形，加之掘進隧道的重復(fù)擾動，嚴(yán)重影響隧道圍巖穩(wěn)定性。黃瓜山隧道經(jīng)過的采空區(qū)已經(jīng)停采多年，煤礦的采空區(qū)遺煤會存在自然氧化所產(chǎn)生的瓦斯、一氧化碳等有害氣體。在煤礦作業(yè)過程后，由地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞在隧道施工的震動下可能發(fā)生裂隙延伸、貫通甚至塌陷的危險，此時采空區(qū)的有害氣體會通過裂隙進入隧道威脅施工人員的生命安全。因此掘進到該區(qū)域時，應(yīng)采取相應(yīng)的措施保障圍巖和底板的安全。

1.3 瓦斯特征

根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，黃瓜山隧道穿越的煤系地層—須家河組5段，煤層賦存不穩(wěn)定，存在煤線厚度5～20 cm煤層，資料顯示CZKA3鉆孔在85.8～90 m處存在厚度4.2 m的煤層。該煤系地層的煤層覆存條件復(fù)雜，僅局部含煤，煤層厚度不穩(wěn)定，屬低瓦斯煤層。低瓦斯隧道所穿越的煤系地層，一般瓦斯壓力和瓦斯含量較小，因此低瓦斯隧道發(fā)生瓦斯突出的幾率較小。但是低瓦斯隧道會存在由于煤層頂板、底板、斷層及褶皺等導(dǎo)致瓦斯積聚的瓦斯富集帶，會導(dǎo)致大量瓦斯瞬間涌出，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_到5%時就有發(fā)生瓦斯爆炸的危險。

由于瓦斯爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體會以極快的速度向外沖擊，形成沖擊氣流，其破壞力非常大。高溫高壓沖擊氣流所到之處會引燃其他可燃氣體或可燃物，甚至引發(fā)粉塵爆炸，同時瓦斯爆炸過程中，會伴隨著很多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，消耗大量氧氣，并產(chǎn)生大量有毒有害氣體。低瓦斯隧道發(fā)生瓦斯爆炸后，輕則會破壞隧道施工工作面，損毀施工裝備和設(shè)施，重則可能會引起隧道垮塌和作業(yè)人員的傷亡。

1.4 水平層狀巖體特征

黃瓜山隧道主要穿越了第四系人工填土(Q4 ml)、殘坡積層(Q4el+dl)、崩坡堆積層(Q4col+dl)、三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)，穿越地層的地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜，巖層軟硬交替頻繁，分層結(jié)構(gòu)明顯，以三疊系上統(tǒng)須家河組最為明顯。隧道依次穿越三疊系上統(tǒng)須家河組6、5、4段，其中須家河組6段巖性主要為長石石英砂巖，夾1.5 m左右厚薄層頁巖；須家河組5段主要為頁巖夾砂巖，局部夾煤線及厚度5～20 cm的煤層；須家河組4段巖性主要為砂巖，夾薄層頁巖，呈中粒結(jié)構(gòu)。隧道穿越的煤層和頁巖多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體抗風(fēng)化能力較弱，巖體節(jié)理發(fā)育并且比較破碎。

當(dāng)隧道越煤線層和軟夾層時，由于層間結(jié)合力較差，引起隧道上覆巖層不協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致巖體掉塊、冒頂、甚至局部坍塌等情況。在隧道鉆爆掘進施工的作用下，由于水平節(jié)理的圍巖拱頂容易在爆破的震動下產(chǎn)生大范圍的塌落，因此超欠挖十分嚴(yán)重，很難控制爆破效果。超挖引起出碴增多，排險難度增加，超挖部分需用噴射混凝土回填密實，既增加了混凝土的用量，又導(dǎo)致后續(xù)工作時間延長，并給初期支護帶來很大困難，超挖情況見圖2所示。欠挖則要鑿除凸出部分或者二次爆破，造成人、材、機的消耗，而且處理欠挖時容易引起更大的超挖，將嚴(yán)重影響隧道圍巖的穩(wěn)定并且增加施工工序。

圖2 拱頂超挖情況、錨桿掛網(wǎng)分布圖(a、b)

2 黃瓜山隧道重大災(zāi)害隱患治理對策分析

2.1 高壓氣井

由于高壓氣井與隧道存在一定的壓力梯度，會促進裂隙的擴展影響圍巖穩(wěn)定性，甚至造成圍巖垮塌，嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)作業(yè)人員的生命安全。當(dāng)隧道施工至高壓氣井影響范圍內(nèi)時，為防止因施工影響其穩(wěn)定性，應(yīng)采用以下措施。

(1)對高壓氣井采用有線監(jiān)測系統(tǒng)對氣藏壓力進行監(jiān)控，監(jiān)測裂隙的擴展和有害氣體的濃度，防止其發(fā)生泄漏。監(jiān)測系統(tǒng)的壓力傳感器和氣體濃度檢測儀布置于隧道與氣井交互影響范圍的氣井圍巖處，負責(zé)完成對礦井內(nèi)各節(jié)點處的硫化氫濃度和壓力數(shù)據(jù)的采集，并通過線路把數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對接收的信息進行處理后傳輸至報警系統(tǒng)，通過軟件的(1)報，提醒作業(yè)人員緊急撤離。

(2)要對施工方案進行優(yōu)化，要嚴(yán)控工序時間和工序質(zhì)量，以工序時間保循環(huán)時間，以工序質(zhì)量保證總體質(zhì)量，在此范圍內(nèi)的爆破施工應(yīng)采取臺階法施工，鉆孔深度降低至2.2 m，減少爆破施工對隧道圍巖的震動破壞，堅持弱爆破、強支護的原則。

(3)同時加強作業(yè)人員的安全教育和安全技能培訓(xùn)，臺階法施工容易出現(xiàn)爆破不均衡的情況，當(dāng)出現(xiàn)瞎炮時要標(biāo)明地點位置，由原裝藥人員進行處理，采用重新起爆和距瞎炮60 cm以外另打平行眼進行引爆。施工人員的警惕意識是保障生命安全的基本條件，在確定高壓氣井的安全情況之前不得施工。

2.2 采空區(qū)評價與建議

余家?guī)r煤礦采空區(qū)對隧道的影響大約62.6 m，當(dāng)隧道施工至此范圍內(nèi)可采用TRT6000系統(tǒng)對隧道全斷面及圍巖進行超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測工作，及時掌握圍巖的穩(wěn)定情況，重點對裂隙、斷層構(gòu)造塌陷帶、裂縫帶和軟弱巖層帶等不良地質(zhì)條件進行探測。

TRT6000系統(tǒng)由傳感器、無線模塊以及中心控制系統(tǒng)組成。在采空區(qū)影響范圍內(nèi)布置檢波器，當(dāng)施工震動波遇到不連續(xù)的界面(采空區(qū))時，部分能量信號被界面反射回來，反射的信號被地震信號傳感器接收，通過計算機分析用來了解隧道與采空區(qū)間的圍巖穩(wěn)定情況。此外結(jié)合地質(zhì)素描繪制TRT成像圖，綜合應(yīng)用，組成地質(zhì)超前預(yù)報完整的技術(shù)體系，保障隧道安全施工。

在采空區(qū)上覆巖層在其自身的重力作用及隧道掘進的重復(fù)擾動下，需要控制施工循環(huán)進尺，加強頂板安全管理工作。若發(fā)現(xiàn)采空區(qū)對隧道影響較大，應(yīng)立即停止施工，及時調(diào)整圍巖支護參數(shù)對采空區(qū)域隧道襯砌及圍巖進行加固處理，使隧道結(jié)構(gòu)安全通過采空區(qū)。

2.3 低瓦斯處理對策

首先從管理方面入手，加強對各類作業(yè)人員安全意識和技術(shù)上的培訓(xùn)，提高對低瓦斯隧道的認識，不能有低瓦斯隧道就不會發(fā)生爆炸的僥幸心理；強化以人為本的管理形式，瓦檢員是瓦斯管理工作中的一個基本條件，不得肆意減少瓦檢員，嚴(yán)格堅持“一炮三檢”制。

在設(shè)施方面該選擇適合本隧道的最佳防爆電器，同時設(shè)置良好的通風(fēng)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。出現(xiàn)漏風(fēng)或設(shè)備損壞需及時修復(fù)，注意以下幾個方面：

(1)隧道需要的風(fēng)量須根據(jù)爆破后排渣除塵量、作業(yè)人員數(shù)量以及瓦斯絕對涌出量分別計算，并按允許風(fēng)速進行檢驗，采用最大值。

(2)在低瓦斯段施工中，在襯砌模板臺車的附近和瓦斯易于集聚的區(qū)域，采用空氣引射器氣動風(fēng)機設(shè)備，實施局部通風(fēng)的辦法來消除瓦斯聚集的情況。

(3)監(jiān)測系統(tǒng)采用KJ70N型瓦斯自動化監(jiān)控系統(tǒng)，通過在洞內(nèi)安裝各類傳感器測定洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速和各類有害氣體等參數(shù)，并將此信息濃度，并傳輸至主控室進行分析。采用自動聲光報警裝置對異常情況進行報警，再通過設(shè)備開停傳感器和斷電器對被控設(shè)備自動斷電。

(4)接近煤系地層前須進行超前鉆孔探測，及時取煤樣對瓦斯基本參數(shù)進行監(jiān)測，同時對鉆孔的涌出的CO、H2S等有毒有害氣體進行檢測，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_到0.5%必須馬上停止施工，確定是否存在異常涌出的情況。校核穿越瓦斯地層位置并確定瓦斯防護等級，按實際瓦斯類別進行動態(tài)管理，根據(jù)煤層賦存情況及瓦斯?fàn)顩r采取處理措施。

2.4 水平層狀復(fù)雜巖體

黃瓜山隧道的煤線層是一種典型的層狀巖體，這種水平層狀結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致巖體在受力、變形等方面具有明顯的各向異性。如果施工控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致超挖和欠挖，因此可采取的措施有：

(1)深入調(diào)查和勘測隧道穿越的上統(tǒng)須家河組6、5、4段煤層、軟夾層區(qū)段，在不同層狀巖體區(qū)段進行單獨的爆破設(shè)計，根據(jù)巖層情況調(diào)整拱部周邊眼與輪廓線外水平巖層的距離，避免周邊眼炮孔直接破碎煤層。

(2)建立監(jiān)控預(yù)防措施，在爆破后及時初噴，封閉暴露的圍巖。超挖空間用錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土回填密實，局部欠挖則在立鋼拱架之前采用風(fēng)鎬人工鑿除，縮小圍巖松弛變形量，避免圍巖因長時間懸空而導(dǎo)致拱頂?shù)魤K或坍塌。此外，需控制施工循環(huán)進尺，開挖至煤線地層時縮短進尺，控制拱頂坍塌掉塊。

(3)為了掌握圍巖在開挖過程中的變形狀態(tài)和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，必須進行現(xiàn)場監(jiān)控量測，建議量測斷面間距為Ⅲ級圍巖20～30 m、Ⅳ級圍巖10～20 m、V級圍巖5～10 m，通過對量測數(shù)據(jù)的分析與判斷，進行施工風(fēng)險評估工作，確定圍巖支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié) 論

黃瓜山隧道所穿越地層的地質(zhì)條件較復(fù)雜，存在高壓氣井、采空區(qū)、低瓦斯和煤線地層的等害隱患，對隧道爆破掘進、圍巖穩(wěn)定性、施工人員安全等方面構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此在隧道掘進過程中對圍巖穩(wěn)定性、瓦斯?jié)舛取⒌氐撞煽諈^(qū)、裂隙延伸和通風(fēng)量進行監(jiān)測，從更換設(shè)備儀器、優(yōu)化施工方案和加強施工管理方面進行改進，保證隧道施工安全進行。

目前黃瓜山隧道的多災(zāi)耦合條件在國內(nèi)外并無可參照案例，因此需通過深入研究，提出相應(yīng)的災(zāi)變預(yù)控方案，以保障黃瓜山隧道的施工安全。此類相關(guān)災(zāi)害隱患也存在于各大地質(zhì)工程中，由于不同的地理環(huán)境錯綜復(fù)雜，希望通過以上分析能為類似情況作出指導(dǎo)。